读创/深圳商报首席记者吴吉通讯员柯佩宜
尿是废物，一经产生就被冲进下水道；尿同时也是资源，从中回收氮既能减少污染，又能补充肥料供应。据估算，人类产生的尿液足以取代全球四分之一的氮肥和磷肥。尿液中还含有钾和多种微量营养元素。但目前，氮肥供应通常采用高能耗转化过程，不仅低效，还会造成大量能源消耗和温室气体排放。年，《自然》杂志就聚焦“尿液革命”，探索如何解决这些棘手的环境问题。
近期，天津大学佐治亚理工深圳学院（GTSI）助理教授董航在环境领域著名学术期刊《环境科学技术》（EnvironmentalScienceTechnology）上，以第一作者身份发表论文，文中构建出一种新型电气化离子交换氮分离技术，以电气化、低碳化的方式实现尿液中高纯度氮回收，展示出良好的应用前景。董航于秋季学期加盟GTSI，本研究是他在斯坦福大学从事博士后工作期间所作。
新技术解决了什么问题？董航表示，污水中的氮可导致水体富营养化，威胁水生态系统。为了控制氮污染，通常采用生物硝化-反硝化过程将氨氮转化为氮气，然而氮肥供应需要通过高能耗的Haber-Bosch工艺重新将氮气转化为氨氮。这种以氮气作为中间体的氮循环不仅低效，还会造成大量能源消耗和温室气体排放。而直接从高含氮污水（如尿液）中回收高纯度氮作为肥料，有望解决这一难题。
离子交换是主要的氮分离回收方法之一，该技术具有高选择性和可模块化应用等优势，但离子交换材料的再生需要消耗大量化学品，阻碍了该技术的低碳化发展。
团队的研究设计了一种新型电气化离子交换氮分离技术（EXS），通过利用双极膜水电解产生的氢离子原位再生弱酸阳离子交换材料（WAC），并耦合氨氮选择性膜分离过程，实现了尿液中氮的选择性、电气化分离回收。通过全方位评估这一新技术，我们揭示了离子交换材料官能团对于材料再生性、导电性的重要作用，探明了电解液对于离子传输和能耗的影响。最终通过从合成和真实尿液中回收高纯度氮验证了技术的可行性。
通过处理真实尿液，EXS证明了超过80%的电化学再生效率和氨氮回收效率。多次分离-再生循环实验验证了EXS技术的可行性和稳定性。此外，通过对比真实尿液（mg/L氨氮）和合成尿液（mg/L氨氮）的处理效能，表明EXS的性能不受污水本身成分变化的影响。这一点与其他直接使用污水作为电解液的电化学氮分离工艺不同。尿液通常因不同的收集地点和稀释程度展示出极大的成分波动，直接使用尿液作为电解液将导致工艺性能、能耗等的不稳定性，实验结果证明了EXS在应对不同尿液成分时的稳定性和优越性。
该工作设计的新型离子交换材料电气化再生策略，可极大减少离子交换氮分离技术的药品消耗，对离子交换技术电气化、低碳化发展具有积极意义，在分散式污水氮回收中具有良好的应用前景。
董航目前主要从事基于低碳选择分离的资源回收和负碳技术研究，在离子交换选择分离技术的低碳化、电气化，以及在碳利用、碳封存、污水回用、营养物质回收等方面应用中取得了创新性成果。
审读：喻方华