Name: Electrochemically وBioelectrochemically المستحث استعادة الأمونيوم (فيديو) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-01-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 50 s
Description: اكتشف استعادة الأمونيوم من مياه الصرف باستخدام الأنظمة الكهروكيميائية والحيوية الكهروكيميائية. تُمكّن هذه الطريقة الباحثين من استخلاص المغذيات بكفاءة عالية واستعادة النيتروجين النقي.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

تم دعم هذا العمل من خلال منحة BOF ل SG من جامعة غنت. AL مدعوم من قبل جامعة روتجرز NSF Fuels-IGERT. يتم دعم SA من قبل مشروع البرنامج الإطاري للاتحاد الأوروبي 7 "ProEthanol 2G." يتم دعم SA و KR من قبل شراكة البحوث متعددة التخصصات بجامعة غنت (MRP) - التكنولوجيا الحيوية من أجل اقتصاد مستدام (01 MRA 510W). JD مدعومة بمنحة IOF Advanced (F2012 / IOF-Advanced / 094). يتم دعم KR من قبل ERC Starter Grant "Electrotalk". يشكر المؤلفون تيم لاكوير على تصميم شخصية TOC الفنية ، وروبن ديكليرك لبناء أعمدة الشريط والامتصاص ، و Kun Guo لتوفير مصدر اللقاح.

<ol><li>Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximum+use+of+resources+present+in+domestic+%22used+water%22%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Maximum use of resources present in domestic "used water".</a> Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).</li>
<li>Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pretreatment+of+anaerobic+digestion+effluent+with+ammonia+stripping+and+biogas+purification%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hazardous+Materials%22%5BJournal%5D)">Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification.</a> Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).</li>
<li>Siegrist, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nitrogen+removal+from+digester+supernatant-comparison+of+chemical+and+biological+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods.</a> Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).</li>
<li>Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+Resource+Recovery+from+Digestate+to+Prevent+Ammonia+Toxicity+during+Anaerobic+Digestion%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion.</a> Environmental Science & Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).</li>
<li>Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+ammonia+loss+mechanisms+in+microbial+fuel+cells+treating+animal+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnology+and+Bioengineering%22%5BJournal%5D)">Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater.</a> Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).</li>
<li>Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aqueous+ammonia+equilibrium+calculations%3A+effect+of+pH+and+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Fisheries+Board+of+Canada%22%5BJournal%5D)">Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature.</a> Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).</li>
<li>Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+production+and+ammonium+recovery+from+urine+by+a+Microbial+Electrolysis+Cell%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).</li>
<li>Guo, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactant+treatment+of+carbon+felt+enhances+anodic+microbial+electrocatalysis+in+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochemistry+Communications%22%5BJournal%5D)">Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems.</a> Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).</li>
<li>Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spontaneous+modification+of+carbon+surface+with+neutral+red+from+its+diazonium+salts+for+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems.</a> Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Standard+Methods+For+The+Examination+Of+Water+And+Wastewater%22">Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater</a>. Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. , American Public Health Association. (1992).</li>
<li>Andersen, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrolytic+Membrane+Extraction+Enables+Production+of+Fine+Chemicals+from+Biorefinery+Sidestreams%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams.</a> Environmental Science & Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).</li>
<li>Harnisch, F., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Diversity+of+Techniques+to+Study+Electrochemically+Active+Biofilms+Highlights+the+Need+for+Standardization%5BTitle%5D)+AND+%22Chemsuschem%22%5BJournal%5D)">The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization.</a> Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).</li>
<li>Clauwaert, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Minimizing+losses+in+bio-electrochemical+systems%3A+the+road+to+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiology+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).</li>
<li>Atkins, P., De Paula, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAtkins%2C+P+%22Elements+of+Physical+Chemistry%22">Elements of Physical Chemistry</a>. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).</li>
<li>Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+anode+potential+regulates+bacterial+activity+in+microbial+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiology+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).</li>
<li>Kuntke, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ammonium+recovery+and+energy+production+from+urine+by+a+microbial+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Research%22%5BJournal%5D)">Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell.</a> Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).</li>
<li>Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Power+Generation+in+Fed-Batch+Microbial+Fuel+Cells+as+a+Function+of+Ionic+Strength%5BTitle%5D)+AND+%22Temperature%2C+and+Reactor+Configuration.+Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength.</a> Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science & Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).</li>
<li>Gimkiewicz, C., Harnisch, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Waste+Water+Derived+Electroactive+Microbial+Biofilms%3A+Growth%2C+Maintenance%2C+and+Basic+Characterization%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization.</a> JoVE. (82), e50800(2013).</li>
<li>Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term+investigation+of+fouling+of+cation+and+anion+exchange+membranes+in+microbial+desalination+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells.</a> Desalination. 325, 48-55 (2013).</li>
<li>Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+resazurin+for+estimating+abundance+of+contaminant-degrading+micro-organisms%5BTitle%5D)+AND+%22Letters+in+Applied+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms.</a> Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).</li>
</ol>

