Исследователи разрабатывают процессы преобразования серы из сточных вод в ценные материалы

Как говорят авторы проведённого исследования из Стэнфордского университета, сточные воды одного человека являются сокровищем для другого человека. Они занимались разработкой процессов для получения ценных материалов, которые могут использоваться в аккумуляторах и удобрениях. Специалисты в своей работе показали, как оптимизировать электрические процессы для преобразования загрязнений серы. С их помощью можно создать доступную очистку сточных вод при использовании возобновляемых источников энергии. В результате можно будет получать питьевую воду.

По мере сокращения запасов пресной воды (особенно это касается засушливых регионов), специалисты всё больше внимания уделяют разработке технологии по преобразованию сточных вод в питьевую воду. Для фильтрации сточных вод применяются мембранные процессы, в которых используется анаэробные или бескислородные среды. Это одно из наиболее перспективных направлений, поскольку здесь требуется мало энергии.

Однако при этих процессах образуется сульфид. Это соединение может быть едким и токсичным, а также обладает неприятным запахом. Если для решения проблемы использовать химическое окисление или использование определённых химикатов для преобразования серы в твёрдые отделяемые вещества, это может приводить к возникновению побочных продуктов и запуску химических реакций, приводящих к коррозии труб и затрудняющих дезинфекцию воды.

Интересным решением в этой ситуации выглядит преобразование сульфида в химические вещества, используемые в удобрениях и катодном материале для литий-серных батарей. Однако механизмы этого процесса до сих пор непонятны. Поэтому исследовательская группа под руководством Уилла Тарпе решила заняться поисками экономически эффективного подхода, при котором бы не создавалось побочных химических продуктов.

В своей работе исследователи сосредоточились на электрохимическом окислении серы, которое требует низких затрат энергии и позволяет точно контролировать конечные продукты серы. В тоже время, некоторые продукты (к примеру, элементарная сера) могут осаждаться на электродах и приводить к замедлению химических реакций. Некоторые другие продукты (например, сульфаты) можно легко улавливать и запускать в повторное использование. В качестве исходного материала используются сточные воды, собираемые из отдельных зданий или целых городов.

В своей работе учёные использовали метод электрохимической микроскопии, который облегчает микроскопические снимки поверхностей электродов во время работы реакторов. Исследователям удалось количественно оценить скорость каждого этапа электрохимического окисления серы. Кроме того, они смогли понять типы и количество образующихся продуктов.

В процессе проведённой работы специалисты определили основные химические барьеры для извлечения серы. В том числе, это загрязнение электродов и промежуточные продукты, которые труднее всего преобразовать. Среди прочего они обнаружили, что различные рабочие параметры (например, напряжение реактора), могут способствовать низкоэнергетическому извлечению серы из сточных вод.

Эти и другие сделанные выводы помогли найти компромисс между энергоэффективностью, удалением сульфидов, производством сульфатов и временем процесса. С их помощью исследователи наметили основу для разработки будущих процессов электрохимического окисления сульфидов. Эти процессы уравновешивает потребление энергии, восстанавливают ресурсы и удаляют загрязняющие вещества.

По мнению учёных, в будущем технологию извлечения серы можно также комбинировать с другими методами, как извлечение азота из сточных вод для производства удобрений на основе сульфата аммония. В ускорении внедрения этих подходов большую роль должен сыграть центр восстановления ресурсов Codiga и экспериментальная очистная установка в кампусе Стэнфорда.

Один из авторов исследования, аспирант Сяохан Шао, отметил, что их работа поможет ускорить внедрение технологий, уменьшающих загрязнения, восстанавливающие ценные ресурсы и позволяющих получать питьевую воду из сточных вод.

Результаты работы опубликованы здесь.