Name: Elektrochemisch und Bioelectrochemically Induzierte Ammonium Erholung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-01-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 50 s
Description: Erfahren Sie die elektrochemische und bioelektrochemische Ammoniumgewinnung aus stickstoffreichen Abwässern. Diese Methode ermöglicht Forschern die selektive Rückgewinnung von Nährstoffen mit Ionenaustauschmembranen.

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Diese Arbeit wurde durch das BOF-Stipendium für SG der Universität Gent unterstützt. AL wird von der Rutgers University NSF Fuels-IGERT unterstützt. SA wird durch das 7. Rahmenprogramm der Europäischen Union im Rahmen des Projekts "ProEthanol 2G" unterstützt. SA und KR werden von der Multidisciplinary Research Partnership (MRP) der Universität Gent – Biotechnologie für eine nachhaltige Wirtschaft (01 MRA 510W) unterstützt. JD wird durch einen IOF Advanced Grant (F2012/IOF-Advanced/094) unterstützt. KR wird gefördert durch den ERC Starter Grant "Electrotalk". Die Autoren danken Tim Lacoere für das Design der TOC-Kunstfigur, Robin Declerck für den Bau des Streifens und der Absorptionssäulen und Kun Guo für die Bereitstellung der Inokulumquelle.

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Diese Handschrift stellt die notwendigen Werkzeuge zur Einrichtung einer bioelektrochemische und eine elektrochemische Zelle für Ammonium Erholung. Die im Abschnitt Ergebnisse vorgestellt Berechnungen liefern die Parameter für die Bewertung der Systemleistung. Die biologischen und elektrochemische Systeme ähneln in Aufbau und Funktion. Der Hauptunterschied zwischen den zwei Systemen ist die Wahl eines festen Strom für die elektrochemische Zelle gegenüber einem festen Anodenpotential für die bio-elektrochemischen Einrich...

Rückgewinnung von Wertstoffen aus Abwasser gewinnt an Bedeutung als wertvolle Ressourcen knapp und die Behandlung ohne Rückgewinnung werden nur einen Preis. Abwasser enthält sowohl Energie und Nährstoffe, die wiederhergestellt werden können, und Nährstoffrückgewinnung kann helfen, den Produktionskreislauf 1 zu schließen. Rückgewinnung von Energie durch anaerobe Vergärung ist ein gut etabliertes Verfahren, während die Rückgewinnung von Nährstoffen ist weniger verbreitet. Verwertung von Nährstoffen aus der flüssigen Abfallströmen, wie Urin und Dung wurde umfassend untersucht, beispielsweise durch die Produktion von Struvit und direkte Ammoniakstrippung 2,3. Die Notwendigkeit einer chemischen Zusatz ist jedoch ein Nachteil dieser Verfahren 4. Hier präsentieren wir eine Technik zur Gewinnung von kationischen Nährstoffen aus Abfallströmen, einschließlich Kalium und Ammonium. Die kationische Form dieser Nährstoffe ermöglicht die Wiederherstellung unter Verwendung einer ionenselektiven Membran, die in einem elektrochemischen System. In diesem Fall wird die electrochemical-System besteht aus einer Anodenkammer (wo Oxidation stattfindet), eine Kathodenkammer (wo die Reduktion stattfindet) und eine ionenselektive Membran, die Räume trennen. Eine Spannung wird an die Zelle angelegt, um einen Stromfluss von der Anode zur Kathode zu erzeugen. Diese Spannung kann durch eine externe Energiequelle, um Wasser Oxidations- und Reduktionsreaktionen fahren erzeugt werden. Alternativ kann die anodische Oxidation, beispielsweise aus organischen Verbindungen, können durch elektro Bakterien, weniger Leistung benötigt, katalysiert werden. Um die Schaltung für den Ladungsausgleich zu schließen und zu halten, muß ein geladener Spezies zwischen den Elektroden für jeden erzeugten Elektronen migrieren. Ammoniumtransport aus der Anodenkammer in die Kathodenkammer durch eine Kationenaustauschmembran (CEM) können so kompensiert den Fluss der Elektronen 4,5. Die hier vorgestellte Technik entfernt nicht nur Ammonium aus Abfallströmen, sondern ermöglicht auch die Erholung. Gesamtammoniakstickstoff (TAN) im Gleichgewicht sowohl ammon bestehtium (NH 4 +) und Ammoniak (NH 3), und ist abhängig von pH-Wert und Temperatur 6. NH 4 + ist reichlich durch hohe TAN Konzentration und in der Nähe von neutralem pH-Wert in der Anodenkammer und diese positiv geladene Spezies kann daher durch den Strom über die CEM in den Kathodenraum gefahren werden zur Verfügung. Der Strom treibt die Reduktion von Wasser an der Kathode, was zu der Erzeugung von Hydroxidionen und Wasserstoffgas. Die TAN Gleichgewicht verschiebt sich nahezu 100% NH 3 durch den hohen pH-Wert in der Kathodenkammer (&gt; 10,0). NH 3 ist ein Gas, das leicht durch Luftzirkulation von der Destillationseinheit in die Absorptionskolonne, wo er eingeschlossen und in einer Säurelösung konzentriert übertragen werden kann. Diese Technologie hat das Potenzial, Ammonium Toxizität während der anaeroben Vergärung von N-reichen Strömen wie Gülle zu verringern, wodurch die Energierückgewinnung aus diesen Abfallströmen, während gleichzeitigWiederherstellen Nährstoffe 4. Elektrochemische und bioelektrochemische Extraktion von Ammonium kann auch als Nährstoffrückgewinnungstechnik für Abfallströme mit hoher TAN Inhalte wie beispielsweise Urin, wodurch Kosten für Nährstoffentfernung in einer Kläranlage 7 Vermeidung angewendet werden. Die hier vorgestellte Protokoll kann als Basis für viele verschiedene elektrochemische und bioelektrochemische Experimenten dienen, wie wir eine modulare Reaktor. Verschiedene Elektrodenarten, Membranen und Rahmenstärken können kombiniert werden, wie in der nachstehenden Protokoll erläutert. Das Ziel des Protokolls ist es, ein Mittel für den Vergleich des elektrochemischen Ammonium Verwertung und bioelektrochemische Ammoniumrückgewinnung unter Verwendung einer Elektrolysezelle bereitzustellen. Die Systeme sind in Bezug auf die Extraktionseffizienz, Stromaufnahme und Reproduzierbarkeit bewertet.