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

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 ال...

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 (&gt; 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.

<table><tbody><tr><td>شعر الكربون 3.18 مم سمك</td><td>Alfa Aesar</td><td>ALFA43199</td><td>يستخدم كأنود حيوي ، 110 & nbsp ؛ مم × 110 &nbsp ؛ مم</td></tr><tr><td>Ti القطب الكهربائي المغلفة بالأشعة تحت الحمراء MMO & nbsp ؛</td><td>الأنودات المغناطيسية الخاصة (هولندا)</td><td></td><td>تستخدم كأنود مستقر للاختبارات الكهروكيميائية</td></tr><tr><td>شبكة الفولاذ المقاوم للصدأ</td><td>Solana (بلجيكا)</td><td>RVS 554/64: مادة AISI 316L ، عرض الشبكة: 564 ميكرون ، سمك السلك: 140 ميكرون ، رقم الشبكة: 36،6</td><td>تستخدم ككاثود ، 110 & nbsp ؛ مم × 110 &nbsp ؛ مم</td></tr><tr><td>صفيحة الفولاذ المقاوم للصدأ</td><td>Solana (بلجيكا)ورقة</td> <td>inox 304 ، السماكة: 0.5 مم</td><td>تستخدم كمجمع تيار للقطب</td></tr><tr><td>المرجعي الأغذية الحيوية Ag / AgCl</td><td>Bio-Logic (فرنسا)</td> <td>A-012167 RE-1B</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat (VSP Multipotentiostat) &nbsp ؛</td><td>Bio-Logic (فرنسا)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EC Lab</td><td>Bio-Logic (فرنسا)</td><td></td><td>برنامج لإجراء قياسات الكيمياء الكهربائية Cation</td></tr><tr><td>Exchange Membrane</td><td>Membranes International (الولايات المتحدة الأمريكية)</td><td>Ultrex CMI-7000</td><td>معالج مسبقا وفقا لتعليمات الشركات المصنعة</td></tr><tr><td>Turbulence Promotor mesh</td><td>ElectroCell Europe A / S (Tarm ، الدنمارك)</td> <td>EPC20432-PP-2</td><td>مادة فاصلة ، 110 مم × 110 مم</td></tr><tr><td>موصلات</td><td>سيرتو</td><td>1،281،161،120</td><td>أحجام أخرى ممكنة ، اعتمادا على نوع الأنبوب وحجم الثقوب في الإطارات</td></tr><tr><td>الشريط وعمود</td><td></td><td></td> الامتصاص <td>في تصميم المنزل</td></tr><tr><td>الأنابيب</td><td>Masterflex</td><td>HV-06404-16</td><td></td></tr><tr><td>كيس غاز</td><td>Keika Ventures</td><td></td><td>Kynar مع صمام روبرتس</td></tr><tr><td>حلقات راشيج</td><td>Glasatelier Saillart ( بلجيكا)</td> <td>حلقات Raschig 4 × 4 مم</td><td>ضع داخل الشريط وعمود الامتصاص لتحسين ملامسة الهواء / السائل. متوفر مع العديد من الموردين</td></tr><tr><td>قطع الألواح</td><td></td><td></td> المطاطية <td>لتناسب إطارات البرسبيكس</td></tr> إطارات <tr><td>مفاعل برسبيكس</td><td>فلامينك ، بيرنيم</td><td></td><td>تصميم داخلي ، انظر علامة التبويب "إطارات المفاعل" في هذا الملف</td></tr></tbody></table>

