电化学与生物电化学诱导的铵回收

以下实验的总体目标是研究利用电化学或生物电化学方法从富含氮的流体中回收营养物质。前一种方法是将流体通过一个电化学系统，通过水的氧化产生驱动力，从而促使铵离子从阳极侧穿过离子交换膜向阴极侧迁移。第二步，阴极侧的高pH环境导致铵转化为挥发性氨。

离子交换膜的高度选择性使得能够产生纯净的氨氢气流。接下来，阴极液通过一个解吸与吸收柱循环，以在酸性介质中捕获氨。电化学提取过程也可由生物电化学过程驱动，在阳极上形成生物膜，从而将废液中的有机物转化为二氧化碳、质子和电子。

这将再次驱动铵根从阳极向阴极迁移。结果表明，这两种方法均可从富含氮的液体（如尿液）中回收养分。传统的硝化-反硝化废水处理工艺将废水中的氨转化为氮气并释放回大气中，因而导致氮素的流失。

我们方法的优势在于，能够以清洁的形式回收氨，从而对其进行再利用或转化为其他产品。第二个优势是，我们使用电能作为驱动力。

它本质上是一种清洁且低成本的能源，且无需使用化学物质。演示该实验操作的将是来自我实验室的博士生Sylvia Hilde Bain和Steven Anderson。在开始此操作之前，需收集构建反应器所需的所有材料，包括电极、框架和橡胶圈。

在确保膜已根据制造商说明进行预处理后，将碳毡电极浸入2毫摩尔的乙酰基三甲基溴化铵（A-C-T-A-B）溶液中处理三分钟，以完成预处理。随后用去离子水冲洗碳毡电极。之后，根据反应器类型，按顺序依次堆叠反应器的各个部件。

然后组装电化学池的反应器部件。使用螺母和螺栓闭合反应器，并用手拧紧对侧的螺栓以均衡压力。使用聚四氟乙烯密封反应器的连接端口。

确保端口已正确拧紧。将参比电极置于与工作电极相同的腔室内。接着，向反应器中加水，以检测其是否泄漏。

如果观察到泄漏，请检查螺栓是否已充分拧紧，或在组装反应器时是否有反应器部件发生移动。若未检测到泄漏，则将反应器中的水排空。将进料泵和循环泵连接至反应器，并将气泵连接至解吸和吸收单元。

用 250 毫升 1 摩尔的硫酸填充吸收柱，以覆盖 che 环。打开泵后，确保气流能充分混合酸液。在配制好分析物和催化物溶液后，通过通入氮气至少 30 分钟以吹扫分析物，去除其中的氧气。

对于接种物，准备30毫升来自活性厌氧生物反应器（包括生物阳极）的出水混合物。将该混合物收集至注射器中。接着，将充满氮气的气体袋连接到分析物瓶上。

为了在防止氧气进入的同时保持压力稳定，使用注射器将接种源排入培养基瓶中，使接种源与分析物体积混合，并同时用各自的溶液填充阳极室和阴极室。当两个反应器室均被填满后，启动再循环泵，使再循环速率约为每小时六升。

随后，使用阳极作为工作电极，将电位恒定仪电缆与三个电极连接。将电位恒定仪切换至计时电流法模式并开启。通过电位恒定仪软件，选择相对于银/氯化银参比电极的固定阳极电位为负200毫伏，以切换至连续进样模式。

启动阳极和阴极进料泵，水力停留时间为六小时。启动 stripping 和吸收单元的空气泵，然后在密闭回路中循环空气。

每周更换三次培养基，补充新鲜的分析物和催化剂，具体操作如文中所述。将充满氮气的气袋连接到封闭的进料瓶上。停止进料泵，并在流出管线上夹上止水夹。

然后更换新旧瓶子。每次更换培养液时，移除夹子并重新启动泵。取五毫升流出液以及分析物和催化物的流出液样品，用于测定电导率、pH值、乙酸盐含量和铵离子浓度。

此外，从吸收柱中取出三毫升样品，用于监测 pH 值以及总铵态氮（TAN）分析。当 pH 值接近 4 时，将 AB 吸收液更换为新鲜的 1 摩尔/升硫酸溶液，以确保较高的吸收效率。如果当前的电流稳定并非由乙酸盐限制引起，则提高进料中的铵浓度，并等待电流重新稳定。

为了评估电化学提取的提取效率，根据下表配制合成废水流作为分析物。加入硫酸铵，使氮的最终浓度达到每升5克。随后启动进料泵以填充反应器隔室，然后降低泵速，使水力停留时间为6小时。

反应器充满后，与之前相同，以每小时六升的流速启动循环泵。然后在启动脱附和吸收装置后，从进流液中取出五毫升样品。使用电位仪软件，以计时模式启动电位仪。

首先，施加约 0.5 NPIs/平方米的低电流密度，持续 24 小时，以极化膜并确定仅由扩散引起的氮通量。系统极化 24 小时后，施加实验所需的电流密度，通常在 10 A/m² 至 50 A/m² 之间。当反应器达到稳态后，在一段时间内至少从阳极和阴极出水以及吸收柱中各取三次 5 mL 样品。

chrono porometer 的结果显示出连续式反应器的典型曲线。第6天转为连续运行后，电流产量持续上升，直至第12至16天达到每平方米3.5安培的稳定平台期。昼夜温度变化对电流产量的影响清晰可见。

例如，从第42天到第46天，进料中的铵浓度分多个阶段逐步升高。电流的增加与阳极进料电导率的升高相关，这是由于添加碳酸氢铵提高了离子浓度，从而导致电导率上升。电化学系统的电池电压高于生物反应器。

这主要是由于水电解氧化生成氧气需要更高的阳极电位。生物反应器的氮通量高于电化学系统。这可以解释为电化学系统的进料碱度较低，导致分析物的 pH 值较低。

这导致了铵离子与质子在膜上恢复电荷平衡时产生更强的竞争。该技术如今为环境工程师探索从废液流（如厌氧消化液）中进行带电物质的生物与非生物电化学回收开辟了道路。更具体而言，我们在此表明，生物方法所需的能量输入较低，但可能存在稳定性稍差以及启动时间较长的问题。

纯电化学方法可能提供所需的稳定性，但成本会相对较高。观看本视频后，您应能充分理解如何建立从废水中回收铵的生化系统。您应能够构建一个稳定且无泄漏的生化反应池，并通过解吸吸收装置回收氨。