Introduction
استرداد قيمة من منتجات مياه الصرف الصحي مكاسب أهمية عندما تصبح الموارد القيمة النادرة والعلاج دون الانتعاش لا يمثل سوى تكلفة. يحتوي كل من مياه الصرف الصحي الطاقة والمواد الغذائية التي يمكن استردادها، واستعادة المواد الغذائية يمكن أن يساعد على إغلاق حلقة إنتاج 1. استعادة الطاقة من خلال الهضم اللاهوائي هو عملية راسخة، في حين استعادة مغذيات التربة أقل شيوعا. وقد تم التحقيق استرداد المغذيات من مجاري النفايات السائلة مثل البول والروث على نطاق واسع، على سبيل المثال، من خلال إنتاج ستروفايت وتجريد مباشر من الأمونيا 2،3. ومع ذلك، فإن الحاجة إلى إضافة الكيميائية هو الجانب السلبي من هذه العمليات 4. هنا نقدم تقنية لاستعادة العناصر الغذائية الموجبة من مجاري النفايات، بما في ذلك كل من البوتاسيوم والأمونيوم. شكل الموجبة من هذه المواد الغذائية يسمح الانتعاش باستخدام غشاء انتقائي أيون في نظام الكهروكيميائية. في هذه الحالة، electrochemicويتكون نظام آل من غرفة الأنود (حيث يأخذ مكان الأكسدة)، وغرفة الكاثود (حيث يأخذ تخفيض مكان) وأيون غشاء انتقائي للفصل بين المقصورات. يتم تطبيق الجهد عبر الخلية لإنتاج تدفق التيار من القطب الموجب إلى القطب السالب. يمكن إنشاء هذا الجهد من مصدر طاقة خارجي لدفع الأكسدة المائية وردود الفعل التخفيض. بدلا من ذلك أكسدة انوديك، على سبيل المثال، المواد العضوية، ويمكن أن يحفزه البكتيريا electroactive، والتي تتطلب طاقة أقل. ليغلق الدائرة والحفاظ على التوازن تهمة، يجب على الأنواع اتهم تهاجر بين الأقطاب لكل إلكترون ولدت. وبالتالي يمكن نقل الأمونيوم من غرفة إلى غرفة الأنود الكاثود عبر غشاء تبادل الأيونات الموجبة (CEM) تعويض تدفق الإلكترونات 4،5.
تقنية المعروضة هنا ليس فقط يزيل الأمونيوم من مجاري النفايات، ولكن يمكن أيضا انتعاشها. مجموع نيتروجين الأمونيا (TAN) موجود في توازن كلا عمونالبوتاسيوم (NH 4 +) والأمونيا (NH 3)، ويعتمد على درجة الحموضة ودرجة الحرارة 6. NH 4 + غير متوفرة بكثرة نظرا لارتفاع تركيز TAN وبالقرب الرقم الهيدروجيني محايدة في غرفة الأنود وهذا النوع موجبة الشحنة وبالتالي يمكن أن تكون مدفوعة من قبل التيار عبر CEM في غرفة الكاثود. التيار يدفع الحد من الماء عند الكاثود، مما يؤدي إلى إنتاج أيونات الهيدروكسيد وغاز الهيدروجين. التحولات التوازن TAN إلى ما يقرب من 100٪ NH 3 نظرا لارتفاع درجة الحموضة في غرفة الكاثود (> 10.0). NH 3 هو الغاز الذي يمكن نقله بسهولة عن طريق دوران الهواء من وحدة تجريد لعمود الامتصاص حيث المحاصرين عليه وتتركز في محلول حامض.
هذه التكنولوجيا لديه القدرة على تقليل سمية الأمونيوم أثناء الهضم اللاهوائي للتيارات-N الغنية مثل السماد، وبالتالي زيادة استعادة الطاقة من مجاري النفايات تلك، بينما في وقت واحدالمواد الغذائية يتعافى 4. ويمكن أيضا استخراج الكهروكيميائية وbioelectrochemical الامونيوم تطبيقها كما تقنية الانتعاش المغذيات على مجاري النفايات ذات المحتوى العالي TAN مثل البول وبالتالي تجنب تكاليف إزالة المغذيات في محطات معالجة مياه الصرف 7.
بروتوكول المعروضة هنا يمكن أن تكون بمثابة أساس لكثير من التجارب الكهروكيميائية وbioelectrochemical مختلفة، ونحن استخدام مفاعل وحدات. تختلف أنواع القطب، والأغشية وسمك إطار يمكن الجمع كما هو موضح في بروتوكول أدناه. والهدف الرئيسي من البروتوكول هو توفير وسيلة للمقارنة من الانتعاش الأمونيوم الكهروكيميائية والانتعاش الأمونيوم الحيوية الكهروكيميائية باستخدام خلية التحليل الكهربائي. يتم تقييم النظم من حيث كفاءة الاستخراج، ومدخلات الطاقة والتكاثر.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تجميع مفاعل وتوصيل وحدات تجريد والاستيعاب
- جمع كل المواد اللازمة لبناء المفاعل: الأقطاب الكهربائية، وإطارات والمطاط (انظر قائمة المواد). قطع بعناية جميع اجزاء لنفس الأبعاد لتجنب التسريبات في حين تجميع المفاعل.
- الحفر في المقصورات مفاعل لتناسب الذكور إلى موصل الذكور. حفر حفرة إضافي واحد في منتصف الجانب واحدة من المقصورات مفاعل لتناسب القطب المرجعية.
- إعداد مخزون من 1 MH 2 SO 4 للعمود الامتصاص. زيادة هذا التركيز عند الضرورة لاستيعاب حمولات أعلى من الأمونيا.
- تأكد من أن الغشاء سابقة التجهيز وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. يمهد للمعالجة شعر الكربون القطب عن طريق نقع عليه في 2 ملي CTAB (المنظفات) لمدة 3 دقائق. شطف الكربون شعرت بالماء المنزوع المعادن 8. الأنود مستقر للتجارب الكهروكيميائية لا تتطلب العلاقات العامةetreatment.
- كومة من اجزاء مختلفة من أجل مفاعل وفقا لنوع المفاعل. لمفاعل حيوي: البرسبيكس endplate والمطاط والفولاذ المقاوم للصدأ جامع الحالي، ورأى الجرافيت سابقة التجهيز، البرسبيكس حجرة المفاعل، والمطاط، وتبادل الأيونات الموجبة الغشاء، والمطاط، والمواد الفاصل، غير القابل للصدأ شبكة من الصلب الكهربائي، والمطاط، والبرسبيكس مفاعل مقصورة، والمطاط، البرسبيكس endplate
- كومة من أجزاء المفاعل لخلية كهروكيميائية على النحو التالي: البرسبيكس endplate، والمطاط، IROX الأنود من خلال endplate، البرسبيكس مفاعل مقصورة، والمطاط، هل، والمطاط، وتبادل الأيونات الموجبة الغشاء، والمطاط، والمواد الفاصل، غير القابل للصدأ شبكة من الصلب الكهربائي، والمطاط، ومفاعل البرسبيكس مقصورة، والمطاط، البرسبيكس endplate.
