【儀表網 研發快訊】近年來，重慶研究院水污染過程與防治研究中心劉元研究員團隊在電化學廢水全資源循環利用研究中取得系列重要進展。該團隊成功構建了基于電化學技術的尿液全資源循環工藝體系，實現了氮、磷、鉀等營養元素的高效回收與高值轉化，為污水資源化提供了創新性解決方案。
隨著全球人口增長與消費升級，資源循環利用已成為可持續發展的重要課題。人類尿液雖僅占生活污水總量的1%，卻貢獻了其中80%的氮、50%的磷和60%的鉀負荷。傳統污水處理工藝難以高效回收這些資源，而直接排放又易造成環境污染。針對這一難題，劉元團隊創新性地提出“電化學選擇性分離-定向轉化-資源循環”三位一體技術體系，實現了尿液全組分的資源化利用。
在氮磷協同回收方面，研究團隊創新研發基于電化學C-N偶聯原理的尿素合成新工藝。通過自主研發穿透式流動電解池與高效電催化劑，實現尿素合成產率突破3182.7 μg h-1 mgcat. -1，電耗較傳統工藝降低60%，成功構建廢碳與廢氮協同轉化為高值尿素的綠色通道。
同時進一步優化零電耗自驅動磷回收系統，通過進水水質解析、運行模式優化、非貴金屬催化劑研制、多技術耦合，系統的物質利用效率提升約20%，運行成本降低超過80%，磷回收率超過99%，回收產物的養分含量達到國家摻混肥料標準(GB/T 21633-2020)。
針對鉀資源回收痛點，團隊建立電位驅動分離技術。通過開發氧化還原態周期調節型電吸附材料和聚合物基離子價態分離膜，實現鉀離子相對鈣鎂離子2.5倍以上的選擇性分離，系統處理容量提升25%的同時能耗下降40%。
團隊同步開展低品位熱能回收研究，基于熱電化學電池技術構建適用于生態廁所等分散場景的溫差產電系統，通過與尿液處理系統協同運行，實現廁所廢熱的低碳回收再利用。
基于上述技術，團隊集成開發雙極膜電滲析-中空纖維膜耦合系統，實現了尿液中氮、磷、鉀回收率分別達89%、96%、95%，并將其轉化為液態肥料和工業酸堿化學品。中試規模經濟預測顯示，該系統凈收益可達$19.90/m3尿液，為尿液全資源回收與零排放提供了經濟可行的技術路徑。
該技術體系展現出顯著的應用優勢：在偏遠地區可構建分散式處理站，將尿液就地轉化為緩釋肥和工業原料，減少污水處理負擔；在工農業生產中可嵌入現有廢水處理系統，打造“污染治理-資源再生”協同模式；其模塊化設計更適用于太空基地等密閉環境，為長期空間駐留建立“廢物-資源”閉環系統提供關鍵技術支撐。
相關研究成果發表在《Water Research》、《Resources, Conservation & Recycling》和《Separation and Purification Technology》等環境領域權威學術期刊上，并申請/授權了相應的發明專利。研究獲得了包括國家自然科學基金優秀青年科學基金、重慶市自然科學基金杰出青年基金、中國科學院國際合作項目以及國家自然科學基金面上項目在內的多項課題資助。未來，團隊將進一步拓展該技術在環境治理、綠色化工、深空探測等領域的應用。
多維度養分回收關鍵技術
尿液資源回收及多元應用循環
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