<table><tbody><tr><td>Carbonfilz 3,18 mm dick</td><td>Alfa Aesar</td><td>ALFA43199</td><td>Wird als Bioanode verwendet, 110&nbsp; mm x 110&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Ti-Elektrode beschichtet mit Ir MMO&nbsp;</td><td>Magneto Spezialanoden (Niederlande)</td><td></td><td>Wird als stabile Anode für elektrochemische Tests verwendet</td></tr><tr><td>Edelstahlgewebe</td><td>Solana (Belgien)</td><td>RVS 554/64: Material AISI 316L, Maschenweite: 564 Mikron, Drahtstärke: 140 Mikron, Maschenzahl: 36,6</td><td>Wird als Kathode verwendet, 110&nbsp; mm x 110&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Edelstahlblech</td><td>Solana (Belgien)</td><td>inox 304 Blech, Dicke: 0,5 mm</td><td>Wird als Stromabnehmer für die Bioanode</td></tr><tr><td>Ag/AgCl Referenzelektrode</td><td>Bio-Logic (Frankreich)</td><td>A-012167 RE-1B</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat (VSP Multipotentiostat) verwendet;</td><td>Bio-Logic (Frankreich)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EC Lab</td><td>Bio-Logic (Frankreich)</td><td></td><td>Software zur Durchführung elektrochemischer Messungen</td></tr><tr><td>Cation Exchange Membrane</td><td>Membranes International (USA)</td><td>Ultrex CMI-7000</td><td>Vorbehandelt nach Herstellerangaben</td></tr><tr><td>Turbulence Promotor</td><td>mesh ElectroCell Europe A/S (Tarm, Dänemark)</td><td>EPC20432-PP-2</td><td>Spacermaterial, 110 mm x 110 mm</td></tr><tr><td>Verbinder</td><td>Serto</td><td>1,281,161,120</td><td>Andere Größen möglich, abhängig von der Art der Schläuche und der Größe der Löcher in den Rahmen</td></tr><tr><td>Streifen und Absorptionssäule</td><td></td><td></td><td>In eigener Ausführung</td></tr><tr><td>Schläuche</td><td>Masterflex</td><td>HV-06404-16</td><td></td></tr><tr><td>Gassack</td><td>Keika Ventures</td><td></td><td>Kynar Gassack mit Roberts Ventil</td></tr><tr><td>Rashig Rings</td><td>Glasatelier Saillart ( Belgien)</td><td>Raschig Ringe 4 x 4 mm</td><td>In den Streifen und die Absorptionssäule einsetzen, um den Luft-Flüssigkeits-Kontakt zu verbessern. Bei vielen Lieferanten erhältlich</td></tr><tr><td>Gummiplatte</td><td></td><td></td><td>passend für die Plexiglasrahmen zuschneiden</td></tr><tr><td>Plexiglas-Reaktorrahmen</td><td>Vlaeminck, Beernem</td><td></td><td>Eigenkonstruktion, siehe Reiter "Reaktorrahmen" in dieser Datei</td></tr></tbody></table>