- استخدام تفلون لاغلاق منافذ اتصال من المفاعل. وضع القطب المرجعية في نفس المكان الذي فيه القطب العمل: الأنود في حالة وجود خلية bioelectrochemical، القطب السالب أو الموجب في حالة وجود خلية كهروكيميائية.
- استخدام المكسرات ومسامير لإغلاق المفاعل. تشديد البراغي على طرفي نقيض لمعادلة الضغط. لا تستخدم أدوات لإغلاق هذا المفاعل على أصابع ضيق يكفي لضمان وجود مفاعل مغلقة تماما.
- ملء مفاعل بالماء لاختبار إذا المفاعل هو مجانا للتسرب. إذا ظهرت تسريبات، معرفة ما اذا كان يتم شد البراغي بما فيه الكفاية أو إذا كان أحد أجزاء المفاعل انتقل حين تجميع المفاعل. إذا تم الكشف عن أي تسرب، تفريغ المياه من المفاعل.
- إضافة حلقات Raschig في كل من قطاع غزة وامتصاص عمود لملء الأعمدة في منتصف الطريق.
- معايرة معدل تدفق جميع المضخات. توصيل الأعلاف وإعادة تدوير مضخات للمفاعل ومضخة الهواء إلى وحدات تجريد وامتصاص (الشكل 1). تقليل طول أنابيب قدر الإمكان.
- ملء العمود امتصاص مع 250 مل من 1 MH 2 SO 4، ينبغي أن تغطية حلقات Raschig. تأكد من أن مجرى الهواء يختلط الحامض بشكل جيد عندما يتم تشغيل المضخة على. زيادة أو تقليل حجم حامض على أساس تصميم العمود ومضخة الهواء قدرة تجريد.
الشكل 1. الإعداد مفاعل لنظام bioelectrochemical تمكين استخراج الأمونيوم. ويعمل النظام المعروضة هنا في الوضع المستمر. خطوط الصلبة تمثل تدفق السائل، والخطوط المنقطة تمثل تدفق الغاز. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. الإعداد مفاعل لنظام bioelectrochemical تمكين استخراج الأمونيوم. ويعمل النظام المعروضة هنا في الوضع المستمر. خطوط الصلبة تمثل تدفق السائل، والخطوط المنقطة تمثل تدفق الغاز.ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. تصميم الأطر مفاعل البرسبيكس. ويتألف كل مفاعل مفاعلين endplate و 2 حجرات المفاعل. جميع أجزاء لها سماكة 2 سم. تفاصيل بشأن حجم المواد الأخرى يمكن العثور عليها في قائمة المواد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. Bioanode استخراج مدفوعة
- إعداد وسائل الإعلام.
- إعداد anolyte للمفاعل حيوي كما هو موضح في الجدول رقم 1 9. زيادة تركيز الأمونيوم في المتوسط إلى تقليد تيار النفايات النيتروجين الغنية.
- لتخزين ميديأم قبل استخدامها، الأوتوكلاف المتوسطة لضمان عدم استنزاف مصدر الكربون من خلال التلوث. إعداد الفيتامينات والعناصر النزرة، وفقا للجدول (1) وإضافة بعد التعقيم والتبريد المتوسط.
- تدفق المتوسطة من خلال تطهير مع غاز النيتروجين لمدة 30 دقيقة على الأقل لإزالة الأكسجين. للقيام بذلك، اضافة الى وجود أنبوب أو الإبرة في المتوسط وبدوره على تيار غاز النيتروجين.
- يعد حل موصل كما كهرل مهبطي. في هذه الحالة، استخدم 0.1 M كلوريد الصوديوم للسماح إنتاج الكاوية.
| عنصر | كمية | ||
| نا 2 هبو 4 | 6 ز / L | ||
| KH 2 PO 4 | 3 ز / L | ||
| كلوريد الصوديوم | 0.5 غرام / L | ||
| NH 4 الكلورين | 0.5 غرام / L | ||
| MgSO 4 · 7H 2 O | 0.1 غرام / L | ||
| CaCl 2 · 2H 2 O الحل (14.6 غرام / L) | 1 مل | ||
| خلات الصوديوم | 2 ز / L (لبدء التشغيل) | ||
| العناصر النزرة | 1 مل | ||
| حل فيتامين | 1 مل | ||
| العناصر النزرة (1،000x) | ز / L | الفيتامينات (1،000x) | ز / L |
| كوكلي 2 | 0.1 | البيوتين | 0.004 |
| نا 2 وزارة النفط 4 .2H 2 O | 0.01 | حمض الفوليك | 0.004 |
| H 3 BO 3 | 0.01 | البيريدوكسين هيدروكلوريد | 0.02 |
| 2 ملغ كلور 2 .6H 2 O | 3 | الريبوفلافين | 0.01 |
| ZnCl 2 | 0.1 | هيدروكلوريد الثيامين | 0.01 |
| CaCl 2 .2H 2 O | 0.1 | حمض النيكوتينيك | 0.01 |
| كلوريد الصوديوم | 1 | بانتوثينات DL-الكالسيوم | 0.01 |
| nitrilotriacetic الحمضيه | 1.5 | فيتامين B12 | 0.0002 |
| AlCl 3 .6H 2 O | 0.01 | ص حمض -aminobenzoic | 0.01 |
| CuCl 2 | 0.01 | يبويك (thioctic) حمض | 0.01 |
| FeCl 2 | 0.1 ميو -inositol | 0.01 | |
| MnCl 2 .2H 2 O | 0.5 | كلوريد الكولين | 0.01 |
| ضبط درجة الحموضة إلى 6.5 باستخدام KOH | نياسيتاميد | 0.01 | |
| هيدروكلوريد بيريدكسال | 0.01 | ||
| أسكوربات الصوديوم | 0.01 |
الجدول 1. Anolyte تكوين لاستخراج الأمونيوم الحيوي الأنود مدفوعة.
- تلقيح من مفاعل حيوي
ملاحظة: العمل في ظروف معقمة ليس من الضروري لهذه مفاعل حيوي، كما يستخدم ثقافة اللقاح المختلط والظروف المفاعل سوف نختار الكائنات electroactive محددة.- تحضير اللقاح. لهذا مفاعل حيوي، وإعداد 30 مل خليط من النفايات السائلة من المفاعلات الحيوية اللاهوائية النشطة بما في ذلك تخميروbioanode، وهو هاضم اللاهوائية و / أو مياه الصرف الصحي الخام. جمع الخليط في حقنة.
- توصيل الغاز حقيبة مليئة N 2 إلى زجاجة anolyte من اجل الحفاظ على الضغط مستقرة مع عدم السماح للأكسجين للدخول. مزيج مصدر اللقاح مع حجم anolyte (هنا، و 100 مل من anolyte لمدة 30 مل من مصدر اللقاح) عن طريق إفراغ الحقنة مع اللقاح في زجاجة المتوسطة. تأكد من الحصول على حجم اللازمة لملء الأنود.