electrochemically وbioelectrochemically المستحث استعادة الأمونيوم

Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

يمكن أن تحتوي الجداول مثل البول والسماد على مستويات عالية من الأمونيوم ، والتي يمكن استعادتها لإعادة استخدامها في الزراعة أو الكيمياء. يتم إثبات استخراج الأمونيوم من تيار غني بالأمونيوم باستخدام نظام كهروكيميائي ونظام كهروكيميائي حيوي. يتم التحكم في كلا النظامين بواسطة potentiostat إما لإصلاح التيار (للخلية الكهروكيميائية) أو إصلاح إمكانات القطب الكهربائي العامل (للخلية الكهروكيميائية الحيوية). في الخلية الكهروكيميائية الحيوية ، تحفز البكتيريا الفاعلة كهربائيا التفاعل الأنودي ، بينما في الخلية الكهروكيميائية ، يطبق الجهد جهدا أعلى لإنتاج تيار. تسمح الاستعادة الحالية وما يترتب على ذلك من توازن الشحنة عبر الخلية بنقل الكاتيونات ، مثل الأمونيوم ، عبر غشاء التبادل الكاتيوني من الأنولت إلى الكاثوليت. يؤدي ارتفاع درجة الحموضة في الكاثوليت إلى تكوين الأمونيا ، والتي يمكن تجريدها من الوسط والتقاطها في محلول حمضي ، مما يتيح استعادة مغذيات قيمة. يتميز تدفق الأمونيوم عبر الغشاء بتركيزات وتيارات مختلفة من الأمونيوم الأنوليت لكل من أنظمة المفاعلات اللاأحيائية والحيوية. تتم مقارنة كلا النظامين بناء على كفاءات التيار والإزالة للأمونيوم ، بالإضافة إلى مدخلات الطاقة المطلوبة لدفع نقل الأمونيوم عبر غشاء التبادل الكاتيوني. أخيرا ، يتم إجراء تحليل مقارن يأخذ في الاعتبار الجوانب الرئيسية مثل الموثوقية وتكلفة القطب الكهربائي والمعدل.
توفر مقالة الفيديو والبروتوكول هذه المعلومات اللازمة لإجراء تجارب استعادة الأمونيا الكهروكيميائية والكهروكيميائية الحيوية. يتم شرح إعداد المفاعل للحالتين ، بالإضافة إلى تشغيل المفاعل. نحن نشرح تحليل البيانات لكل من أنواع المفاعلات وعلى مزايا وعيوب الأنظمة الكهروكيميائية الحيوية والكهروكيميائية.

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 الإ...

نثبت استخراج الأمونيوم من تيار غني بالأمونيوم باستخدام نظام كهروكيميائي ونظام كهروكيميائي حيوي. تتم مناقشة إعداد المفاعل وتشغيله وتحليل البيانات.

Electrochemically وBioelectrochemically المستحث استعادة الأمونيوم

Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ...

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.يتيح 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 التحليلمن 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.

electrochemically-and-bioelectrochemically-induced-ammonium-recovery

Research

JoVE Journal

Chemistry

الكيمياء

المصدر: أوكاموتو، أ.، وآخرون. إعداد كهروكيميائي مستقل لإثراء البكتيريا التي تتنفس الأنود في الموقع. J. Vis. Exp. (2018)يوضح هذا الفيديو استخدام نظام كهروكيميائي في الموقع لإثراء البكتيريا التنفسية بالأنود (ARB) من الخزانات الطبيعية. يتم إنشاء تدرج أكسدة اختزاز بوضع الأنود في مياه عميقة خالية من الأكسجين والكاثود في مياه سطحية غنية بالأكسجين. تشكل ARB الأغشية الحيوية وتنقل الإلكترونات إلى الأنود، الذي يتدفق إلى الكاثود، حيث يتم تقليل الأكسجين مولدا التيار. يتم جمع الأنود تحت ظروف لاهوائية...

إثراء البكتيريا التي تتنفس الأنود باستخدام نظام كهروكيميائي في الموقع

يتم توضيح النمو الزمني للأغشية الحيوية الميكروبية الكهربية الأنودية في مفاعل دفعة فيد باستخدام إعداد ثلاثي الأقطاب الكهربائية ، يتم التحكم فيه بواسطة potentiostat. يتميز نقل الإلكترون خارج الخلية باستخدام قياس الفولتامتر الدوري في وجود المانح للإلكترون وفي غياب المانح للإلكترون. يتم عرض تحليل البيانات الأساسية.

