Introduction
Восстановление ценных продуктов из сточных вод приобретает особое значение как ценные ресурсы истощаются и лечение без восстановления представляет собой лишь стоимость. Сточные воды содержит энергию и питательные вещества, которые могут быть восстановлены, и восстановление питательных веществ может помочь, чтобы закрыть производство петлю 1. Восстановление энергии через анаэробного сбраживания является хорошо установленный процесс, в то время как восстановление питательных веществ реже. Восстановление питательных веществ из потоков жидких отходов, таких как моча и навоз было широко изучено, например, за счет производства струвита и прямой зачистки аммиака 2,3. Тем не менее, потребность в химическом того является недостатком этих процессов 4. Здесь мы представляем технику для восстановления катионных питательных веществ из отходов, в том числе как калий и аммоний. Катионной форме этих питательных веществ позволяет восстановить с помощью ионоселективных мембран в электрохимической системе. В этом случае, electrochemicаль система состоит из анодной камеры (где происходит окисление), катодную камеру (где происходит восстановление) и ионов мембрана для разделения отсеков. Напряжение, приложенное к ячейке для получения тока от анода к катоду. Это напряжение может быть сгенерирован с помощью внешнего источника питания, чтобы ездить окисление воды и реакции восстановления. Альтернативно анодное окисление, например, из органических, может быть, катализируемой электроактивных бактерий, требующих меньше энергии. Чтобы закрыть контур и поддерживать баланс заряда, и заряженные частицы должны мигрировать между электродами для каждого электрона, генерируемого. Аммоний транспорт из анодной камеры в катодную камеру через катионообменную мембрану (CEM), таким образом, компенсировать поток электронов 4,5.
Техника, представленная здесь, не только удаляет аммоний из отходов, но и позволяет его восстановления. Общий азот аммиака (TAN) существует в равновесии как Аммонаий (NH + 4) и аммиак (NH 3), и зависит от рН и температуры 6. NH + 4 имеется в изобилии из-за высокой концентрации TAN и близким к нейтральному рН в анодной камере и положительно заряженных этого вида, следовательно, можно управлять током через СЕМ в катодную камеру. В настоящее время управляет уменьшение воды на катоде, что приводит к получению гидроксид-ионов и газообразного водорода. TAN равновесие смещается почти до 100% NH 3 в связи с высоким рН в катодной камере (> 10,0). NH 3 представляет собой газ, который может быть легко переведен с помощью циркуляции воздуха из десорбера в абсорбционную колонну, где он удерживается и концентрировали в растворе кислоты.
Эта технология имеет потенциал, чтобы уменьшить токсичность аммония во время анаэробного сбраживания N богатых потоков, как навоз, тем самым увеличивая извлечение энергии из этих отходов, в то же времявыздоравливающие питательные вещества 4. Электрохимическое и биоэлектрохимических извлечение аммония также могут быть применены в качестве питательных веществ для восстановления техники на отходов с высоким содержанием TAN, таких как моча, таким образом, избежать затрат на удаление питательных веществ в КОС 7.
Протокол, представленные здесь, могут служить в качестве основы для различных электрохимических и биоэлектрохимических экспериментов, как мы используем модульного реактора. Различные типы электродов, мембран и толщины рамы могут быть объединены, как описано в приведенной ниже протоколом. Основной целью протокола является создание средства для сравнения электрохимического восстановления аммония и био-электрохимическое восстановление аммония с использованием электролизера. Системы оцениваться с точки зрения эффективности добычи, потребляемой мощности и воспроизводимости.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Сборка реактора и подключение на вскрышные работы и поглощения единиц
- Соберите все необходимые материалы, чтобы построить реактор: электроды, рамы и каучуки (список материалов). Аккуратно вырежьте все детали, те же размеры, чтобы избежать утечек при сборке реактора.
- Просверлите отверстия в реакторных отсеков, чтобы соответствовать между мужчинами разъема. Дрель один дополнительный отверстие в середине стороны одной из реакторных отсеков в соответствии электрод.
- Подготовьте запас 1 MH 2 SO 4 для абсорбционной колонны. Увеличьте эту концентрацию, необходимую для размещения более высокие нагрузки аммиака.
- Убедитесь, что мембрана предварительно обрабатывают в соответствии с инструкциями изготовителя. Предварительной обработки углеродный войлок электрод, погрузив его в 2 мМ ЦТАБ (моющего средства) в течение 3 мин. Промойте углеродный войлок деминерализованной водой 8. Стабильный анод для электрохимических экспериментов не требуют PRetreatment.
- Стек различных частей реактора для того, в зависимости от типа реактора. Для биореактора: плексиглас концевой пластинки, Резина, нержавеющая сталь ток коллектора, предварительно обработанные графитового войлока, Perspex реакторного отсека, резину, катионообменной мембраны, резины, материал прокладки, электрод сетка из нержавеющей стали, резины, Perspex реакторного отсека, резину, Perspex торцевую крышку
- Стек части реактора для электрохимической ячейке следующим образом: Perspex торцевую крышку, резины, IROX анод через торцевую пластину, Perspex реакторного отсека, резины, прокладка, каучук, катионообменной мембраны, резины, материал прокладки, электрод сетка из нержавеющей стали, резины, плексигласа реактора купе, резина, плексиглас лобовая плита.