- باستخدام حقنة، وملء الأنود والكاثود مقصورة في وقت واحد مع حلول كل منهما. توصيل الغاز حقيبة مليئة N 2 إلى زجاجة anolyte بحيث يمكن إزالة الحل anolyte من خلال منفذ أخذ العينات دون إدخال الأوكسجين. إغلاق المنفذ عينة مع الصنبور بين التحويلات.
ملاحظة: إجراء هذه الخطوة مع زميل له للتأكد من أن تمتلئ كل من المقصورات المفاعل في وقت واحد. - عندما تمتلئ كل من المقصورات المفاعل، بدوره علىمضخة تدوير بمعدل إعادة تدوير ما يقرب من 6 L / ساعة.
- قم بتوصيل كابل potentiostat مع الأقطاب الثلاثة، وذلك باستخدام الأنود كما القطب العمل. ضع القطب المرجعية في الأنود.
- التبديل على potentiostat في وضع chronoamperometry باستخدام برنامج potentiostat. تحديد إمكانية الأنود ثابت من -200 بالسيارات مقابل حج / أجكل.
- تشغيل مفاعل المستمر لاستخراج الأمونيوم
ملاحظة: مع تطور بيوفيلم، سيتم إنتاجها الحالي مع استهلاك خلات. ونتيجة لنضوب خلات، سوف ينخفض التيار (انظر القسم النتائج، الشكل 3).- للتغيير إلى تغذية مستمرة، والتبديل على مضخة تغذية للالأنود والكاثود. وسرعة مضخة تحديد وقت الإقامة الهيدروليكي (HRT). هنا وتشغيل المفاعل في HRT من 6 ساعات.
- تشغيل مضخة الهواء من الشريط وامتصاص الوحدة. إعادة توزيع الهواء في حلقة مغلقة، أو تداول فيحلقة مفتوحة باستخدام الهواء المحيط. تدفق التكوين الهواء يمكن أن تؤثر على كفاءة الامتصاص.
- تحديث متوسطة ثلاث مرات في الأسبوع. إعداد anolyte الطازجة وكهرل مهبطي كما هو موضح في الخطوات 2.1.1-2.1.4.
- بعد هذه الخطوات، ونعلق على حقيبة مليئة الغاز N 2 إلى زجاجة تغذية مغلقة، ووقف مضخة تغذية، ووضع المشبك على خط مؤثر، تبديل زجاجات القديمة والجديدة، وأخيرا إزالة المشابك وإعادة تشغيل المضخة.
- في كل مرة يتم تحديث تغذية، تأخذ 5 مل العينات السائلة من النفايات السائلة ومؤثر من anolyte وكهرل مهبطي لقياس الموصلية، ودرجة الحموضة ومحتوى خلات وتركيز الأمونيوم.
- عند تغيير الأعلاف، وأيضا أخذ عينة 3 مل من عمود امتصاص لمراقبة درجة الحموضة وللتحليل TAN. عندما يقترب الأس الهيدروجيني 4، استبدال ماصة مع الطازجة 1 M حل حامض الكبريتيك لضمان كفاءة امتصاص عالية.
- لان التيار ستزيد أولا ثم تصل إلى الهضبة، وقياس الآسلا تسبب المحتوى تيت في anolyte مؤثر والنفايات السائلة لضمان ذلك عن طريق الحد الكربون: تركيزات خلات في النفايات السائلة anolyte أقل من 100 ملغ / L تشير الحد الكربون. زيادة تركيز خلات في الأعلاف في هذه الحالة (الجدول 2).
- وإذا لم يحدث استقرار الحالي بنسبة القيود خلات، زيادة تدريجية في تركيز الأمونيوم في الأعلاف، والانتظار لتحقيق الاستقرار للتيار من أجل تقييم كفاءة الاستخراج (الجدول 3).
ملاحظة: كما يتم زيادة تركيز الأمونيوم، وسمية الأمونيا والموصلية عالية الطعن في بيوفيلم وسوف تيار إسقاط في نهاية المطاف نتيجة لذلك.
| مرة | كمية من خلات الصوديوم تضاف إلى علف الأنود (ز / L) |
| اليوم 0 - 35 يوم | 2 |
| 3 | |
| يوم 37 - 51 يوم | 4 |
| يوم 51 - 61 يوم | 5 |
الجدول 2. تركيز خلات الصوديوم في anolyte لاستخراج الأمونيوم bioanode مدفوعة.
| مرة | كمية NH 4 HCO 3 تضاف إلى علف الأنود (ز / L) | مرحلة |
| اليوم 0 - 16 يوم | 2.26 | أنا |
| يوم 16 - 26 يوم | 4.5 | II |
| يوم 26 - 33 يوم | 9 | III |
| يوم 33 - 40 يوم | 14.1 | IV |
| يوم 40 - 47 يوم | 20 | V | 25.4 | VI |
| يوم 54 - 63 يوم | 31 | VII |
الجدول 3. تركيز الأمونيوم في anolyte لاستخراج الأمونيوم bioanode مدفوعة. وأشار مراحل على الرسم البياني الكثافة الحالية (الشكل 2).
3. الكهروكيميائية استخراج
- إعداد وسائل الإعلام
- إعداد تيار مياه الصرف الصناعي كما anolyte وفقا للجدول 4 4 إضافة كبريتات الأمونيوم للوصول إلى تركيز النهائي من 1، 3، أو 5 ز N / L.
- إعداد 0.1 M كلوريد الصوديوم حل للكهرل مهبطي.
| عنصر | كمية |
| نا 2 هبو 4 .2H 2 O | 1.03 غرام / L |
| KH 2 PO 4 | 0.58 غرام / L |
| MgSO 4 · 7H 2 O | 0.1 غرام / L |
| CaCl 2 .2H 2 O | 0.02 غرام / L |
| (NH 4) 2 SO 4 | اعتمادا على التجربة، للحصول على 1/3/5 ز N / L التركيز النهائي |
الجدول 4. Anolyte تكوين لاستخراج الأمونيوم الكهروكيميائية 4.
- تشغيل مفاعل المستمر لاستخراج الأمونيوم
- التبديل على مضخة تغذية لملء مقصورات المفاعل. لتسريع عملية زيادة معدل ضخ مؤقتا.
- تقليل سرعة المضخة للحصول على HRT من 6 ساعات مرة واحدة يتم تعبئة المفاعل. التبديل على مضخة تدوير بمعدل 6 لتر / ساعة. أخذ عينة من مؤثر (5 مل).
ملاحظة: قياس معدل التدفق بشكل دوري في كافة مراحل التجربةلضمان أنها لا تختلف. - بدء الشريط وامتصاص الوحدة. تشغيل هذه الوحدة هي نفسها بالنسبة للمفاعل حيوي.
- التبديل على potentiostat في وضع chronopotentiometry باستخدام برنامج potentiostat. أول تطبيق الكثافة الحالية منخفضة في حدود 0.5 A / متر مربع لاستقطاب الغشاء وتحديد تدفق النيتروجين بسبب انتشار وحدها.
