Electrochemically وBioelectrochemically المستحث استعادة الأمونيوم

الهدف العام من التجربة التالية هو التحقيق في استعادة العناصر الغذائية من التيارات الغنية بالنيتروجين باستخدام نهج كهروكيميائي أو كهروكيميائي حيوي. يتم تحقيق النهج السابق عن طريق تمرير التيار عبر نظام كهروكيميائي ، والذي بعد أكسدة الماء يخلق قوة دافعة يمكن استخدامها لتدفق شحنة الأمونيوم من جانب الأنود عبر غشاء التبادل الأيوني إلى جانب الكاثود. كخطوة ثانية ، يؤدي ارتفاع درجة الحموضة في جانب الكاثود إلى تحويل الأمونيوم إلى أمونيا متطايرة.

المستوى العالي من الانتقائية لغشاء التبادل الأيوني إنشاء تيار هيدروجين أمونيا نقي. بعد ذلك ، يتم تدوير الكاثو من خلال عمود تجريد وامتصاص من أجل حبس الأمونيا في وسط حمضي. يمكن أيضا أن يكون الاستخراج الكهروكيميائي مدفوعا بالعمليات الكهروكيميائية الحيوية ، حيث يسمح تطوير الأغشية الحيوية على الأنود بتحويل المواد العضوية الموجودة في مجرى النفايات إلى ثاني أكسيد الكربون والبروتونات والإلكترونات.

سيؤدي هذا ، مرة أخرى ، إلى تدفق الأمونيوم من الأنود إلى الكاثود. تظهر النتائج أن كلا النهجين يمكنهما استعادة العناصر الغذائية من التيارات الغنية بالنيتروجين مثل البول. يأخذ نهج نزع النتروجين التقليدي في معالجة مياه الصرف الصحي الأمونيا من مياه الصرف الصحي ويحولها إلى غاز نيتروجين ، والذي يعود إلى الغلاف الجوي ، لذلك نفقد النيتروجين.

ميزة نهجنا هي أننا نأخذ الأمونيا ونستعيدها بشكل نظيف حتى نتمكن من فعل شيء بها. يمكننا إعادة استخدامه أو تحويله إلى منتج آخر. الميزة الثانية لنهجنا هي أننا نستخدم الكهرباء كمحرك.

إنه في الأساس مصدر نظيف ورخيص للطاقة ، ويتجنب استخدام المواد الكيميائية. ستظهر الإجراء سيلفيا هيلد باين وستيفن أندرسون. يقوم كل من طلاب الدكتوراه من مختبري قبل البدء في هذا الإجراء بجمع جميع المواد اللازمة لبناء المفاعل ، بما في ذلك الأقطاب الكهربائية والإطارات والمطاط.

بعد التأكد من معالجة الغشاء مسبقا وفقا لتعليمات الشركة المصنعة ، قم بمعالجة القطب الكهربائي المحسود بالكربون مسبقا عن طريق نقعه في اثنين من مليمولار أسيتيل ثلاثي ميثيل بروميد الأمونيوم ، أو A-C-T-A-B لمدة ثلاث دقائق. ثم اشطف قطب الكربون بالماء منزوع المعادن. بعد ذلك ، قم بتكديس أجزاء المفاعل المختلفة بالترتيب وفقا لنوع المفاعل.

ثم قم بتكديس أجزاء المفاعل للخلية الكهروكيميائية. استخدم الصواميل والمسامير لإغلاق المفاعل وشد البراغي يدويا على الجانبين المتقابلين لمعادلة الضغط. أغلق منافذ توصيل المفاعل باستخدام التفلون.

تأكد من إحكام ربط المنفذ بشكل صحيح. ضع القطب المرجعي في نفس حجرة القطب الكهربائي العامل. بعد ذلك ، املأ المفاعل بالماء لاختبار ما إذا كان خاليا من التسرب.