- Использование тефлон для уплотнения соединения портов реактора. Поместите электрод сравнения в том же отделении, в качестве рабочего электрода: анод в случае биоэлектрохимических клетки, катода или анода в случае электрохимической ячейки.
- Используйте гайки иБолты, чтобы закрыть реактор. Затянуть болты на противоположных сторонах, чтобы уравнять давление. Не пользуйтесь инструментами, чтобы закрыть реактор, как от руки достаточно, чтобы обеспечить реактор полностью решена.
- Заполните реактор с водой, чтобы проверить, если реактор утечек. Если появляются утечки, проверьте болты затянуты достаточно или если одна из частей реактора было перемещено во время сборки реактора. Если утечки не обнаружены, слейте воду из реактора.
- Добавить кольца Рашига и в колонке полосы и поглощения, чтобы заполнить столбцы наполовину.
- Калибровка расход всех насосов. Подключите подачи и рециркуляции насосов в реактор и воздушного насоса к зачистки и поглощения единиц (рис 1). Сведение к минимуму длину трубопровода как можно больше.
- Заполните абсорбционной колонны с 250 мл 1 М H 2 SO 4, она должна охватывать кольца Рашига. Убедитесь, что воздушный поток смешивается кислоты хорошо, когда насос включается. Увеличение или уменьшить объем кислоты на основе зачистки колонке дизайн и воздушного насоса мощностью.
Рисунок 1. Установка Реактор для биоэлектрохимических системы, позволяющей извлечение аммония. Система, представленная здесь работает в непрерывном режиме. Сплошные линии представляют поток жидкости, пунктирные линии представляют поток газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2. Установка Реактор для биоэлектрохимических системы, позволяющей извлечение аммония. Система, представленная здесь работает в непрерывном режиме. Сплошные линии представляют поток жидкости, пунктирные линии представляют поток газа.ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg "TARGET =" _ пустое "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3. конструкции реактора кадров Perspex. Каждый реактор состоит из двух шайбами реакторов и 2 реакторных отсеков. Все части имеют толщину 2 см. Подробная информация о численности других материалов можно найти в списке материалов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
2. Bioanode Driven Добыча
- Подготовка СМИ.
- Подготовка анолита для биореакторе, как описано в таблице 1 9. Увеличение концентрации аммония в среде для имитации обогащенный азотом поток отходов.
- Чтобы сохранить МЕДИмкм до использования, автоклав среды, чтобы обеспечить источник углерода не исчерпаны в результате загрязнения. Подготовка витамины и микроэлементы в соответствии с таблицей 1 и добавить после автоклавирования и охлаждения среды.
- Флеш среды путем продувки газообразным азотом в течение по крайней мере 30 мин для удаления кислорода. Чтобы сделать это, вставьте трубку или иглы в среде и превратить в потоке газообразного азота.
- Подготовка проводящий решение, как католита. В этом случае, используют 0,1 М NaCl, чтобы каустической.
| Компонент | Количество | ||
| Na 2 HPO 4 | 6 г / л | ||
| KH 2 PO 4 | 3 г / л | ||
| NaCl | 0,5 г / л | ||
| NH 4 Cl | 0,5 г / л | ||
| MgSO 4 · 7H 2 O | 0,1 г / л | ||
| CaCl 2 · 2H 2 O раствор (14,6 г / л) | 1 мл | ||
| Ацетат натрия | 2 г / л (для запуска) | ||
| Рассеянные элементы | 1 мл | ||
| Витамин решение | 1 мл | ||
| Микроэлементы (1,000x) | г / л | Витамины (1,000x) | г / л |
| CoCl 2 | 0,1 | биотин | 0,004 |
| Na 2 MoO 4 · 2H 2 O | 0,01 | фолиевая кислота | 0.004 |
| H 3 BO 3 | 0,01 | пиридоксина гидрохлорид | 0,02 |
| Mg 2 Cl 2 · 6H 2 O | 3 | рибофлавин | 0,01 |
| ZnCl 2 | 0,1 | тиамин гидрохлорид | 0,01 |
| CaCl 2 · 2H 2 O | 0,1 | никотиновая кислота | 0,01 |
| NaCl | 1 | Пантотенат DL-кальция | 0,01 |
| нитрилотриуксусная кислоты | 1,5 | Vit B12 | 0,0002 |
| AlCl 3 · 6H 2 O | 0,01 | р аминобензойной кислоты | 0,01 |
| CuCl 2 | 0,01 | липоевая (тиоктовой) кислоты | 0,01 |
| FeCl 2 | 0,1 мио -inositol | 0,01 | |
| MnCl 2 · 2H 2 O | 0,5 | холина хлорид | 0,01 |
| Отрегулируйте до рН 6,5 с помощью КОН | ниацинамид | 0,01 | |
| пиридоксаль гидрохлорид | 0,01 | ||
| аскорбат натрия | 0,01 |
Таблица 1. Анолит композиция для био-анод приводом добычи селитры.
- Прививка биореактора
Примечание: Работа в стерильных условиях не является необходимым для этого биореактора, так как смешанные культуры посевной используется и условия в реакторе будет выбирать для конкретных электроактивных организмов.- Подготовка посевного. Для этого биореакторе, готовят 30 мл смеси сточных вод от активных анаэробных биореакторах, включая ферментере, Bioanode, метантенковый и / или необработанных сточных вод. Собирают смеси в шприц.