- عندما تم الاستقطاب النظام لمدة 24 ساعة، وتطبيق كثافة التيار اللازمة للتجربة. اختبار الكثافة الحالية مختلفة، وعادة ما تتراوح بين 10 A / متر مربع إلى 50 A / متر مربع. أخذ عينات من الأنود والكاثود النفايات السائلة، والعمود امتصاص قبل زيادة الكثافة الحالية.
ملاحظة: بعد 3 دورات HRT، ينبغي للمفاعل يقترب حالة مستقرة. - مرة واحدة وصلت الى مفاعل حالة مستقرة، يستغرق 3 عينات على الأقل خلال دورة الوقت. أخذ عينات من الأنود والكاثود النفايات السائلة، وعمود الامتصاص (5 مل لكل منهما). أكتب حجم أخذ العينات، والتاريخ والوقت.
- اعتمادا على استقرار مؤثر الأنود، أخذ عينة الأنود مؤثر جديدة إذا لزم الأمر. وهذا أمر ضروري عند استخدام مياه الصرف الحقيقي.
- تغيير ظروف الاختبار، مثل تطبيق الكثافة الحالية والتركيز TAN. بعد كل تغيير، والسماح للمفاعل استقرار لا يقل عن 3 HRTs قبل أخذ عينات.
- عندما يكون الرقم الهيدروجيني للعمود امتصاص نهج 4، استبدال ماصة مع الطازجة 1 M محلول حمض الكبريتيك.
4. تحليل عينة
- قياس درجة الحموضة والموصلية من العينات في نفس اليوم الذي أخذ العينات للحد من عدم الدقة بسبب فقدان الأمونيا متقلبة. قياس درجة الحموضة والموصلية باستخدام معايرة بشكل كاف درجة الحموضة والموصلية تحقيقات.
- إذا لم يتم قياس العينة على الفور، وتخزين عينات للتحليل TAN (سواء المفاعلات)، وتحليل الأحماض الدهنية (مفاعل حيوي) في 4 درجات مئوية. مرشح عينات من النفايات السائلة مفاعل حيوي الأنود ومؤثر من خلال 0.45 ميكرون مرشحات لإعادةتحرك الكتلة الحيوية وتساعد على الحفاظ على الأحماض الدهنية. ملء جميع أنابيب العينات إلى حافة من أجل تقليل الخسائر NH 3.
- قياس النيتروجين كما TAN من قبل القياسية طريقة التقطير بالبخار أو أي طريقة أخرى يمكن الاعتماد عليها لقياس TAN 10.
- قياس الأحماض الدهنية كما خلات بأي طريقة موثوق بها، مثل اللوني أيون أو اللوني للغاز 11.
5. تحليل البيانات والحسابات
- تصدير ملف البيانات potentiostat من البرمجيات واستيراده إلى برنامج جداول البيانات. حساب المتوسطات في الساعة للمتغيرات الكهروكيميائية لتقليل عدد نقاط البيانات وسلس منحنيات عندما يخططون لها.
- جمع كل البيانات المقاسة (درجة الحموضة، الأمونيوم، VFA) في ملف بيانات واحدة لإجراء العمليات الحسابية. وتناقش الحسابات في قسم النتائج.
- حساب الإنتاج الحالي من مفاعل حيوي. هو أفضل ممثلة هذا النحو الكثافة الحالية، والذي يحسب على النحو التالي (المعادلة 1،12):
المعادلة 1
مع ي لأن كثافة الحالية، I التيار المطلق، ومنطقة سطح المتوقعة من القطب. في برامج معينة فمن الممكن أن يكون هذا يحسب تلقائيا عن طريق إدخال مساحة سطح القطب الموجب قبل بدء التجربة. - حساب المعلمات المتعلقة باستخراج الأمونيوم
- حساب تدفق النيتروجين. تطبيع تدفق النيتروجين (N ز / م / د) إلى منطقة سطح الغشاء ثم كنسبة كثافة التيار (I N). استخدم هذه القيمة لحساب CE (المعادلة 2 و 3 و 4):
المعادلة 2
حيث C آن، في (ز N / L) وC آن، من أصل (ز N / L) وتركيزات الأمونيا قياس القادمة داخل وخارج المقصورة الأنود،على التوالي. Q (L / د) هو معدل تدفق الأنود و A (م 2) هو مساحة سطح الغشاء (متساوية إلى القطب الموجب المتوقع ومساحة سطح الكاثود). - عرض تدفق النيتروجين كما كثافة التيار (I N، A / متر مربع):
المعادلة 3
حيث ض NH4 + (-) هو المسؤول عن NH 4 +، F ثابت فاراداي (96485 C / مول) وM الوزن الجزيئي من النيتروجين (14 جم / مول). - حساب الكفاءة الحالية (CE،٪) على النحو التالي:
المعادلة 4
حيث كنت التطبيقية (A / متر مربع) هو تطبيق (استخراج الكهروكيميائية) أو قياسها (استخراج bioelectrochemical) الكثافة الحالية. - حساب تدفق النيتروجين النظري. حساب الحد الأقصى للالنيتروجين النظريتدفق (J N، ماكس، ز N / م / د) لإعطاء تطبيقها المساحة السطحية الحالية وغشاء (المعادلة 5) على النحو التالي:
المعادلة 5 - حساب كفاءة إزالة النيتروجين (RE،٪). الرجوع إلى نسبة الأمونيوم التي يتم إزالتها من anolyte كما كفاءة الإزالة. احسب من مؤثر الأنود وتركيزات TAN النفايات السائلة (المعادلة 6).
المعادلة 6 - حساب القصوى النظرية كفاءة إزالة النيتروجين (RE كحد أقصى،٪) لمؤثر معين الحمل TAN والتطبيقية الحالية (المعادلة 7):
المعادلة 7
حيث J N، تطبيق (ز N م -2 د - 1) هو الكثافة الحالية المطبقة كنسبة تدفق النيتروجين.
- حساب تدفق النيتروجين. تطبيع تدفق النيتروجين (N ز / م / د) إلى منطقة سطح الغشاء ثم كنسبة كثافة التيار (I N). استخدم هذه القيمة لحساب CE (المعادلة 2 و 3 و 4):
- حساب الغاز / نسبة السائل كما (المعادلة 8):
المعادلة 8 - حساب القدرة القصوى للعمود الامتصاص. حساب الحد الأقصى N تحميل النظري إلى العمود الامتصاص من الحد الأقصى لتدفق النيتروجين النظري J Nmax، وتركيز TAN في مؤثر (مول / لتر)، وقت ر العملية، ومساحة سطح غشاء A، وحجم V ماصة ( المعادلة 9):
المعادلة 9 - حساب الكفاءة SE (٪) (المعادلة 10) تجريد:
60. المعادلة 10 - حساب مدخلات الطاقة لاستخراج الأمونيوم من خلال غشاء تبادل الأيونات الموجبة (E N، معبرا عنه كنسبة كيلووات / كغ N) (المعادلة 11):
المعادلة 11
مع ΔV فرق الجهد يقاس بين الأنود والكاثود. في حالة مفاعل حيوي تم حساب ΔV كمتوسط للفترة أخذ العينات، لمفاعل الكهروكيميائية يتم أخذ متوسط المدى بأكمله.
