环境的好坏对人们的生活质量和经济发展有着重大影响,而污染处理正是保护环境的关键措施之一。对于厌氧废水流出物及化肥等污染物来说,含硫污水处理措施是必不可少的。
当前,已出现将废水流出物中的硫转化为商品化学品的回收工艺,但含水硫转化的化学机制尚未得到很好的表征。目前已有的工艺也不能达到足够高的标准。对回收工艺来说,有两个要求:选择性和分离率;对回收的产物的要求则是产物纯度和产率。
近日,斯坦福大学化学工程系威廉·塔佩(William A. Tarpeh)课题组研究了阳极表面直接氧化和析氧间接氧化废水中,电化学硫化物的限速步骤、反应势垒和性能,并使用离子色谱法(IC)和液相色谱法(HPLC)实现了 >95% 的无机硫质量平衡,还运用扫描电化学显微镜对电极进行表征,探究了电极表面硫沉积层的形成以及对电极的钝化效应,推动了硫电化学氧化方面的机理研究。
这项研究或可确定未来工艺水平优化的方向,并有助于处理各种含硫化物的工业废水(比如造纸废水,纺织染料废水,炼油废水)及厌氧处理过的生活废水。除此之外,这项工作还与水的再利用有关,其增强了节能厌氧工艺和循环硫经济。
2022 年 2 月 1 日,相关论文以《定量和表征硫化物氧化揭示电化学方法回收废水中的硫》()为题发表在 ACS ES&T Engineering 上,该课题组博士生邵晓晗担任第一作者。
图 | 相关论文(来源:ACS ES&T Engineering)
该团队表示,其创新注重在不仅处理了含硫的厌氧出水,促进了其在再生水领域的应用,而且同时制备了硫酸、单质硫、硫酸铵等化工原料及农业肥料等附加产品,并更清晰地分析了机理方面的内容,为未来电化学硫处理工艺的发展奠定了理论基础。另外,他们指出,这项研究具有模块化优势,未来有潜力可以和其他的水处理技术结合,并应用于中试以及更大的规模。
据悉,研究展开后,该团队具体将实验分为了三部分。第一是基于污水的电化学实验;第二是电极表征实验,以探究电极上的单质硫沉积的形成过程以及对资源回收的影响;第三是分析电化学过程中输入的能量与性能之间的关系,以找到电能与性能之间的平衡点并给污水处理厂的操作员与工程师提供分析框架。
研究表明,间接氧化的硫化物去除效率和硫酸盐的产出均高于直接氧化,析氧反应(OER)对硫氧化过程有促进作用。而不同氧化态硫的最终产物分配和反应速率常数分析表明,在有无析氧反应的两种情况下,过硫酸盐(S2O32-)的拟一级反应系数反应速率常数都为最低,证明该物种的氧化即为硫化物氧化的限速步骤。
除了合成污水外,该研究也对实际废水进行实验验证,实验结论类似,但实际废水的去除效率更高,这可能是由实际废水更低的电导率和缓冲能力导致,课题组也将在未来进一步探究。
此外,该团队在电极表征实验中验证了硫钝化层的存在形式和生长,并证明了硫沉积导致的电极性能下降,后续运用沉积硫进行的电化学氧化实验中,极低的反应速率也再次证明了硫的钝化效果。
基于上述的成果,该团队整合了不同条件下能量消耗和硫化物去除率以及硫酸回收率的关系,探究了能量消耗和性能在工艺层面上的权衡,为未来硫电化学回收的工艺设计提供了理论框架和优化方向。
图 | 元素硫的测量和表征(来源:ACS EST Engineering)
邵晓晗介绍,现在,污水处理方式处于不断升级的过程中,研究人员试图从此前的耗氧型污水处理转化为耗能更少、并从移除污染物向实现再利用转移的过程,而他们的工作更关注于如何进一步处理厌氧出水。该团队希望研究更加结合实际,能够把实验室中的反应器投入到真正的应用当中。接下来,他们会进行系统优化,之后会更集中地对能耗和性能进行分析对比,并将工艺运用到不同的含硫废水中,真正地把污水变成直接可以喝的再生水。
此外,该团队表示,其成果是一项承上启下的研究。所以他们决定进一步探索机理方面的内容,并尝试得出另一种回收硫资源的形式。在研究的过程中,他们还发现了反应过程的决速步(rate determining step),并对其进行了归纳总结,而这些都将为之后的相关课题研究提供良好的基础。
图 | 邵晓晗(来源:邵晓晗)
据了解,邵晓晗是 1995 年出生的天津人,本科就读于美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC),毕业后到斯坦福大学土木与环境工程系攻读硕士学位,现在已经是博士四年级,预计于 2023 年年底毕业。
邵晓晗表示,从大学一年级以来到现在,她一直在做电化学相关的研究。未来,她希望继续从事与环境或可持续发展相关的研究,且其个人更偏向于做影响力驱动的业界工作,且有回国打算。
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