- Подключение мешок, наполненный газа N 2 к бутылке анолита, чтобы сохранить давление стабильны, а не позволяет ввести кислород. Смешайте источник посевной с объемом анолита (здесь, 100 мл анолита в течение 30 мл источника инокулята) опорожнения шприца с инокулята в средней бутылки. Будьте уверены, чтобы получить объем, необходимый для заполнения анодного отсека.
- С помощью шприца, заполнить анодом и катодом отсек одновременно с их соответствующими растворами. Подключение мешок, наполненный газа N 2 к бутылке анолита, так что анолит раствор может быть удален через порт для отбора проб без введения кислорода. Закройте порт пробы с краном между переводов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните этот шаг вместе с коллегой, чтобы обеспечить, что оба реакторных отсеков заполнены одновременно. - Когда оба реакторных отсеков заполнены, включитециркуляционный насос со скоростью рециркуляции приблизительно 6 л / час.
- Подключите потенциостата кабель с тремя электродами, с помощью анода в рабочем электроде. Поместите электрод в анодном отделении.
- Включите потенциостата в режиме хроноамперометрии с помощью программного обеспечения Потенциостат. Выбор фиксированной анода потенциал -200 мВ относительно Ag / AgCl.
- Запуск реактор непрерывного действия для извлечения аммония
ПРИМЕЧАНИЕ: По мере развития биопленки, ток будет производиться с потреблением ацетата. Как следствие ацетата истощения, ток падает (см Результаты сечение, рисунок 3).- Чтобы перейти к непрерывной подачи, переключение на подающего насоса для анода и катода. Скорость насоса будет определять гидравлическим время пребывания (HRT). Здесь эксплуатировать реактор при HRT 6 ч.
- Включение воздушного насоса полосы и поглощения блока. Рециркуляцию воздуха в замкнутом контуре, или циркулируют вразомкнутого контура с помощью окружающего воздуха. Конфигурация воздушного потока может повлиять на эффективность поглощения.
- Обновите среднего три раза в неделю. Подготовка свежий анолита и католита, как описано в шагах 2.1.1-2.1.4.
- После выполнения этих шагов, приложите мешок наполненный газом с N 2 к бутылке закрытой подачи, остановить насос подачи, положить зажим на влиятельных линии, переключать старые и новые бутылки и, наконец, снять зажимы и снова запустить насос.
- Каждый раз, когда подача свежей, принимают 5 мл жидких проб из вытекающего потока и втекающий анолита и католита для измерения проводимости, рН, содержание ацетата аммония и концентрации.
- При изменении подачи, а также принимать 3 мл образца абсорбционной колонны, чтобы контролировать рН и для анализа TAN. Когда рН приближается 4, заменить абсорбент со свежим раствором 1 М серной кислоты, чтобы гарантировать высокую эффективность поглощения.
- Как тока сначала будет увеличиваться, а затем достичь плато, измерьте тузТейт содержание в анолита заборах и сточных вод, чтобы обеспечить это не обусловлено ограниченностью углерода: ацетат концентрации в анолита сточных вод ниже 100 мг / л указывают ограничение углерода. Увеличение концентрации ацетата в сырье в этом случае (Таблица 2).
- Если ток стабилизации не вызвано ацетата ограничений, постепенно увеличивать концентрацию аммония в сырье, и ждать стабилизации тока с целью оценки эффективности экстракции (таблица 3).
ПРИМЕЧАНИЕ: В концентрация ионов аммония увеличивается токсичность аммиака и высокая проводимость будет оспаривать биопленки и ток будет в конечном итоге падение, как следствие.
| Время | Количество ацетата натрия добавляют в корм анода (г / л) |
| День 0 - день 35 | 2 |
| 3 | |
| День 37 - День 51 | 4 |
| День 51 - День 61 | 5 |
Таблица 2. Концентрации ацетата натрия в анолита для bioanode приводом экстракции аммония.
| Время | Количество NH 4 HCO 3 добавляется в корма анода (г / л) | Фаза |
| День 0 - день 16 | 2.26 | Я |
| День 16 - День 26 | 4,5 | II |
| День 26 - День 33 | 9 | III |
| День 33 - День 40 | 14,1 | IV |
| День 40 - День 47 | 20 | V | 25,4 | VI |
| День 54 - День 63 | 31 | VII |
Таблица 3. Концентрация аммония в анолита для bioanode приводом экстракции аммония. Фазы указано на графике плотности тока (фиг.2).
3. Электрохимический Добыча
- Подготовка СМИ
- Подготовьте синтетический поток сточных вод, как анолита в соответствии с таблицей 4 4. Добавить сульфат аммония до конечной концентрации 1, 3 или 5 г N / л.
- Подготовьте 0,1 М раствора NaCl для католита.
| Компонент | Количество |
| Na 2 HPO 4 · 2H 2 O | 1,03 г / л |
| KH 2 PO 4 | 0,58 г / л |
| MgSO 4 · 7H 2 O | 0,1 г / л |
| CaCl 2 · 2H 2 O | 0,02 г / л |
| (NH 4) 2 SO 4 | В зависимости от эксперимента, чтобы получить 1/3/5 г N / L конечной концентрации |
Таблица 4. Анолит композиция для извлечения электрохимический аммония 4.
