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投注网在沼液中氨氮分离及资源化利用方面取得新进展

核心提示: 近日,投注网工学院晏水平教授团队在能源与环境工程国际学术期刊“ACS Sustainable Chemistry & Engineering”上在线发表文章,提出了一种低碳足迹的沼液氨氮快速回收及资源化利用新技术。

南湖新闻网讯(通讯员 晏水平 贺清尧)近日,投注网工学院晏水平教授团队在能源与环境工程国际学术期刊“ACS Sustainable Chemistry & Engineering”上在线发表题为“Developing a Vacuum-Assisted Gas-Permeable Membrane Process for Rapid Ammonia Recovery and CO2 Capture from Biogas Slurry”的文章,提出了一种低碳足迹的沼液氨氮快速回收及资源化利用新技术。该技术可在不改变沼液pH值条件下实现快速的氨氮回收和CO2分离,同时还可规避传统氨氮分离中易产生泡沫和引入氧气等问题,对于沼液中氨氮的稳定脱除及后期的沼液回用提供可能,为资源回收与碳捕集提供新途径。

畜禽粪便厌氧发酵后产生的沼液中含有高浓度氨氮,其直接利用将可能导致氮的大量流失,进而造成空气中颗粒物(如PM2.5)的增加、水体富营养化、甚至地下水污染等环境问题。因此,有必要在沼液利用前回收其中大部分氨氮。此外,沼液回流进行厌氧发酵工艺中,高氨氮浓度也极易导致发酵失败,因而沼液回用前必须进行氨氮脱除。从沼液中回收的氨氮既是重要的肥料资源,同时也是重要的化工原料。但现阶段大多数氨氮回收的研究多关注于回收效率提升和可行性探讨,对于低碳足迹的氨氮回收与利用涉及较少。

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减压强化的透气膜过程捕集CO2及回收氨氮的传质路径及流程示意图

科研团队创新性提出采用减压辅助的透气膜过程用于沼液氨氮分离与回收,可实现沼液氨氮的快速回收和CO2捕集。研究中,使用一级反应动力学模型验证了减压辅助的透气膜过程对于氨氮回收的高效性,其一级反应动力学常数达到0.28 h-1,大大超过单独的膜吸收与热脱除技术。通过氨氮与水分传质特性,获得了高效低能耗操作参数,揭示了氨氮和CO2在该过程中传质机理,验证了过程的长期稳定性。根据全生命周期评估原理,核算出该过程的温室气体排放量为-1.6 kg-CO2/kg-N,表明该过程可实现CO2的净负排放。

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具备碳负排放及可盈利的生物能源转化与生产系统

该项研究以厌氧发酵后沼液中的氨氮回收制备可再生CO2吸收剂(RAA)为主线,进一步梳理出以农业废弃物如秸秆、畜禽粪便等为原料,加工制备出用于CO2捕集的醇胺类吸收剂、氨基酸盐类吸收剂和无机盐类吸收剂,为近期工业化利用化学吸收法捕集CO2提供充足的绿色原料支撑。与此同时,在沼气工程的碳减排与提质增效方面,研究提出以可再生氨水为纽带,同时实现营养物质的回收、CO2捕集和沼气提纯。相比于传统工艺过程,新型的工艺系统通过资源的合理配置和能源的梯级利用,可实现系统经济利润的增加和CO2净负排放。相关研究成果也陆续发表在ACSSustainable Chemistry & Engineering,EnvironmentalScience&Technology等国际期刊上。

工学院讲师贺清尧博士和农业部沼气科学研究所席江博士为共同第一作者,晏水平教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金(51376078,51676080)、中央高校基础研究基金(2662018PY046, 2662018QD028)、农业部农村可再生能源开发利用重点实验室开放研究课题基金(2018-003)资助。

据悉,晏水平教授团队近年来一直致力于沼液氨氮脱除及资源化利用方面的研究,在沼液中氨氮高效分离、沼液基可再生CO2吸收剂体系开发等方面进行了持续而深入的研究。

审核人:张拥军

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b04873

责任编辑:邓文萱
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