综述：从废水中电化学回收氨气：电极工程在实现规模化生产中的关键作用

《Water Research》：Electrochemical ammonia recovery from wastewater: the critical roles of electrode engineering toward scale-up

电化学氨回收技术通过电极工程实现膜分离的替代，减少外部化学物质和能源消耗，推动循环氮经济与废水处理碳中和。摘要结束分隔符

　　氨的回收是实现可持续水处理和氮循环经济的重要环节。作为化肥生产的关键原料，氨在维持全球人口增长方面不可或缺，但其在农业中的使用却对水体造成严重污染。传统的处理方法主要依赖于生物硝化-反硝化过程，将氨转化为氮气，这一过程不仅消耗大量化石燃料，还伴随着大量温室气体——氧化亚氮（N?O）的排放。氧化亚氮的全球变暖潜力是二氧化碳的270倍以上，这使得传统的氨处理方式在环保方面面临巨大挑战。更进一步，这一过程中释放的氮气通常会被重新通过高能耗的哈伯-博世工艺转化为氨，从而形成了一个线性的排放与再合成循环，严重阻碍了净零排放目标的实现。

因此，寻找一种更加可持续、高效的氨回收方式成为迫切需求。近年来，电化学技术因其能够利用可再生能源、无需化学试剂，并具备模块化结构，适合分布式部署等优势，逐渐成为氨回收研究的热点。其中，电化学氨回收技术能够直接从废水中分离和回收氨，而不依赖传统膜分离手段，这不仅降低了系统的复杂性，也提升了经济性和环境友好性。然而，尽管实验室层面的电化学氨回收技术已经取得显著进展，其向工业规模的转化仍面临诸多挑战，特别是在电极材料和系统设计方面。

在电化学氨回收过程中，电极材料的选择和性能至关重要。不同的电极材料通过不同的机制实现对氨离子的吸附和释放。例如，电容性吸附机制主要依赖于电极表面的电荷分布，通过静电作用在电双层（EDL）中捕获氨离子。而法拉第吸附机制则涉及更复杂的电子转移反应，包括插层反应和氧化还原反应等。这些机制的深入理解有助于优化电极材料的设计，提高其在氨回收中的效率和选择性。同时，新型电极材料的研发，如具有高比表面积和优异导电性能的碳基材料、金属有机框架（MOFs）和复合材料，也为电化学氨回收提供了更多可能性。

除了材料本身，电极结构和系统设计同样影响着电化学氨回收的效率。传统的电极结构往往难以满足大规模应用的需求，因此，研究人员正在探索更先进的电极构型，如多孔电极、三维电极和流动电极等。这些结构能够提高电极与废水的接触面积，增强传质效率，从而提升氨回收的整体性能。此外，流动电极电容去离子（FCDI）系统和电化学剥离系统等新型设计，也显示出在规模化应用方面的潜力。通过将先进的材料、结构设计与系统优化相结合，电化学氨回收技术正在逐步向工业化迈进。

然而，当前电化学氨回收技术仍处于实验室验证阶段，其技术成熟度（TRL）普遍停留在第4级，即实验室原型验证阶段。这意味着尽管这些技术在小规模上表现出良好的性能，但在实际工业应用中仍需进一步优化和验证。因此，有必要对现有的电极工程策略进行全面比较和系统分析，识别其在规模化应用中的关键瓶颈，并提出未来的研究方向。这包括对不同电极材料的吸附性能、电极结构的传质效率、系统设计的可扩展性以及整体经济性等方面的评估。

当前研究发现，虽然电化学技术在实验室条件下能够有效回收氨，但其在实际应用中仍面临诸多问题。例如，如何在低浓度氨废水中实现高效的氨回收？如何提高电极材料的稳定性和寿命？如何降低系统的能耗和成本？这些问题的解决不仅需要对现有技术进行优化，还需要开发新的材料和系统设计。此外，电极工程在电化学氨回收中的作用尚未得到充分重视，尤其是在与其他技术（如膜分离和离子交换）的比较研究中。因此，有必要对电极工程在整个电化学氨回收过程中的作用进行全面分析，为技术的进一步发展提供理论支持和实践指导。

综上所述，电化学氨回收技术在可持续水资源管理和氮循环经济中具有广阔的应用前景。然而，要实现这一技术的广泛应用，仍需克服诸多技术挑战。通过深入研究电极材料的吸附机制、优化电极结构和系统设计、提升技术成熟度以及推动跨学科合作，电化学氨回收有望成为未来废水处理和氨生产的重要手段。这不仅有助于减少环境污染，还能实现资源的循环利用，推动绿色可持续发展。