- Запуск реактор непрерывного действия для извлечения аммония
- Включите питающий насос для заполнения реакторных отсеков. Чтобы ускорить процесс временно увеличить скорость насоса.
- Уменьшение скорости насоса, чтобы получить HRT из 6 ч после того, как реактор заполнен. Включение рециркуляционного насоса со скоростью 6 л / ч. Возьмем образец втекающего (5 мл).
ПРИМЕЧАНИЕ: периодически измерять скорость потока на протяжении всего экспериментачтобы убедиться, что он не меняется. - Начните полосы и поглощения блок. Использование данного устройства является такой же, как в биореактор.
- Включите потенциостата в режиме хронопотенциометрии с помощью программного обеспечения Потенциостат. Первый применить низкой плотности тока около 0,5 А / м для поляризации мембраны и определить поток азота за счет диффузии в покое.
- Когда система была поляризованный в течение 24 ч, применяют плотность тока, необходимого для эксперимента. Проверьте различной плотности тока, как правило, от 10 A / м² до 50 А / м. Возьмите образцы анодом и катодом сточных вод, а также абсорбционной колонны до увеличения плотности тока.
ПРИМЕЧАНИЕ: После 3 циклов ЗГТ, реактор должен подойти устойчивого состояния. - После того, как реактор достигнет устойчивого состояния, принимают по меньшей мере, три пробы по времени конечно. Отбор проб из анода и катода сточных вод, а также абсорбционной колонны (5 мл каждая). Запишите объем выборки, дату и время.
- В зависимости от устойчивости анодного втекающий, принять новый образец анода втекающего в случае необходимости. Это необходимо, когда используется в реальном сточных вод.
- Изменить условия испытаний, таких как прикладная плотности тока и концентрации TAN. После каждого изменения, пусть реактор стабилизироваться в течение, по крайней мере 3 HRTS До взятия пробы.
- Когда рН абсорбционной колонны приближается 4, заменить абсорбент со свежим раствором 1 М серной кислоты.
4. Анализ проб
- Измерьте рН и проводимость образцов в тот же день, как выборка, чтобы уменьшить неточности из-за потери летучих аммиака. Измерьте рН и проводимость, используя адекватно калиброванные рН и удельной проводимости.
- Если образец не измеряется непосредственно, хранить образцы для анализа (TAN обоих реакторах) и анализа жирных кислот (биореактор) при 4 ° С. Образцы фильтров из биореактора анода сточных вод и заборах через 0,45 мкм фильтры повторнодвигаться биомассы и помочь сохранить жирные кислоты. Заполните все пробирки с образцами к краю, чтобы минимизировать NH 3 потери.
- Измерение азот в качестве TAN стандартным методом паровой дистилляции или любой другой надежный метод для измерения ОКЧ 10.
- Измерьте жирные кислоты как ацетат от любого надежного метода, такие как ионной хроматографии или газовой хроматографии 11.
5. Анализ данных и расчеты
- Экспорт файла данных Потенциостат из программного обеспечения и импортировать их в программу электронных таблиц. Рассчитать средние за час электрохимические переменные, чтобы уменьшить количество точек данных и сгладить кривые при построении их.
- Соберите все измеренные данные (рН, аммиак, ЛЖК) в одном файле данных для вычислений. Расчеты описано в разделе результатов.
- Рассчитайте текущую добычу на биореакторе. Это лучше всего представить в виде плотности тока, которая рассчитывается следующим образом (уравнение 1,12):
Уравнение 1
с J, как плотность тока, I абсолютной тока, а проектируемого участка поверхности электрода. В некоторых программ можно иметь это автоматически путем ввода площади поверхности анода до начала эксперимента. - Рассчитать параметры, связанные с добычей селитры
- Рассчитать поток азота. Нормализация поток азота (г N / м² / г) области поверхности мембраны, то выражается в плотности тока (I N). Использование этого значения для вычисления CE (уравнение 2, 3 и 4):
Уравнение 2
где С, в (г N / L) и C, из (г N / л) измеренные концентрации аммония входит и выходит анодного отделения,соответственно. Q (L / D) является расход анода и (м 2) площадь поверхности мембраны (равно прогнозируемого анодом и площади поверхности катода). - Представьте поток азота в качестве плотности тока (I N, / м²):
Уравнение 3
где г NH4 + (-) есть заряд NH 4 +, F постоянная Фарадея (96485 С / моль) и М молекулярная масса азота (14 г / моль). - Рассчитайте текущую эффективность (CE,%) в виде:
Уравнение 4
где я применил (/ m²) является применены (электрохимический добычи) или измерить (биоэлектрохимических добыча) плотность тока. - Рассчитать поток теоретических азота. Рассчитайте максимальную теоретическую азотапоток (J N, Макс, г N / м² / d) для данного прикладной области текущего и поверхности мембраны (уравнение 5):
Уравнение 5 - Рассчитать эффективность удаления азота (RE,%). См процент аммиака, который удаляется из анолита в качестве эффективности удаления. Рассчитать от анодного заборах и сточных вод концентрации TAN (уравнение 6).