الأغشية الحيوية الميكروبية النشطة كهربائيا المشتقة من مياه الصرف الصحي: النمو والصيانة والتوصيف الأساسي

هنا يتم وصف إجراءات البلازما تعزيز ترسيب الأبخرة الكيميائية من perfluoroalkanes على المواد الصغيرة التي يسهل اختراقها مثل الأطر المعدنية العضوية لتعزيز الاستقرار وللا مائية. وعلاوة على ذلك، وصفت اختبار اختراق كميات مليغرام من العينات في التفاصيل.

إعداد أطر مسعور المعدنية العضوية عبر البلازما المحسن ترسيب الأبخرة الكيميائية من Perfluoroalkanes لإزالة الأمونيا

ويرد على بروتوكول لقياس الموصلية الكهربائية للأغشية الحيوية الميكروبية الحية تحت الظروف ذات الصلة فسيولوجيا.

وصف الإلكترون النقل عبر الأغشية الحيوية الحية

يمكن توليفها الأمونيا في الضغط المنخفض باستخدام عامل حفاز تقليدية وماصة انتقائي الأمونيا.

توليف الأمونيا في الضغط المنخفض

نقدم هنا بروتوكولا لتجارب كامل الخلية الكهروكيميائية لدراسة مساهمة النقل بروتون لمعدل النقل الإلكترون خارج الخلية عن طريق cytochromes الغشاء الخارجي المعقدة في أونيدينسيس شيوانيلا السيد-1.

الكهروكيميائية "الكشف من الديوتريوم الحركية النظائر تأثير النقل الإلكترون خارج الخلية" في أونيدينسيس شيوانيلا السيد-1

يمكن تيسير في الموقع الميكروبية تخصيب اليورانيوم أو في الموقع تقنيات الزراعة عزل الأنواع الميكروبية صعبة للثقافة، خاصة من بيئات منخفضة-الكتلة الحيوية أو جيوتشيميكالي المتطرفة. هنا، نحن تصف البنية الكهروكيميائية دون استخدام مصدر طاقة خارجي لإثراء السلالات الجرثومية التي قادرة على نقل الإلكترون خارج الخلية (EET).

إنشاء الكهروكيميائية قائم بذاته لإثراء البكتيريا ريسبيرينج اﻷنود في الموقع

وتقدم بالتفصيل سلسلة من الطرق لتحديد معدل DNRA المحتملة على أساس 14NH4+/15NH4+ التحليلات. NH4+ يتم تحويلها إلى N2O عبر عدة خطوات وتحليلها باستخدام الكروماتوغرافيا الغاز رباعية الروبول- قياس الطيف الشامل.

قياس المعدلات المحتملة للحد من نترات الدسيميلي إلى الأمونيوم على أساس 14NH4+/15NH4+ تحليلات عن طريق التحويل المتسلسل إلى N2O

نحن نثبت تصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي باستخدام غشاء تبادل cation (CEM) وغشاء تبادل أنيون (AEM) لتوليد الطاقة.

أغشية التبادل الأيوني لتصنيع جهاز التحليل الكهربائي العكسي

تم تحديد هيكل محلول الرنين المغناطيسي النووي لببتيد نموذج metallochaperone مع Cu (I) ، وتم وصف بروتوكول مفصل من إعداد العينة وجمع البيانات 1D و 2D إلى هيكل ثلاثي الأبعاد.

تحديد هيكل وتنسيق مجمعات الببتيد المعدنية باستخدام الرنين المغناطيسي النووي 1D و 2D 1H

اكتشف استعادة الأمونيوم من مياه الصرف باستخدام الأنظمة الكهروكيميائية والحيوية الكهروكيميائية. تُمكّن هذه الطريقة الباحثين من استخلاص المغذيات بكفاءة عالية واستعادة النيتروجين النقي.

Electrochemically وBioelectrochemically المستحث استعادة الأمونيوم

استكشف المزيد من الفيديوهات