المعادلة 1 
المعادلة 2 
المعادلة 3 
المعادلة 4 
المعادلة 5 
المعادلة 6 
المعادلة 7 
المعادلة 8 
المعادلة 9 
60. المعادلة 10 
المعادلة 11 Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ينتج Chronoamperometry من مفاعل حيوي
نتائج chronoamperometry، وتحسب وفقا لمعادلة 1، تظهر رسم بياني نموذجي لمفاعل مستمر (الشكل 4). في بداية التجربة، كانت تعمل الأنود والكاثود في وضع إعادة تدوير. وهذا يسمح بيوفيلم لتطوير وبداية الإنتاج الحالي. بعد 5 أيام من العملية، وصلت كثافة التيار كحد أقصى، يليه انخفاض في الإنتاج الحالي. هذا هو إشارة إلى أن بيوفيلم يفتقر إلى الكربون / المصدر الإلكترون (على سبيل المثال، خلات) لإنتاج التيار. التغيير عملية مستمرة في يوم 6، وذلك باستخدام HRT من 6 ساعات، أسفرت عن زيادة مستمرة في الانتاج الحالي حتى تم التوصل إلى هضبة عند 3.5 A / متر مربع بين يوم 12 و 16. وكان من هضبة اللازمة للحصول على بيانات كافية عن الأمونيوم استخراج لكثافة التيار معينة.
ط تركيز الأمونيومن تم زيادة الأعلاف في عدة خطوات (الجدول 2). وأسفرت كل خطوة في زيادة الكثافة الحالية التي وصلت في نهاية المطاف إلى المتوسط الحالي البالغ 27 A / متر مربع. وارتبط هذا الزيادة الحالية إلى زيادة التوصيل للتغذية الأنود، والتي إضافة بيكربونات الأمونيوم زيادة تركيز أيونات وبالتالي الموصلية. والتوصيل العالي يقلل مقاومة أومية وبالتالي تفضل إنتاج 13 نتيجة Chronoamperometry الحالية من مفاعل حيوي
نتائج chronoamperometry، وتحسب وفقا لمعادلة 1، تظهر رسم بياني نموذجي لمفاعل مستمر (الشكل 4). في بداية التجربة، كانت تعمل الأنود والكاثود في وضع إعادة تدوير. وهذا يسمح بيوفيلم لتطوير وبداية الإنتاج الحالي. بعد 5 أيام من العملية، وصلت كثافة التيار كحد أقصى، يليه انخفاض في الإنتاج الحالي. هذا هو إنديكانشوئها أن بيوفيلم يفتقر إلى / المصدر الإلكترون الكربون (على سبيل المثال، خلات) لإنتاج الحالي. التغيير عملية مستمرة في يوم 6، وذلك باستخدام HRT من 6 ساعات، أسفرت عن زيادة مستمرة في الانتاج الحالي حتى تم التوصل إلى هضبة عند 3.5 A / متر مربع بين يوم 12 و 16. وكان من هضبة اللازمة للحصول على بيانات كافية عن الأمونيوم استخراج لكثافة التيار معينة.
وقد ارتفع تركيز الأمونيوم في الأعلاف في عدة خطوات (الجدول 2). وأسفرت كل خطوة في زيادة الكثافة الحالية التي وصلت في نهاية المطاف إلى المتوسط الحالي البالغ 27 A / متر مربع. وارتبط هذا الزيادة الحالية إلى زيادة التوصيل للتغذية الأنود، والتي إضافة بيكربونات الأمونيوم زيادة تركيز أيونات وبالتالي الموصلية. والتوصيل العالي يقلل مقاومة أومية وبالتالي تفضل الإنتاج الحالي 13.
وأظهرت قياسات خلات الإزالة الكاملةمصدر الكربون بنسبة بيوفيلم انوديك من يوم 27 إلى 37. وخلال هذه الفترة، والكثافة الحالية التي تنتجها بيوفيلم انخفضت قبل تغيير المتوسطة. كما لا أبقى المتوسطة في ظروف معقمة، انخفض تركيز خلات في تغذية مع مرور الوقت بسبب استهلاك الكائنات الحية الدقيقة غير electroactive في زجاجة تغذية. زادت كثافة التيار مرة أخرى بمجرد تجديد المتوسط. هذا يشير الى ان الانتاج الحالي من قبل بيوفيلم كان محدودا تركيز مصدر الكربون في الأعلاف. وكانت عدة زيادات في تركيز خلات اللازمة لمنع تقييد الكربون في النصف الثاني من الاختبار (الجدول 2).
الرقم 4. الكثافة الحالية مع مرور الوقت لنظام bioelectrochemical. وبعد التغيير إلى الوضع المستمر في يوم 6، ويمكن ملاحظة زيادة في التيار. Eالمرحلة منظمة العمل ضد الجوع (II - VII) تشير إلى زيادة في تركيز تغذية الأمونيوم، مما أدى إلى زيادة في التيار.
إمكانيات خلية
يتم احتساب احتمال خلية على أساس الفرق بين الأنود والكاثود إمكانات، وoverpotentials في الأقطاب والمقاومة أومية. وتتعلق إمكانية الخلية إلى إجمالي الطاقة اللازمة لدفع الخلايا الكهروكيميائية. لالمعادلات ووضع على هذا الموضوع، نشير إلى ورقة مراجعة من قبل Clauwaert وزملاء العمل 13.
في حالة استخراج الأمونيوم البيولوجي، تم إصلاح إمكانات الأنود في بالسيارات -200 مقابل حج / أجكل وأنتج بيوفيلم التيار. ونتيجة لذلك إمكانات الكاثود تفاوتت من أجل الحفاظ على التيار التي تنتجها بيوفيلم. في هذه الحالة، المقاومة عبر الخلية أثرت على إمكانية الكاثود. في يوم 16 الإمكانات خلية من النظام البيولوجي بدأت طncrease على الرغم من عدم وجود زيادة في التيار لوحظ وإمكانية الأنود ظلت ثابتة في بالسيارات -200 مقابل حج / أجكل. وكان هذا نتيجة لزيادة المقاومة في النظام، والتي قد تكون نتيجة لمقاومة الغشاء (على سبيل المثال، وتوسيع نطاق على الغشاء) أو قيود الأنتشارى الناجمة عن سوء خلط بين الأنود والغشاء. وقد أفرغت المفاعل بعناية وفتحت، وكان محل الغشاء. وضعت الأنود بعيدا عن غشاء لتحسين الخلط. وقد شغل الأنود مرة أخرى مع anolyte التي تم إزالتها من قبل. أعادت هذه العملية إمكانات الخلية إلى نفس مستوى في بداية التجربة المستمرة (0.5 V)، مع الكاثود مستقرة المحتملين حول -700 بالسيارات مقابل حج / أجكل.