إذا لوحظت تسريبات ، فتحقق مما إذا كانت البراغي مشدودة بدرجة كافية أو إذا كان أحد أجزاء المفاعل قد تحرك أثناء تجميع المفاعل. إذا لم يتم الكشف عن أي تسريبات ، فقم بإفراغ الماء من المفاعل. قم بتوصيل مضخات التغذية وإعادة التدوير بالمفاعل ومضخة الهواء بوحدات التجريد والامتصاص.

املأ عمود الامتصاص ب 250 مل من حمض الكبريتيك المولي لتغطية حلقات che. تأكد من أن تيار الهواء يمزج الحمض جيدا عند تشغيل المضخة. بعد تحضير محاليل التحليل والحفاز ، اغسل المادة المراد شطبها عن طريق التطهير بغاز النيتروجين لمدة 30 دقيقة على الأقل لإزالة الأكسجين.

بالنسبة لللقاح ، قم بإعداد خليط 30 مليلتر من النفايات السائلة من المفاعلات الحيوية اللاهوائية النشطة ، بما في ذلك الأنود الحيوي. اجمع الخليط في حقنة. بعد ذلك ، قم بتوصيل كيس غاز مملوء بالنيتروجين بزجاجة التحليل

من أجل الحفاظ على استقرار الضغط مع عدم السماح بدخول الأكسجين. امزج مصدر اللقاح مع حجم المادة التحليلية عن طريق إفراغ المحقنة باللقاح في الزجاجة المتوسطة باستخدام حقنة مملوءة بالأنود وحجرات الكاثود في وقت واحد مع المحاليل الخاصة بكل منهما. عندما تمتلئ مقصورتي المفاعل ، قم بتشغيل مضخة إعادة التدوير بمعدل إعادة تدوير يبلغ حوالي ستة لترات في الساعة.

بعد ذلك ، قم بتوصيل كابل stat المحتمل بثلاثة أقطاب كهربائية باستخدام الأنود كقطب كهربائي يعمل. قم بتشغيل الإحصائيات المحتملة في وضع قياس التآكل المزمن. باستخدام برنامج إحصائيات الإمكانات ، حدد جهد أنود ثابت سالب 200 مللي فولت مقابل القطب المرجعي للفضة وكلوريد الفضة للتغيير إلى التغذية المستمرة.

قم بتشغيل مضخة التغذية للأنود والكاثود في السكن الهيدروليكي. وقت ست ساعات قم بتشغيل مضخة الهواء الخاصة بالشريط ووحدة الامتصاص. ثم أعد تدوير الهواء في حلقة مغلقة.

قم بتحديث الوسيط ثلاث مرات في الأسبوع باستخدام مادة تحليلية وحفاز طازجة كما هو موضح في النص. قم بتوصيل كيس غاز مملوء بالنيتروجين بزجاجة التغذية المغلقة. أوقف مضخة التغذية وضع مشبك على خط النفايات السائلة.

ثم قم بتبديل الزجاجات القديمة والجديدة. قم بإزالة المشابك وأعد تشغيل المضخة في كل مرة يتم فيها تحديث التغذية. قم بإزالة عينات سائلة من خمسة ملليلتر من النفايات السائلة والنفايات السائلة للمادة التحليلية والمحفزة لقياس الموصلية ومحتوى أسيتات الأس الهيدروجيني وتركيز الأمونيوم.

بالإضافة إلى ذلك ، قم بإزالة عينة من ثلاثة ملليلتر من عمود الامتصاص لمراقبة الأس الهيدروجيني وتحليل نيتروجين الأمونيوم الكلي أو تان. عندما يقترب الرقم الهيدروجيني من أربعة ، استبدل مادة ماصة AB بمحلول حمض الكبريتيك المولي الجديد لضمان كفاءة امتصاص عالية. إذا لم يكن الاستقرار الحالي ناتجا عن قيود الأسيتات ، فقم بزيادة تركيز الأمونيوم في العلف وانتظر استقرار التيار.

