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20
2026
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07
Science子刊：把废水变资源，电驱动膜实现低能耗高通量氨回收
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背景
氨既是现代农业不可或缺的基础化学品，也是废水处理中*主要的含氮污染物之一。当前全球氨生产高度依赖高能耗的哈伯–博施工艺，而约30%的氮最终以氨氮形式进入污水系统，不仅造成资源浪费，还带来额外的处理负担和温室气体排放。传统污水处理通常将氨转化为氮气排放，既消耗能源又无法实现资源回收；而膜分离或吸附等技术要么依赖大量化学试剂，要么难以在小规模分散场景中稳定运行。电化学方法虽提供了“无试剂”的新路径，但普遍存在通量低、能耗高的问题，其根本原因在于氨的生成与传输过程发生在体相中，难以实现*耦合。
创新
近日，香港大学汤初阳教授团队联合大连理工大学刘艳彪教授团队提出一种“微环境工程化电驱动膜”，通过在膜–废水界面构建局域碱性环境，实现氨的原位生成与*分离一体化过程。其核心在于将水分解产生的碱性局限在膜界面，使富集的NH4⁺能够即时转化为NH3，并沿膜内低阻力通道快速迁移，实现连续提取。同时，通过多层一体化结构设计，将催化层、导电骨架与气体传输层紧密耦合，避免传统多层结构中的界面阻抗与结构失稳问题。此外，引入气体吸附调控层，使氨的传输由被动扩散转变为吸附驱动过程，进一步降低传输阻力并提升通量。该体系在保证低能耗的同时，实现了目前电化学氨回收系统中*高的分离速率，并在连续运行500小时后仍保持87.5%的性能。
意义
该工作从“界面微环境调控”出发，将氨的生成、转化与分离过程整合于单一膜体系中，突破了传统工艺中“反应与分离分离”的局限，实现了高通量与低能耗的统一。在应用层面，这种无需外加化学试剂的膜技术为分散式氮资源回收提供了可行路径，能够在源头实现氨的*回收与利用，显著降低污水处理系统的能耗与碳排放。初步评估表明，小规模系统即可满足居民级氨回收需求，具备良好的经济性与环境效益。更重要的是，该研究建立了一套从分子反应到界面传输再到器件结构的系统设计框架，为电化学膜过程提供了新的通用范式，也为资源化污水处理与低碳化学品生产开辟了新的技术方向。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/yz9b7Z9KlOd6bB9lRae6Sg
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