في غير الحيوية تجارب استخراج الكهروكيميائية، ويتم احتساب إمكانيات خلية بالمثل كما لاستخراج bioelectrochemical، بما في ذلك overpotentials ومقاومة أومية. كل من الأنود وج كانت إمكانات athode تخضع للتغيرات. الجهد خلية لنظام الكهروكيميائية هو أعلى من مفاعل حيوي (الجدول 5). ويرجع ذلك أساسا إلى إمكانية الأنود أعلى المطلوبة للأكسدة الكهروكيميائية من الماء للأوكسجين هذا. يتم وصف الأنود والكاثود إمكانات محددة لشروط اختبارها من قبل Desloover وآخرون. 4.
| الكثافة الحالية | Bioanode (V) | نظام الكهروكيميائية (V) |
| 0 A / متر مربع | N / A | N / A |
| 10 A / متر مربع | 1.69 ± 0.05 | 2.73 ± 0.06 |
| 20 A / متر مربع | 2.20 ± 0.11 | 2.99 ± 0.08 |
| 30 A / متر مربع | 2.32 ± 0.14 | 3.35 ± 0.21 |
استخراج الأمونيوم وتجريد
المعلمات الكهروكيميائية المعروضة في اثنين من الأجزاء السابقة هي العوامل التي تحدد كفاءة استخراج الأمونيوم من خلال غشاء تبادل الأيونات الموجبة. وتحسب المعلمات التالية من أجل مقارنة الأداء للنظام الحيوية وغير الحيويةالصورة من حيث استخراج الأمونيوم.
تدفق النيتروجين (J N) والكفاءة الحالية (CE) لاستخراج
أيونات الأمونيوم عبر غشاء تبادل الأيونات الموجبة لاستعادة التوازن تهمة فوق الخلية. لكل إلكترون أن يطلق سراحه عند المصعد، لا بد من النازحين شحنة موجبة واحدة من الأنود إلى المقصورة الكاثود. إذا الأمونيوم استعادة 100٪ من الرصيد تهمة، فإن المرء الحصول على الكفاءة الحالية بنسبة 100٪.
تدفق النيتروجين لمفاعل حيوي أعلى من نظام الكهروكيميائية (الشكل 5). ويمكن تفسير ذلك من قبل القلوية أقل من العلف للنظام الكهروكيميائية، مما أدى إلى انخفاض الرقم الهيدروجيني anolyte. وأدى ذلك إلى المنافسة بين أعلى الأمونيوم والبروتونات لاستعادة التوازن تهمة خلال الغشاء.
الشكل 5. تدفق النيتروجين لمفاعل حيوي مقارنة مع تدفق النيتروجين لنظام الكهروكيميائية لالكثافة الحالية مختلفة ويتم احتساب تدفق لمفاعل حيوي لمجموعة من تركيز TAN في مؤثر الأنود؛ لنظام الكهروكيميائية يعطى تدفق فقط لتركيز 5 غ N / L. وأشرطة الخطأ لنظام الكهروكيميائية هي أصغر من حرف.
كفاءة تجريد
يمكن تعديل معدل إعادة تدوير السائل وأداء مضخة الهواء من أجل الحصول على أعلى كفاءة تجريد. فإن اختيار حلقة دوران الهواء مفتوحة أو مغلقة أيضا أن يكون له تأثير على كفاءة تجريد. تيار الهواء الطلق مواتية عندما كفاءة امتصاص عالية وحوصر جميع الغاز NH 3 أثناء مرور من خلال الحامض. نظام الهواء الطلق يضمن أن الهواء يمر العمود تجريد خال من الأمونيا، مما أدىفي قوة دافعة أعلى لتحويل المنحل NH 3 إلى الغازي NH 3. في حالة وجود كفاءة امتصاص منخفضة نظام مغلق سيمنع خسائر الأمونيا. يجب أن يمتص غاز الأمونيا المأسورة في تدفق الغاز إلى محلول حمض لجعل عملية تجريد مواتية الديناميكا الحرارية، كما عبر عن ذلك مبدأ لوشاتلييه 14. عندما يكون الرقم الهيدروجيني لليبدأ ماصة ليرتفع أنه يجب أن يتم استبداله، وهذا يشير إلى أن هناك لم تعد البروتونات المتاحة لprotonate الأمونيا. ويمكن تقدير الطاقة الاستيعابية مسبقا. لكل مول من H 2 SO 4، 2 مولات N من NH 3 يمكن القبض عليه.
تجريد الكفاءة (SE،٪) ويتم احتساب بناء على النيتروجين النشادر إزالتها من الأنود، وتركيز الكاثود النفايات السائلة (C CAT، الخروج). هذا الأسلوب هو أكثر دقة من الطرق باستخدام TAN قياس إبلاغ عمود الامتصاص وهذه تخضع لevaporaنشوئها / هطول الأمطار. من المهم أن نلاحظ أن معادلة 10 غير صالحة فقط لمعدلات تدفق متساوية من anolyte وكهرل مهبطي.
المقارنة الشاملة للأنظمة الحيوية وغير الحيوية
تتم مقارنة مفاعل حيوي ونظام الكهروكيميائية لالظروف الأكثر مماثلة من الاختبار: تركيز 5.1 غرام N / L لanolyte مفاعل حيوي، مما أدى إلى الكثافة الحالية من 27 A / متر مربع وتركيز 5 غ N / L جنبا إلى جنب مع الكثافة الحالية المطبقة من 30 A / متر مربع في حالة نظام الكهروكيميائية (الجدول 6).
| المعلمة | Bioanode | نظام الكهروكيميائية |
| الكفاءة الحالية (٪) | 67.1 ± 0.28 | 38 ± 0.6 |
| كفاءة إزالة (٪) | 51 ±0.5 | 41 ± 2 |
| تدفق النيتروجين (N ز / م / د) | 226 ± 1 | 143 ± 7 |
| جهد الخلية (V) | 2.12 ± 0.09 | 3.35 ± 0.21 |
| مدخلات الطاقة (كيلو واط / كغ N إزالة) | 6.04 ± 1.78 | 16.8 ± 1.4 |
| Anolyte درجة الحموضة | 7.39 ± 0.13 | 1.56 ± 0.14 |
| كهرل مهبطي درجة الحموضة | 12.53 ± 0.07 | 12.92 ± 0.08 |
الجدول 6. المقارنة الشاملة للمفاعل حيوي ونظام الكهروكيميائية. مفاعل حيوي كانت تعمل في حالة مستقرة عند 5.1 ز تركيز N / L الأعلاف، مما أدى إلى متوسط الكثافة الحالية من 27 A / متر مربع. تم تشغيل نظام الكهروكيميائية في 30 A / متر مربع لتركيز تغذية النيتروجين من 5 ز / L.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
توفر هذه المخطوطة الأدوات اللازمة لانشاء bioelectrochemical وخلية كهروكيميائية لاسترداد الأمونيوم. الحسابات المقدمة في قسم النتائج وتوفر معايير لتقييم أداء النظام. النظم البيولوجية والكهروكيميائية متشابهة في الإعداد وظيفة. والفرق الرئيسي بين النظامين هو الخيار تيار ثابت للخلية كهروكيميائية مقابل إمكانية الأنود المحدد لإعداد bioelectrochemical. التيار المحدد لإعداد اللاأحيائي ضروري لدفع ردود الفعل القطب ويسمح يسمح أيضا لتنظيم العمليات في المرحلة السائبة، مما يؤدي إلى ظروف الحالة المستقرة. لنظام bioelectrochemical من ناحية أخرى، تم اختيار إمكانية الأنود ثابت من -200 بالسيارات مقابل حج / أجكل لتمكين نقل الإلكترون إلى القطب 15. الخلية الكهروكيميائية المقصورة اثنين تتيح استخراج الأمونيوم على الغشاء، يقودها ELECTRICAل الحالية. ويعرض كل نظام مزايا معينة على الآخر. يتم وصف بعض المشاكل المحتملة مع أنظمة.