elektrochemisch und bioelectrochemically induzierte ammonium erholung

Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

Ströme wie Urin und Mist können hohe Mengen an Ammonium enthalten, das für die Wiederverwendung in der Landwirtschaft oder Chemie zurückgewonnen werden könnte. Die Extraktion von Ammonium aus einem ammoniumreichen Strom wird mit Hilfe eines elektrochemischen und eines bioelektrochemischen Systems demonstriert. Beide Systeme werden von einem Potentiostaten gesteuert, der entweder den Strom (für die elektrochemische Zelle) oder das Potential der Arbeitselektrode (für die bioelektrochemische Zelle) fixiert. In der bioelektrochemischen Zelle katalysieren elektroaktive Bakterien die anodische Reaktion, während in der elektrochemischen Zelle der Potentiostat eine höhere Spannung anlegt, um einen Strom zu erzeugen. Die derzeitige und daraus resultierende Wiederherstellung des Ladungsgleichgewichts in der Zelle ermöglicht den Transport von Kationen, wie z. B. Ammonium, über eine Kationenaustauschmembran vom Anolyten zum Katholyten. Der hohe pH-Wert des Katholyten führt zur Bildung von Ammoniak, das aus dem Medium entfernt und in einer sauren Lösung aufgefangen werden kann, wodurch die Rückgewinnung eines wertvollen Nährstoffs ermöglicht wird. Der Fluss von Ammonium durch die Membran wird bei unterschiedlichen Anolyt-Ammonium-Konzentrationen und -Strömen sowohl für das abiotische als auch für das biotische Reaktorsystem charakterisiert. Beide Systeme werden auf der Grundlage des Strom- und Abscheidegrads für Ammonium sowie des Energieeinsatzes verglichen, der erforderlich ist, um den Ammoniumtransfer über die Kationenaustauschmembran voranzutreiben. Abschließend wird eine vergleichende Analyse unter Berücksichtigung wichtiger Aspekte wie Zuverlässigkeit, Elektrodenkosten und -rate durchgeführt.
Dieser Videoartikel und das Protokoll liefern die notwendigen Informationen zur Durchführung elektrochemischer und bioelektrochemischer Ammoniakrückgewinnungsexperimente. Der Reaktoraufbau für die beiden Fälle wird erläutert, ebenso wie der Reaktorbetrieb. Wir erarbeiten die Datenanalyse für beide Reaktortypen sowie die Vor- und Nachteile bioelektrochemischer und elektrochemischer Systeme.

Chronoamperometrie resultiert aus Bioreaktor Die Chronoamperometrie Ergebnisse nach Gleichung 1 berechnet wird, zeigen eine typische Kurve für einen kontinuierlichen Reaktor (Abbildung 4). Zu Beginn des Experiments wurden die Anode und die Kathode im Umluftbetrieb betrieben. Dies ermöglicht einen Biofilm zu entwickeln und den Beginn der aktuellen Produktion. Nach 5 Tagen Betrieb die Stromdichte ein Maximum erreicht, gefolgt von einer Abnahme in der laufenden...

Wir demonstrieren die Extraktion von Ammonium aus einem ammoniumreichen Strom mit Hilfe eines elektrochemischen und eines bioelektrochemischen Systems. Der Aufbau des Reaktors, der Betrieb und die Datenanalyse werden besprochen.

Elektrochemisch und Bioelectrochemically Induzierte Ammonium Erholung

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 ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, die Rückgewinnung von Nährstoffen aus stickstoffreichen Flüssen entweder mit einem elektrochemischen oder bioelektrochemischen Ansatz zu untersuchen. Der erste Ansatz wird erreicht, indem der Strom durch ein elektrochemisches System geleitet wird, das nach der Oxidation von Wasser eine treibende Kraft erzeugt, die genutzt werden kann, um die Ladung Ammonium von der Anodenseite über eine Ionenaustauschmembran zur Kathodenseite zu transportieren. In einem zweiten Schritt führt der hohe pH-Wert auf der Kathodenseite zur Umwandlung von Ammonium in flüchtiges Ammoniak.Die hohe Selektivität der Ionenaustauschmembran ermöglicht die Erzeugung eines reinen Ammoniak-Wasserstoffstroms. Als nächstes wird die Katho durch eine Stripping- und Absorptionssäule zirkuliert, um das Ammoniak in einem sauren Medium einzuschließen. Die elektrochemische Extraktion kann auch durch bioelektrochemische Prozesse angetrieben werden, bei denen die Entwicklung eines Biofilms auf der Anode die Umwandlung von im Abfallstrom vorhandenen organischen Stoffen in Kohlendioxid, Protonen und Elektronen ermöglicht.Dies wird wiederum einen Ammoniumfluss von der Anod

electrochemically-and-bioelectrochemically-induced-ammonium-recovery

Research

Forschung

JoVE Journal

Chemistry

Chemie

Quelle: Okamoto, A., et al. Eigenständiges elektrochemisches Setup zur Anreicherung anodenatmender Bakterien vor Ort. J. Vis. Exp. (2018)Dieses Video demonstriert den Einsatz eines vor Ort vorhandenen elektrochemischen Systems zur Anreicherung von anodenatmenden Bakterien (ARB) aus natürlichen Reservoirs. Ein Redoxgradient wird hergestellt, indem die Anode in sauerstofffreies Tiefwasser und die Kathode in sauerstoffreiches Oberflächenwasser platziert wird. ARB bilden Biofilme und übertragen...