Уравнение 6 - Рассчитайте максимальную теоретическую эффективность удаления азота (RE макс,%) для данного влиятельных TAN нагрузки и применяется текущий (уравнение 7):
Уравнение 7
где J N, применяются (г Н · м -2 г - 1) применяется плотность тока выражается в виде потока азота.
- Рассчитать поток азота. Нормализация поток азота (г N / м² / г) области поверхности мембраны, то выражается в плотности тока (I N). Использование этого значения для вычисления CE (уравнение 2, 3 и 4):
- Рассчитать соотношение газ / жидкость, как (Уравнение 8):
Уравнение 8 - Рассчитайте максимальную мощность абсорбционной колонны. Рассчитайте максимальную теоретическую N нагрузку на абсорбционной колонны от максимального потока теоретической азота J Nmax, концентрации TAN в сточной (моль / л), время работы т, площадь поверхности мембраны A, и объема абсорбента V ( Уравнение 9):
Уравнение 9 - Рассчитать эффективность отгонки SE (%) (уравнение 10):
60; Уравнение 10 - Вычислить энергию вход для извлечения аммония через катионообменную мембрану (Е Н, выраженное в кВтч / кг) N (уравнение 11):
Уравнение 11
С Dgr; v измеренной разности потенциалов между анодом и катодом. В случае биореактора, у Av был рассчитан как среднее за период выборки, для электрохимического реактора в среднем за весь пробег принимается.
Уравнение 1 
Уравнение 2 
Уравнение 3 
Уравнение 4 
Уравнение 5 
Уравнение 6 
Уравнение 7 
Уравнение 8 
Уравнение 9 
60; Уравнение 10 
Уравнение 11 Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Хроноамперометрии приводит из биореактора
Результаты хроноамперометрии, рассчитывают по уравнению 1, показывают типичный график для непрерывного реактора (фиг.4). В начале эксперимента, анод и катод были работать в режиме рециркуляции. Это позволяет биопленку на разработку и начало текущего производства. После 5 дней эксплуатации, плотность тока достигает максимума, а затем к уменьшению действующего производства. Это указывает на то, что биопленка не хватает углерода / источник электронов (например, ацетат) с получением тока. Изменение непрерывной работы на 6-й день, используя ВГУ 6 ч, в результате непрерывного увеличения текущего производства до плато не было достигнуто в 3,5 А / м между 12-й день и 16 плато было необходимо для получения достаточных данных о аммония экстракцию в течение определенного плотности тока.
Концентрация ионов аммония яп подачи была увеличена в несколько этапов (Таблица 2). Каждый шаг приводит к увеличению плотности тока, что, в конечном счете, достигнутым средний ток 27 А / м. Это повышение тока был связан с увеличением проводимости подачи анода, в котором добавление бикарбоната аммония повышенной концентрации ионов и, следовательно, проводимость. Выше проводимость падает омическое сопротивление и, следовательно, способствует текущей производственной 13 результаты хроноамперометрии из биореактора
Результаты хроноамперометрии, рассчитывают по уравнению 1, показывают типичный график для непрерывного реактора (фиг.4). В начале эксперимента, анод и катод были работать в режиме рециркуляции. Это позволяет биопленку на разработку и начало текущего производства. После 5 дней эксплуатации, плотность тока достигает максимума, а затем к уменьшению действующего производства. Это Indicaции, что биопленки отсутствует углерода / источник электронов (например, ацетат) с получением тока. Изменение непрерывной работы на 6-й день, используя ВГУ 6 ч, в результате непрерывного увеличения текущего производства до плато не было достигнуто в 3,5 А / м между 12-й день и 16 плато было необходимо для получения достаточных данных о аммония экстракцию в течение определенного плотности тока.
Концентрация аммония в сырье была увеличена в несколько этапов (Таблица 2). Каждый шаг приводит к увеличению плотности тока, что, в конечном счете, достигнутым средний ток 27 А / м. Это повышение тока был связан с увеличением проводимости подачи анода, в котором добавление бикарбоната аммония повышенной концентрации ионов и, следовательно, проводимость. Выше проводимость падает омическое сопротивление и, следовательно, способствует текущее производство 13.
Измерения показали, ацетат полное удалениеисточника углерода на анодной биопленки от 27 до дня 37. В течение этого периода, плотность тока производства биопленки уменьшилось до среднего изменения. Как среда не хранится в стерильных условиях, концентрация ацетата в сырье снизилась с течением времени из-за потребления без электроактивных микроорганизмов в бутылке подачи. Увеличена плотность тока снова, как только среда был пополнен. Это указывает на то, что в настоящее время продукции путем биопленки была ограничена концентрацией источника углерода в сырье. Несколько увеличение концентрации ацетата были необходимы, чтобы предотвратить ограничение углерода во второй половине теста (таблица 2).
Рисунок 4. Плотность тока с течением времени для биоэлектрохимических системы. После смены в непрерывном режиме на 6-й день, увеличение тока можно наблюдать. Ефаза ACH (II - VII), указывает на увеличение концентрации подачи аммония, в результате чего увеличение тока.
Сотовый потенциал
Ячейка потенциал рассчитывается на основе разницы между анодом и катодом потенциала, в перенапряжений на электродах и омическое сопротивление. Ячейка потенциал относится к полной мощности, необходимой для приведения в действие гальванического элемента. Для уравнений и разработка на этой теме, мы обращаемся к обзорной статье Clauwaert и сотрудниками 13.