النظام bioelectrochemical يقدم العديد من المزايا فيما يتعلق تكلفة النظام. ورأى تكلفة الجرافيت الأنود هو أقل بكثير من تكلفة الأنود مستقر المستخدمة في نظام الكهروكيميائية. ل1 متر مربع سطح القطب، وتكاليف رأس المال من القطب الموجب وانخفض بعامل 10، من 1000 $ الى 100 دولار للمتر المربع الواحد. التكلفة التشغيلية للنظام bioelectrochemical هي أيضا أقل. في مفاعل bioanode، يتم إنتاج التيار في إمكانية الأنود أقل بكثير من بيوفيلم مقارنة المفاعل الكهروكيميائي، وبالتالي الخلية الجهد المطلوب أقل من ذلك بكثير في الإعداد bioelectrochemical. في الخلية الكهروكيميائية يتطلب استخراج مدخلا الطاقة من 16.8 كيلوواط ساعة / كغ N المستخرج، في حين لbioanode تعمل تحت نفس الظروف مدخلات الطاقة هو أكثر من النصف إلى 6.04 كيلوواط ساعة / كغ N اضافيةالمديرية. البكتيريا electroactive تحفز رد فعل انوديك في احتمال أقل في مقابل الأكسدة الكهروكيميائية من الماء، مما يقلل بشكل كبير من التكاليف التشغيلية للمفاعل حيوي. لا يتم تضمين التكاليف التشغيلية الأخرى مثل الطاقة للمضخات وتجريد والامتصاص، ولكن من المتوقع أن تكون مماثلة لكلا النظامين. يتم الحصول على مدخلات أقل من ذلك الطاقة عند استخدام خلية الوقود الميكروبية (MFC) بدلا من خلية التحليل الكهربائي الميكروبية. معدلات الاستخراج المنخفضة التي تم الحصول عليها مع MFC تجعل استثمار الطاقة الكهربائية في حالة MEC جذابة 16.
في حين التكلفة تفضل نظام bioelectrochemical والاستقرار التشغيلي واستنساخ هي ميزة من خلية كهروكيميائية. كنظام البيولوجي، وبيوفيلم electroactive حساس للبيئة، ويمكن بسهولة أن تتعطل. بيوفيلم حساس للتغيرات في درجة الحموضة، وتركيز المركبات السامة والتغيرات في درجة الحرارة. وinfluenر يجب مخزنة بشكل جيد للحفاظ على درجة الحموضة حول قيمة محايدة خلال تفاعل الأكسدة. فإن رد الفعل الأنود فرض انخفاض درجة الحموضة إذا لم يتم تخزينها مؤقتا في anolyte بما فيه الكفاية، كما كان الحال بالنسبة للنظام الكهروكيميائية. وهذه نقطة حاسمة لمعالجة عند استخدام النظام البيولوجي لمعالجة مياه الصرف الحقيقي. كان تأثير درجة الحرارة واضحة للعيان في اختبار bioelectrochemical المقدمة هنا. فمن الأفضل لوضع المفاعل في بيئة تسيطر عليها درجة الحرارة إلى استبعاد تأثير درجة الحرارة على حركية البكتيرية ولكن هذا لم يكن الحال في اختبار bioelectrochemical المعروضة هنا، حيث يمكن ملاحظة درجة حرارة التذبذب للتأثير على chronoamperometry. الاختلافات يومية بين ليلة (البارد، وانخفاض التيار) واليوم (دافئ، وارتفاع التيار) يمكن أن ينظر إليه في الرسم البياني (الشكل 4)، ولا سيما بين يوم 42 و 46، وعندما لا عوامل أخرى مثل قلة توافر مصدر الكربون وعرقلة و[أكتيف البكتيريةإيتي 13،17.
وثمة عيب آخر هو أن النظام البيولوجي يتطلب وقتا أطول لبدء التشغيل. بيوفيلم يتطور على مدى بضعة أيام على القطب، ولكن يجب تطبيق التغييرات على خصائص تغذية مثل تركيز TAN تدريجيا من أجل الحد من التوتر إلى بيوفيلم الميكروبي. في نظامنا، ونظام الكهروكيميائية يتطلب سوى 24 ساعة من الاستقطاب و3 HRTs للوصول إلى ظروف التشغيل مستقرة.
نظام الكهروكيميائية يسمح درجة أكبر من السيطرة على المعلمات التشغيلية. على سبيل المثال، يمكن التحكم في الكثافة الحالية للحصول على النسبة المثلى بين الانتعاش المنتجات ومدخلات الطاقة 4. الكثافة الحالية أعلى من تلك المقدمة هنا (أكثر من 30 A / متر مربع) يمكن أن تستخدم، في حين لنظام bioelectrochemical لا يمكن أن الإنتاج الحالي يمكن التحكم في الحاضر للدولة من بين الفن. يمكن الحد من مصدر الكربون، أو توفير الكربون الزائد تغيير الانتاج الحالي من الالنظام البيولوجي البريد، ولكن كما نوقشت في قسم النتائج أكثر من العوامل تؤثر على الإنتاج الحالي من قبل بيوفيلم، مما يجعل من الصعب لتحسين المعلمات العملية.
العناصر المذكورة أعلاه توفر أساسا لتقييم مفاعل لمؤثر معين، ويمكن أن تساعد مع تحديد ما إذا كان نظام bioelectrochemical أو الكهروكيميائية وينبغي اختيار. ونحن نأمل ان يكون هذا الفيديو التعليمي يوفر الأدوات اللازمة لتشغيل نظام بسيط الكهروكيميائية أو bioelectrochemical لاستخراج الأمونيوم.
استكشاف الأخطاء وإصلاحها أثناء التشغيل التجريبي
وهناك عوامل كثيرة تؤثر على أداء خلية كهروكيميائية. النظام bioelectrochemical هو أكثر حساسية للاضطراب. وتناقش المشاكل الأكثر شيوعا في عملية مفاعل هنا، ولكن قد تحدث مشاكل أخرى. وعلم عملية مفاعل أكثر سهولة التدريب العملي على والمواجهة مع مشاكل سيسمح ذأوو لتشغيل أكثر سهولة في المدى المقبل. يتم التعامل مع الجوانب الأخرى فيما يتعلق بنظم bioelectrochemical مع في المقالة الفيديو إن الرب التي كتبها Gimkeiwicz وهارنيش 18.