Anreicherung anodenatmender Bakterien mittels eines elektrochemischen Systems vor Ort

Das chronoamperometrische Wachstum von anodischen elektroaktiven mikrobiellen Biofilmen in einem Fed-Batch-Reaktor unter Verwendung eines Drei-Elektroden-Aufbaus, gesteuert durch einen Potentiostaten, wird demonstriert. Der extrazelluläre Elektronentransfer wird mittels zyklischer Voltammetrie in Gegenwart des Elektronendonors und in Abwesenheit des Elektronendonors charakterisiert. Die fundamentale Datenanalyse wird demonstriert.

Aus Abwasser gewonnene elektroaktive mikrobielle Biofilme: Wachstum, Erhaltung und grundlegende Charakterisierung

Hierin die Verfahren für die plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung von Perfluoralkane auf mikroporöse Materialien, wie metallorganischen Gerüst ihrer Stabilität und Hydrophobie zu verbessern, beschrieben. Ferner ist Durchbruch Testen Milligramm-Mengen von Proben im Detail beschrieben.

Herstellung von hydrophoben Metall-organische Gerüste über Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition von Perfluoralkanen für die Beseitigung von Ammoniak

Ein Protokoll zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von lebenden mikrobielle Biofilme unter physiologisch relevanten Bedingungen wird vorgestellt.

Charakterisierung von Elektronentransport durch lebende Biofilme

Ammoniak kann bei niedrigem Druck durch die Verwendung herkömmlicher Katalysator und selektive Absorptionsmittel Ammoniak synthetisiert werden.

Ammoniaksynthese bei niedrigem Druck

Hier präsentieren wir ein Protokoll der gesamten Zelle elektrochemische Experimente, den Beitrag der PROTONENTRANSPORT, die Rate der extrazellulären Elektronentransport über die äußere Membran Zellfarbstoffe Komplex in Shewanella Oneidensis MR-1 zu studieren.

Elektrochemische Detektion von Deuterium kinetische Isotop Effekt auf extrazelluläre Elektronentransport in Shewanella Oneidensis MR-1

Vor-Ort-mikrobielle Bereicherung oder in Situ Anbautechniken können die Isolierung der mikrobiellen Taxa schwierig zu Kultur, vor allem von Low-Biomasse oder geochemisch extreme Umgebungen erleichtern. Hier beschreiben wir eine elektrochemische Einrichtung ohne eine externe Stromquelle, um mikrobielle Belastungen zu bereichern, die extrazelluläre Elektronentransport (EET) geeignet sind.

Selbststehende elektrochemischen Aufbau Anode atmender Bakterien vor Ort zu bereichern

Eine Reihe von Methoden zur Bestimmung der potentiellen DNRA-Rate auf Basis von 14NH4+/15NH4+ Analysen wird detailliert bereitgestellt. NH4+ wird über mehrere Schritte in N2O umgewandelt und mittels Quadrupol-Gaschromatographie–Massenspektrometrie analysiert.

Messung der potenzialimilatorischen Nitratreduktion zu Ammonium basierend auf 14NH4+/15NH4+ Analysen mittels Sequenzielle Umwandlung in N 2O

Wir demonstrieren die Herstellung eines reversen Elektrodialysegeräts unter Verwendung einer Kationenaustauschmembran (CEM) und einer Anionenaustauschmembran (AEM) zur Stromerzeugung.

Ionenaustauschmembranen für die Herstellung von Reverse Electrodialysegeräten

Die NMR-Lösungsstruktur eines Metallochaperon-Modellpeptids mit Cu (I) wurde bestimmt, und ein detailliertes Protokoll von der Probenvorbereitung über die 1D- und 2D-Datenerfassung bis hin zu einer dreidimensionalen Struktur beschrieben.

Struktur- und Koordinationsbestimmung von Peptid-Metall-Komplexen mittels 1D und 2D 1h NMR

Erfahren Sie die elektrochemische und bioelektrochemische Ammoniumgewinnung aus stickstoffreichen Abwässern. Diese Methode ermöglicht Forschern die selektive Rückgewinnung von Nährstoffen mit Ionenaustauschmembranen.

Elektrochemisch und Bioelectrochemically Induzierte Ammonium Erholung

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