В случае извлечения биологической аммония, потенциал анода была зафиксирована на уровне -200 мВ относительно Ag / AgCl и биопленки получают ток. Как следствие потенциал катода изменяться для того, чтобы поддерживать ток, производимый биопленки. В этом случае, сопротивление между клетки влияет на катодный потенциал. На 16 день клетки потенциал биологической системы начали Increase если не увеличение тока не наблюдалось, а потенциал анода оставалась неизменной в -200 мВ относительно Ag / AgCl. Это было следствием повышенной устойчивостью в системе, которая может быть результатом сопротивления мембраны (например, масштабирование на мембране) или диффузионных ограничений, вызванных плохой перемешивания между анодом и мембраной. Реактор тщательно очищена и открыт, и мембрана была заменена. Анод был помещен дальше от мембраны, чтобы улучшить перемешивание. Анодное отделение вновь был заполнен анолита, которые были ранее удалены. Эта операция восстановления потенциала электролизера на том же уровне, как в начале непрерывного эксперимента (0,5 В), с катодного потенциала стабильной вокруг -700 мВ относительно Ag / AgCl.
В абиотических электрохимических экспериментов по добыче, потенциал ячейки рассчитывается аналогично, как и для биоэлектрохимических добычи, в том числе перенапряжений и омического сопротивления. И анод, и с athode потенциал были подвержены изменениям. Напряжение на электролизере для электрохимической системы выше, чем в биореакторе (таблица 5). Это, главным образом, из-за более высокой анодной потенциала, необходимого для электрохимического окисления воды до кислорода. Конкретные анодный и катодный потенциал для условиях испытания описаны Desloover соавт. 4.
| Плотность тока | Bioanode (V) | Электрохимической системы (V) |
| 0 / м² | N / | N / |
| 10 / m² | 1,69 ± 0,05 | 2,73 ± 0,06 |
| 20 / m² | 2.20 ± 0.11 | 2.99 ± 0.08 |
| 30 / m² | 2.32 ± 0.14 | 3.35 ± 0.21 |
Добыча аммония и зачистки
Электрохимические параметры, представленные в двух предыдущих разделах факторы, которые определяют эффективность извлечения аммония через катионообменной мембраной. Следующие параметры рассчитываются для того, чтобы сравнить выступления биотической и абиотической системыс точки зрения извлечения аммония.
Поток азота (J N) и по току (CE) добычи
Ионы аммония пересечь катионообменной мембраны для восстановления баланса заряда по клетке. Для каждого электронного освобождения на аноде, один положительный заряд должен быть смещен от анода к катоду отсека. Если аммония восстановлены 100% от остатка заряда, можно было бы получить по току 100%.
Поток азота для биореактора выше, чем электрохимической системы (рисунок 5). Это может быть объяснено более низкой щелочности корма в электрохимической системе, что приводит к снижению рН анолита. Это привело к более высокой конкуренцией между протонами аммония и восстанавливать баланс заряда через мембрану.
Рисунок 5. Поток азота в биореакторе по сравнению с потоком азота для электрохимической системы при различных плотностях тока поток для биореактора рассчитывается для диапазона концентрации TAN в анодной втекающего.; для электрохимической системы поток дано только для концентрации 5 г / л N. Столбики ошибок для электрохимической системы меньше, чем символов.
Зачистка эффективность
Скорость рециркуляции жидкости и производительности воздушного насоса можно регулировать, чтобы получить более высокую эффективность зачистки. Выбор открытом или закрытом контуре циркуляции воздуха также будет оказывать влияние на эффективность отгонки. Открыт воздушный поток выгодно, когда эффективность поглощения высок, и все NH 3 газа в ловушке во время его прохождения через кислоты. Система под открытым небом гарантирует, что воздух проходит через отпарной колонны не содержит аммиака, в результате чегов высшей движущей силой для превращения растворенного NH 3 в газовой NH 3. В случае эффективности низкой абсорбционной закрытая система предотвращает потери аммиака. Газообразный аммиак захватывается в потоке газа должны быть покрыты в растворе кислоты, чтобы сделать процесс зачистки термодинамически выгодным, как выражено в принципе Ле Шателье 14. Когда рН в абсорбирующих начинает расти он должен быть заменен, так как это означает, что нет больше протонов, доступные для протонирования аммиака. Емкость поглощения может быть оценена заранее. Для каждого моль H 2 SO 4, 2 моля N от NH 3 могут быть захвачены.
Зачистки эффективность (SE,%) рассчитывают на основе азота аммиака удалена от анода, и катодный отходящий концентрация (C CAT, из). Этот метод является более точным, чем методы с использованием измеренного TAN сообщить абсорбционной колонны, как они подлежат evaporaние / осаждение. Важно отметить, что Уравнение 10 справедливо только для равных скоростей потока анолита и католита.