أحجام المواد
أحجام مفاعل أخرى ممكنة لاستخراج الأمونيوم. على سبيل المثال، حجرة المفاعل يمكن أن تكون مستطيلة بدلا من مربع، مع الأبعاد الداخلية من 5 × 20 سم مربع. الجانب الأكثر أهمية هو أن جميع عناصر ينبغي أن تناسب بشكل صحيح. ينبغي أن تغطي المطاط دائما الجانب الخارجي من الإطار مفاعل مقصورة. يجب أن تقطع الغشاء أكبر من منطقة الصرف السطحي. لسم ² 8 × 8 سم ² مفاعل 13 × 13 هو حجم مناسب. ورأت نفس حسابات الجرافيت. جامع الفولاذ المقاوم للصدأ الحالي لbioanode له أبعاد الخارجية لل13 سم × 13 سم والأبعاد الداخلية 11 سم × 11 سم لكي لا يكون على اتصال مباشر مع anolyte.
Potentiostat ضمان حسن سير العمل في potentiostat عن طريق تنفيذ اختبار خلية وهمية، قبل بدء التجربة المفاعل.
مقاومة أومية
تراقب عن كثب على مقاومة أومية للنظام، والتي سوف تؤثر سلبا على إمكانية الخلية في القيم العليا. وهناك زيادة مفاجئة للمقاومة أومية النظام قد تشير إلى وجود العديد من المشاكل: (ط) خلل في غشاء التبادل الأيوني، (ب) مساحة كبيرة جدا بين الأقطاب، (ج) وصلات الفقراء الكهربائي، (د) بالكهرباء منخفض الموصلية، أو (v) عدم كفاية الاختلاط. ويمكن الكشف عن ارتفاع حاد للمقاومة أومية بسرعة كبيرة عن طريق التحقق من الامتثال الجهد المطلوب الذي يجب أن يتم تسليمها من قبل potentiostat. إذا كان هذا يصبح مرتفع جدا (> 10 V)، فإن برنامج حاسوبي potentiostat يقطع التجربة، رغم أن هذا يعتمد على المعدات.
قاذورات الغشاء وهيئة السلع التموينيةويمكن توقع مع مرور الوقت خصوصا عند استخدام مياه الصرف الحقيقي كما anolyte بسبب وجود الكاتيونات الثنائي التكافؤ مثل الكالسيوم والمغنيسيوم 2+ 2+، والمواد الصلبة عالية المحتوى 19 لينغ. وسوف يؤدي ذلك إلى زيادة مقاومة أومية وأعلى خلية الجهد، مما يجعل النظام أقل كفاءة.
إشارة القطب
يجب فحص القطب إشارة الأسبوعية نسبة إلى القطب إشارة مستقرة (على سبيل المثال، كالوميل القطب) للتأكد من أن النظام يعمل على إمكانات الثابتة الصحيحة. وضع القطب المرجعية في النظام في مثل هذه الطريقة التي فقاعات الغاز لا يمكن محاصرين قرب القطب المرجعية (الاتصال إلى جانب المفاعل، وليس إلى الأعلى).
الأكسجين التسلل
كما بيوفيلم حساس الأكسجين، وينبغي تجنب تسرب الأوكسجين في جميع الأوقات. وينبغي أن تكون السفينة مؤثر وأنود مقصورة فلوس[هد] مع غاز النيتروجين أثناء بدء التشغيل للمفاعل. في حين أن التجربة قيد التشغيل، والكثافة الحالية المنخفضة قد تشير إلى استخدام O 2 كما متقبل الإلكترون بدلا من القطب الموجب. تحقق كافة الاتصالات وأنابيب (أنابيب مضخة خاصة) للكشف عن تسرب الهواء. ويمكن الكشف عن الأكسجين التسلل باستخدام ريسازورين، ولكن هذا المركب قد تتداخل مع القطب نشط بيوفيلم 20.
تجريد وامتصاص الكفاءة
ينبغي الحفاظ على كفاءة عالية تجريد لتجنب فقدان الأمونيا من النفايات السائلة الكاثود وكذلك لتجنب عودة نشرها من حل NH 3 إلى الأنود. لذلك، ينصح الحد الأدنى من الغاز إلى نسبة السائلة من 1،000 (G / L). استخدام حلقات Raschig أمر لا بد منه لصالح نقل السائل / الغاز خلال تجريد. وينبغي أن تكون كفاءة امتصاص عالية للحفاظ على تركيز منخفض من NH 3 في الغاز تجريد. الرقم الهيدروجيني للabsorptioيجب أن تبقى العمود ن أقل من 4.
إعادة تدوير الغاز غير كافية
قوة المضخة إعادة تدوير غاز (مضخة فراغ الغشاء، VWR) وبالتالي معدل تدفق الغاز قد ينخفض مع مرور الوقت بسبب تأثير الرطوبة والتحجيم. تثبيت فخ المياه قبل مدخل المضخة فراغ وتنظيف رأس غشاء مضخة بانتظام لمنع وإزالة القشور.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carbon Felt 3.18 mm Thick | Alfa Aesar | ALFA43199 | Used as bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti electrode coated with Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Used as stable anode for electrochemical tests | |
| Stainless steel mesh | Solana (Belgium) | RVS 554/64: material AISI 316L, mesh width: 564 micron, wire thickness: 140 micron, mesh number: 36,6 | Used as cathode, 110 mm x 110 mm |
| Stainless steel plate | Solana (Belgium) | inox 304 sheet, thickness: 0.5 mm | Used as current collector for the bioanode |
| Ag/AgCl Reference Electrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostat (VSP Multipotentiostat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software for performing electrochemistry measurements | |
| Cation Exchange Membrane | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Pretreated according to the manufacturers' instructions |
| Turbulence Promotor mesh | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | spacer material, 110 mm x 110 mm |
| Connectors | Serto | 1,281,161,120 | Other sizes possible, dependant on tubing type and size of holes in frames |
| Strip and absorption column | In house design | ||
| Tubing | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gas bag | Keika Ventures | Kynar gas bag with Roberts valve | |
| Rashig Rings | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig rings 4 x 4 mm | Put inside the strip and absorption column to improve the air/liquid contact. Available with many suppliers |
| Rubber sheet | Cut to fit on the perspex frames | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house design, see tab "reactor frames" in this file |
References
- Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. Maximum use of resources present in domestic "used water". Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).
- Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification. Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).
- Siegrist, H. Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods. Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).
- Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion. Environmental Science & Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).
- Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater. Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).
- Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature. Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).
- Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell. International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).
- Guo, K., et al. Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems. Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).
- Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems. Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).
- Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. , American Public Health Association. (1992).
- Andersen, S. J., et al. Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams. Environmental Science & Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).
- Harnisch, F., Rabaey, K. The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization. Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).
- Clauwaert, P., et al. Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).
- Atkins, P., De Paula, J. Elements of Physical Chemistry. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).
- Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).
- Kuntke, P., et al. Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell. Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).
- Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength. Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science & Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).
- Gimkiewicz, C., Harnisch, F. Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization. JoVE. (82), e50800 (2013).
- Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells. Desalination. 325, 48-55 (2013).
- Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms. Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).
