城市和农业污水中富含氮(氨氮)和磷,既是污染物又是资源。电容去离子(CDI)可用于去除带电离子。然而,传统活性炭电极对氨氮和磷的吸附无选择性,且容量低。层状双金属氢氧化物(LDHs)如NiCo-LDH,是一种二维阴离子黏土材料,其层板带有正电荷,层间填充有可交换的阴离子(如NO₃⁻)。这赋予了LDHs天然的阴离子交换能力(可吸附磷)。而通过引入特定过渡金属(如锌),可以精细调控层板上的金属活性位点,创造与氨分子(NH₃)或铵离子(NH₄⁺)发生特定配位或静电作用的微环境。在CDI中,施加电场可以诱导NH₄⁺离子向阴极移动,并进入LDHs层间或其表面的特定吸附位点,从而实现对水中氨氮的高效、选择性捕获。
本实验通过水热法在活性碳布上原位生长NiCoZn-LDHs纳米片阵列。电化学测试证实该材料对NH₄⁺有特异的赝电容吸附行为。在CDI实验中,在处理含有高浓度Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等竞争阳离子的模拟废水中,NiCoZn-LDHs电极对NH₄⁺的吸附选择性远高于活性炭。在施加-1.0V的吸附电位后,对NH₄⁺的吸附容量高达82mg N/g,而对Na⁺几乎不吸附。吸附氨氮后的电极,放入少量纯水中并反接电位,即可将吸附的NH₄⁺浓缩释放到再生液中。此时,再在再生液中加入镁盐和磷酸盐,通过鸟粪石结晶法,即可将氮和磷以缓释肥料的形式一起回收。
此外,该电极还可切换至正电位(约+0.8V)模式,此时LDHs层间对磷酸根阴离子产生强烈的吸附作用,实现磷的单独或同步捕获。在处理真实沼液时,该系统可将稀释后沼液中的氨氮去除95%以上,再生液浓缩倍数达15倍。该研究将电化学选择性吸附技术与营养物回收理念相结合,为从各类废水中精准分离和浓缩回收氮磷资源,提供了一种极具创新性和实用价值的柔性材料与工艺方案。
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