Сточные воды для одного человека - сокровище для другого. Новое исследование Стэнфордского университета прокладывает путь к добыче сточных вод для получения ценных материалов, используемых в удобрениях и батареях, которые когда-нибудь смогут питать смартфоны и самолеты. Анализ, недавно опубликованный в журнале ACS ES&T Engineering, показывает, как оптимизировать электрические процессы для преобразования загрязнения серы и может помочь создать доступную очистку сточных вод с использованием возобновляемых источников энергии, которая позволит получить питьевую воду.
«Мы всегда ищем способы замкнуть цикл химических производственных процессов», - сказал старший автор исследования Уилл Тарпе, доцент кафедры химического машиностроения в Стэнфорде. «Сера - это ключевой элементный цикл, в котором есть возможности для улучшения эффективного преобразования загрязнителей серы в такие продукты, как удобрения и компоненты аккумуляторов».
Лучшее решение
По мере сокращения запасов пресной воды, особенно в засушливых регионах, все больше внимания уделяется разработке технологий, которые превращают сточные воды в питьевую воду. Мембранные процессы, в которых для фильтрации сточных вод используются анаэробные или бескислородные среды, особенно перспективны, поскольку требуют относительно мало энергии. Однако в этих процессах образуется сульфид, соединение, которое может быть токсичным, едким и иметь неприятный запах. Стратегии решения этой проблемы, такие как химическое окисление или использование определенных химикатов для преобразования серы в отделяемые твердые вещества, могут генерировать побочные продукты и запускать химические реакции, вызывающие коррозию труб и затрудняющие дезинфекцию воды.
Заманчивое решение для борьбы с выходом сульфида при анаэробной фильтрации заключается в преобразовании сульфида в химические вещества, используемые в удобрениях и катодном материале для литий-серных батарей, но механизмы этого до сих пор не совсем понятны. Итак, Тарпех и его коллеги решили разработать рентабельный подход, который не создавал бы химических побочных продуктов.
Исследователи сосредоточились на электрохимическом окислении серы, которое требует низких затрат энергии и позволяет точно контролировать конечные продукты серы. (В то время как некоторые продукты, такие как элементарная сера, могут осаждаться на электродах и замедлять химические реакции, другие, такие как сульфаты, можно легко улавливать и использовать повторно). сточные воды, собранные из отдельных зданий или целых городов.
Используя сканирующую электрохимическую микроскопию - метод, который позволяет делать микроскопические снимки поверхностей электродов во время работы реакторов, - исследователи количественно оценили скорость каждого этапа электрохимического окисления серы, а также типы и количество образующихся продуктов. Они определили основные химические барьеры для извлечения серы, в том числе загрязнение электродов и какие промежуточные продукты труднее всего преобразовать. Они обнаружили, среди прочего, что изменение рабочих параметров, таких как напряжение реактора, может способствовать низкоэнергетическому извлечению серы из сточных вод.
Эти и другие идеи прояснили компромисс между энергоэффективностью, удалением сульфидов, производством сульфатов и временем. С их помощью исследователи наметили основу для разработки будущих процессов электрохимического окисления сульфидов, которые уравновешивают потребление энергии, удаление загрязняющих веществ и восстановление ресурсов. Заглядывая в будущее, технологию извлечения серы также можно было бы комбинировать с другими методами, такими как извлечение азота из сточных вод для производства удобрений на основе сульфата аммония. Центр восстановления ресурсов Codiga, экспериментальная очистная установка в кампусе Стэнфорда, скорее всего, сыграет большую роль в ускорении разработки и внедрения этих подходов в будущем.
«Мы надеемся, что это исследование поможет ускорить внедрение технологий, которые уменьшают загрязнение, восстанавливают ценные ресурсы и одновременно создают питьевую воду», - сказал ведущий автор исследования Сяохань Шао, аспирант в области гражданского и экологического строительства в Стэнфорд.
Видео:
Тарпех также является доцентом (любезно) в области гражданского и экологического строительства, научным сотрудником (любезно) Стэнфордского института окружающей среды Вудса, аффилированным научным сотрудником Стэнфордской программы по проблемам воды, здоровья и развития, и член Stanford Bio-X. Дополнительный автор Сидней Джонсон был студентом бакалавриата химического машиностроения в Стэнфорде во время исследования.
Исследование финансировалось Стэнфордским факультетом химического машиностроения, Национальным научным фондом инженерно-исследовательского центра по переосмыслению национальной инфраструктуры городского водоснабжения (ReNUWIt) и программой экологических венчурных проектов Стэнфордского института Вудса.