من أجل تقييم كفاءة الاستخراج للاستخراج الكهروكيميائي ، قم بإعداد تيار مياه الصرف الصحي الاصطناعية كمادة تحليلية وفقا للجدول التالي. أضف كبريتات الأمونيوم للوصول إلى التركيز النهائي البالغ خمسة جرامات من النيتروجين لكل لتر. بعد هذا التبديل على مضخة التغذية لملء حجرات المفاعل ، قم بتقليل سرعة المضخة للحصول على وقت إقامة هيدروليكي لمدة ست ساعات.

بمجرد ملء المفاعل ، كما كان من قبل ، قم بتشغيل مضخة إعادة التدوير بمعدل ستة لترات في الساعة. ثم قم بإزالة عينة من خمسة ملليلتر من بطلاقة بعد بدء تشغيل الشريط ووحدة الامتصاص. قم بتشغيل الإحصائيات المحتملة في وضع الكرونومتر باستخدام برنامج الإحصائيات المحتمل.

أولا ، قم بتطبيق كثافة تيار منخفضة تبلغ حوالي 0.5 NPI لكل متر مربع لمدة 24 ساعة لاستقطاب الغشاء وتحديد تدفق النيتروجين بسبب الانتشار وحده. عندما يتم استقطاب النظام لمدة 24 ساعة ، قم بتطبيق الكثافة الحالية اللازمة للتجربة ، والتي تتراوح عادة من 10 أمبير أرصفة لكل متر مربع إلى 50 أمبير لكل متر مربع. بمجرد وصول المفاعل إلى حالة مستقرة ، خذ ما لا يقل عن ثلاث عينات من خمسة ملليلتر على مدار فترة زمنية من تدفق الأنود والكاثود بالإضافة إلى عمود الامتصاص.

تظهر نتائج مقياس مسامية الكرونو رسما بيانيا نموذجيا لمفاعل مستمر. أدى التغيير إلى التشغيل المستمر في اليوم السادس إلى زيادة مستمرة في الإنتاج الحالي حتى تم الوصول إلى هضبة عند 3.5 أمبير لكل متر مربع بين اليوم 12 و 16. تأثير درجة حرارة النهار والليل على الإنتاج الحالي مرئي بوضوح.

على سبيل المثال ، من اليوم 42 إلى 46 ، تم زيادة تركيز الأمونيوم في العلف في عدة خطوات. ارتبطت الزيادة الحالية بزيادة الموصلية لتغذية الأنود حيث أدت إضافة بيكربونات الأمونيوم إلى زيادة تركيز الأيونات وبالتالي التوصيلية. جهد الخلية للنظام الكهروكيميائي أعلى من المفاعل الحيوي.

ويرجع ذلك أساسا إلى إمكانات الأنود العالية المطلوبة للأكسدة الكهروكيميائية للماء إلى الأكسجين. تدفق النيتروجين للمفاعل الحيوي أعلى من النظام الكهروكيميائي. يمكن تفسير ذلك من خلال قلوية أقل لتغذية النظام الكهروكيميائي ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحموضة التحليلية.

أدى ذلك إلى منافسة أعلى بين الأمونيوم والبروتونات لاستعادة توازن الشحنة على الغشاء. تمهد هذه التقنية الآن الطريق لمهندسي البيئة لاستكشاف الاسترداد الكهروكيميائي البيولوجي وغير البيولوجي للأنواع المشحونة من تيارات النفايات مثل حالة الهضم اللاهوائي. وبشكل أكثر تحديدا هنا ، أظهرنا أن النهج البيولوجي يأتي بمدخلات طاقة أقل ، ولكنه قد يعاني من متانة أقل إلى حد ما ووقت بدء تشغيل أطول.

قد يوفر النهج الكهروكيميائي البحت هذه المتانة ، لكنه سيأتي بتكلفة أعلى إلى حد ما. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية إنشاء نظام كيميائي حيوي لاستعادة الأمونيوم من مياه الصرف الصحي. يجب أن تكون قادرا على بناء خلية كيميائية حيوية قوية وخالية من التسرب ، وتقوم بتجريد وحدة الامتصاص لاستعادة الأمونيا.