В целом сравнение биотических и абиотических систем
Биореактор и электрохимическая система сравниваются наиболее аналогичных условиях испытания: концентрации 5,1 г N / L для биореактора анолита, в результате которых плотности тока 27 А / м и концентрации 5 г N / L в сочетании с приложенной плотности тока 30 А / м в случае электрохимической системы (таблица 6).
| Параметр | Bioanode | Электрохимической системы |
| Выход по току (%) | 67,1 ± 0,28 | 38 ± 0,6 |
| Эффективность удаления (%) | 51 ±0,5 | 41 ± 2 |
| Поток азота (г N / м² / г) | 226 ± 1 | 143 ± 7 |
| Сотовый напряжение (В) | 2.12 ± 0.09 | 3.35 ± 0.21 |
| Потребляемая мощность (кВт / кг N удален) | 6.04 ± 1.78 | 16,8 ± 1,4 |
| Анолит pH | 7,39 ± 0,13 | 1,56 ± 0,14 |
| Католит pH | 12.53 ± 0.07 | 12.92 ± 0.08 |
Таблица 6. В целом сравнение биореактора и электрохимической системы. Биореактор работе в стабильном состоянии при 5,1 г концентрации N / L подачи, в результате чего средняя плотность тока 27 А / м. Электрохимический система работала при 30 А / м для подачи концентрации азота 5 г / л.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Эта рукопись предоставляет необходимые инструменты для настройки биоэлектрохимических и электрохимическую ячейку для восстановления аммония. Расчеты, представленные в разделе результатов обеспечивают параметры для оценки производительности системы. Биологические и электрохимические системы схожи в настройке и функции. Основное различие между этими двумя системами является выбор фиксированного тока для электрохимического элемента по сравнению с фиксированной потенциала анода на биоэлектрохимических установки. Фиксированном токе для абиотической установки необходимо проехать электродных реакций и позволяет также позволяет по регулированию процессов в объемной фазе, что приводит к стационарных условиях. Для биоэлектрохимических системы, с другой стороны, фиксированный потенциал анода из -200 мВ относительно Ag / AgCl был выбран для того, чтобы перенос электронов к электроду 15. Двухкамерный электрохимическая ячейка позволяет извлечение аммония над мембраной, приводимый в действие Electricaл тока. Каждая система имеет определенные преимущества по сравнению с другой. Некоторые из возможных проблем с системами описаны.
Биоэлектрохимических система предлагает несколько преимуществ в отношении стоимости системы. Стоимость графитового войлока анода значительно ниже, чем стоимость для стабильного анода, используемого в электрохимической системе. Для 1 м ² поверхности электрода, капитальные затраты на аноде уменьшается на коэффициент 10, от $ 1000 до $ 100 за кв. Эксплуатационные расходы на биоэлектрохимических системы также ниже. В реакторе bioanode, ток производится при значительно более низкой потенциала анода по сравнению с биопленки электрохимического реактора, следовательно, требуется напряжение элемента значительно ниже в биоэлектрохимических установки. В электролизере экстракции требует энергии ввод 16,8 кВт · ч / кг Н извлеченный, а для операционной bioanode при тех же условиях затраты энергии более чем в два раза с 6,04 кВт-ч / кг Н дополнительноеИДКТК. Электроактивных бактерии катализируют реакцию анодного на низкий потенциал, в отличие от электрохимического окисления воды, что существенно снижает эксплуатационные расходы биореакторе. Прочие операционные расходы, такие как мощность для насосов и зачистки и поглощения не входит, но как ожидается, будут одинаковы для обеих систем. Еще ниже затрат энергии получают при использовании бактериального топливный элемент (MFC) вместо микробной электролизера. Низкие темпы добычи, полученные с MFC сделать инвестиции электрической энергии в случае MEC привлекательной 16.
В то время как стоимость способствует биоэлектрохимических систему, операционная стабильность и воспроизводимость является преимуществом гальванического элемента. В биологической системе, электрически активный биопленки чувствителен к окружающей среде и может быть легко нарушена. Биопленки чувствителен к изменениям рН, концентрации токсичных соединений и изменениям температуры. Influenт должны быть хорошо буферный для поддержания рН около нейтрального значения в ходе реакции окисления. Анодная реакция будет обеспечивать снижение рН, если анолит не достаточно буферном, как это имело место в электрохимической системе. Это критическая точка, чтобы решить, когда с помощью биологической системы для лечения реальной сточных вод. Влияние температуры был отчетливо виден в биоэлектрохимических испытаний, представленных здесь. Лучше всего поместить в реактор в контролируемой температурой окружающей среды, чтобы исключить влияние температуры на бактериальных кинетики но это был не тот случай в биоэлектрохимических испытаний, представленных здесь, где колебания температуры могут наблюдаться, чтобы повлиять на хроноамперометрии. Ежедневные различия между ночью (холод, низкий ток) и день (тепло, большой ток) можно увидеть на графике (рис 4), в частности, между 42 день и 46, когда никакие другие факторы, такие как низкая доступность источника углерода были ингибирующие бактериальная Activность 13,17.
Другим недостатком является то, что биологическая система требует больше времени запуска. Биопленки развивается в течение нескольких дней на электроде, но изменения характеристик корма, такие как концентрации TAN должны быть применены постепенно, чтобы уменьшить нагрузку на микробной биопленки. В нашей системе электрохимическая система требует только 24 ч поляризационных и 3 HRTS достичь стабильных условий эксплуатации.
