ELECTROCHEMICAL RECOVERY OF NITROGEN AND HYDROGEN FROM URINE
VALORISATION ELECTROCHIMIQUE DE L’AZOTE ET DE L’HYDROGÈNE CONTENU DANS L’URINE
Résumé
Most of the nitrogen present in wastewater is in its ammoniacal form (NH4+) and originates from the urea in human urine. It is mainly treated biologically in wastewater treatment plants, requiring energy for aeration and producing intermediate forms such as nitrous oxide or nitrite. In the case of a collection of this nitrogen in the form of urea, a treatment by electrochemistry would allow both its oxidation into dinitrogen and the production of a renewable energy source, hydrogen, according to the ideal reaction: CO(NH2)2 + H2O -> CO2 + N2 + 3 H2
In order to evaluate the interest of such a process, we have carried out research within the framework of the ANR HYUREA project (2020-24). The aim of this chapter is to present the principles and results concerning the thermodynamic data, the identification of the electrochemical reactions involved and the reaction products formed under different operating conditions. Our studies have shown the necessity of an initial alkalinization of urea with an optimal NaOH concentration NaOH of 1 mol L-1. This initial step makes it possible to recover 45% of the phosphorus present in the urine in the form of: Ca5(PO4)3OH + Mg(OH)2. With "ideal" short-time electrolysis (1 h), the formation of nitrite and N2 is observed, with respective faradaic yields of ~70% and ~25%. However, long-time electrolysis (~40 h), which is required to remove a significant amount of urea shows however that other products such as ammonia and cyanates are formed. The removal of urea takes place at a lower anode potential than for water electrolysis, with an energy gain of 19% for H2 production. Thus, if the concept of a process to remove urea while producing H2 is validated, research must be conducted to promote N2 production as the primary oxidation pathway.
La majorité de l’azote présent dans les eaux usées est sous sa forme ammoniacale (NH4+) et a pour origine l’urée provenant de l’urine humaine. Sous cette forme ammoniacale, son traitement est réalisé principalement par voie biologique en station d’épuration, nécessitant un apport d’énergie pour l’aération et produisant des formes intermédiaires tel du protoxyde d’azote ou des nitrites. Dans le cas d’une collecte de cet azote, sous forme d’urée, un traitement par voie électrochimie permettrait à la fois son oxydation en diazote et la production d’une source d’énergie renouvelable, l’hydrogène, selon la réaction idéale : CO(NH2)2 + H2O -> CO2 + N2 + 3 H2 Pour évaluer l'intérêt d'un tel procédé, nous avons conduit des recherches dans le cadre du projet ANR HYUREA (2020-24). Ce chapitre a pour objectif d'en présenter les principes et résultats concernant les données thermodynamiques, la mise en évidence des réactions électrochimiques impliquées et les produits de réaction formés dans différentes conditions opératoires. Nos études ont montré la nécessité d’une alcalinisation initiale de l’urée avec une concentration optimale en NaOH de 1 mol L-1. Cette étape initiale permet notamment de récupérer 45% du phosphore présent dans les urines sous la forme d'un précipité de type : Ca5(PO4)3OH + Mg(OH)2. Avec des électrolyses "idéales" de courtes durées (1 h), la formation de nitrites et de N2 est observée, avec des rendements faradiques respectifs de ~70% et ~25%. Les électrolyses longues (~40 heures) pour abattre une quantité significative d'urée montrent cependant que d'autres produits sont formés comme l'ammoniac et des cyanates. L'élimination de l'urée se fait à un potentiel anodique plus faible que pour l'électrolyse de l'eau, avec un gain en énergie de 19% pour la production de H2. Ainsi, si le concept d'un procédé visant à éliminer l’urée tout en produisant H2 est validé, des recherches doivent être menées pour favoriser la voie de production majoritaire du N2 comme produit d’oxydation.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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