Электрохимической системы позволяет повысить степень контроля над эксплуатационными параметрами. Например, плотность тока можно регулировать, чтобы получить оптимальное соотношение между извлечения продукта и входной мощности 4. Плотностях тока выше, чем представленные здесь (более 30 / м²) может быть использован, в то время как для биоэлектрохимических системы текущее производство не может управляться в настоящем состоянии дел в данной области. Ограничение источник углерода, или предоставление излишки углерода может изменить текущий объем производства-гое биологическая система, но, как описано в разделе результатов больше факторов влияет на текущее производство на биопленки, таким образом, затрудняя для оптимизации параметров процесса.
Элементы, описанные выше, обеспечивают основу для оценки реакторе в течение данного заборах, и может помочь с определением, следует ли выбран биоэлектрохимических или электрохимическая система. Мы надеемся, что это учебное видео предоставляет необходимые инструменты для работы простой электрохимический или биоэлектрохимических системы для извлечения аммония.
Поиск и устранение неисправностей при опытной эксплуатации
Многие факторы влияют на производительность электрохимической ячейке. Биоэлектрохимических система еще более чувствительна к нарушению. Наиболее распространенные проблемы в работе реактора обсуждаются здесь, но, возможно, возникнут другие проблемы. Эксплуатации реактора является наиболее легко узнал руки-на и конфронтации с проблемами позволит уНУ работать более легко при следующем запуске. Другие аспекты, касающиеся биоэлектрохимических системы рассматриваются в видео статьи Юпитера по Gimkeiwicz и Харниш 18.
Размеры материалов
Другие размеры реактора возможны для извлечения аммония. Например, реакторный отсек может быть прямоугольным, а не площади, с внутренними размерами 5 х 20 см ². Наиболее важным аспектом является то, что все элементы должны соответствовать должным образом. Каучуки всегда должны покрывать наружную сторону реактора отсека кадра. Мембрана должна быть сокращена больше, чем площадь поверхности обмена. Для 8 х 8 см ² реактора 13 х 13 см ² это подходящий размер. То же самое касается графита чувствовал. Коллектор тока из нержавеющей стали для bioanode имеет наружные размеры 13 см х 13 см и внутренние размеры 11 см х 11 см, чтобы не находиться в непосредственном контакте с анолита.
Потенциостат Обеспечение надлежащего функционирования потенциостата путем выполнения теста манекен-клеток до начала эксперимента реактор.
Омическое сопротивление
Следите на омического сопротивления системы, что негативно скажется на сотовый потенциал при более высоких значениях. Резкое увеличение омического сопротивления системы может указывать на ряд проблем: (I) неисправный ионообменной мембраной, (II) слишком велика пространство между электродами, (III) плохо электродов соединения (IV) с низким электролит проводимость, или (v) недостаточное смешение. Резкое увеличение омического сопротивления могут быть обнаружены очень быстро, проверяя требуемое напряжение соответствия, который должен быть доставлен потенциостата. Если это становится слишком высокой (> 10 В), программа Потенциостат программное обеспечение прервать эксперимент, хотя это зависит от оборудования.
Мембрана загрязнения и SCAлин можно ожидать в течение долгого времени, особенно, когда в реальном сточные воды, используемой в качестве анолита из-за присутствия двухвалентных катионов, таких как Са 2+ и Mg 2+, и высоким содержанием твердых частиц 19. Это приведет к увеличению омического сопротивления и более высоким напряжением клеток, что делает систему менее эффективной.
Электрод сравнения
Электрод должен быть проверен еженедельно относительно стабильной электрода (например, каломельного электрода), чтобы гарантировать, что система работает при правильной фиксированной потенциала. Поместите электрод в системе таким образом, что пузырьки газа не может быть захваченной вблизи электрода (подключения к стороне реактора, а не к верху).
Кислород вторжений
Как биопленки чувствительный к кислороду, кислород вторжений следует избегать во все времена. Влиятельных судно и анодный отсек должен быть грипповHed газообразным азотом во время пуска реактора. В то время как этот эксперимент работает, низкой плотности тока может указывать использование O 2 в качестве акцептора электронов вместо анодного электрода. Проверьте все соединения и трубы (особенно труб насос) для обнаружения утечек воздуха. Кислород вторжение может быть обнаружено с помощью резазурин, однако это соединение может мешать электрода-активной биопленки 20.
Зачистки и поглощение эффективность
Высокоэффективный зачистки должны быть сохранены, чтобы избежать потери аммиака с катода сточных вод, а также чтобы избежать обратную диффузию растворенного NH 3 в анодную камеру. Таким образом, минимальное газа в жидкость соотношении 1000 (г / л) рекомендуется. Использование колец Рашига важно, чтобы способствовать передаче жидкости / газа во время зачистки. Эффективность поглощения должна быть высокой, чтобы поддерживать низкую концентрацию NH 3 в десорбирующего газа. Значение рН absorptioн колонка должна быть ниже 4.
Рециркуляции Недостаток газа
Сила рециркуляции газа насосом (мембрана вакуумного насоса, VWR) и, следовательно, скорости потока газа может уменьшаться с течением времени из-за влияния влаги и масштабирование. Установка водоотделитель до впуска вакуумного насоса и очистки мембранной головки насоса регулярно, чтобы предотвратить и удалить масштабирования.
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).
