Demostramos la extracción de amonio de una corriente rica en amonio utilizando un sistema electroquímico y otro bioelectroquímico. Se discute la configuración del reactor, la operación y el análisis de datos.
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Artículo de método
Recuperación de amonio electroquímicamente y Bioelectrochemically inducido
En este artículo
Resumen
Resumen
Los arroyos como la orina y el estiércol pueden contener altos niveles de amonio, que podría recuperarse para su reutilización en la agricultura o la química. La extracción de amonio de una corriente rica en amonio se demuestra mediante un sistema electroquímico y un sistema bioelectroquímico. Ambos sistemas están controlados por un potenciostato para fijar la corriente (para la celda electroquímica) o para fijar el potencial del electrodo de trabajo (para la celda bioelectroquímica). En la celda bioelectroquímica, las bacterias electroactivas catalizan la reacción anódica, mientras que en la celda electroquímica el potenciostato aplica un voltaje más alto para producir una corriente. La restauración actual y consecuente del equilibrio de carga a través de la celda permite el transporte de cationes, como el amonio, a través de una membrana de intercambio catiónico desde el anolito hasta el catolito. El alto pH del catolito conduce a la formación de amoníaco, que puede extraerse del medio y capturarse en una solución ácida, lo que permite la recuperación de un nutriente valioso. El flujo de amonio a través de la membrana se caracteriza a diferentes concentraciones y corrientes de amonio anolito para los sistemas de reactores abióticos y bióticos. Ambos sistemas se comparan en función de la eficiencia actual y de eliminación del amonio, así como de la entrada de energía necesaria para impulsar la transferencia de amonio a través de la membrana de intercambio catiónico. Finalmente, se realiza un análisis comparativo considerando aspectos clave como la confiabilidad, el costo del electrodo y la tasa.
Este videoartículo y protocolo proporcionan la información necesaria para realizar experimentos electroquímicos y bioelectroquímicos de recuperación de amoníaco. Se explica la configuración del reactor para los dos casos, así como el funcionamiento del reactor. Profundizamos en el análisis de datos para ambos tipos de reactores y en las ventajas y desventajas de los sistemas bioelectroquímicos y electroquímicos.
Introducción
La recuperación de productos valiosos a partir de aguas residuales gana importancia como recursos valiosos vuelven escasos y tratamiento sin recuperación representa sólo un costo. Las aguas residuales contienen tanto la energía y los nutrientes que se pueden recuperar, y la recuperación de nutrientes puede ayudar a cerrar el ciclo de producción 1. La recuperación de energía a través de la digestión anaerobia es un proceso bien establecido, mientras que la recuperación de nutrientes es menos común. La recuperación de los nutrientes de los flujos de residuos líquidos tales como orina y estiércol ha sido ampliamente investigado, por ejemplo, a través de la producción de estruvita y despojo directo de 2,3 amoníaco. Sin embargo, la necesidad de la adición de productos químicos es una desventaja de estos procedimientos 4. Aquí presentamos una técnica para la recuperación de nutrientes catiónicos de los flujos de residuos, incluyendo potasio y amonio. La forma catiónica de estos nutrientes permite la recuperación usando una membrana selectiva de iones en un sistema electroquímico. En este caso, el electrochemical sistema consta de una cámara de ánodo (donde tiene lugar la oxidación), una cámara de cátodo (donde la reducción se lleva a cabo) y una membrana selectiva de iones para separar los compartimentos. Se aplica un voltaje a través de la célula para producir un flujo de corriente del ánodo al cátodo. Esta tensión puede ser generada por una fuente de alimentación externa para conducir la oxidación del agua y las reacciones de reducción. Alternativamente, la oxidación anódica, por ejemplo, de compuestos orgánicos, puede ser catalizada por bacterias electroactivos, que requieren menos energía. Para cerrar el circuito y mantener el equilibrio de carga, una especie cargada deben migrar entre los electrodos por cada electrón generado. Transporte de amonio de la cámara anódica a la cámara de cátodo a través de una membrana de intercambio catiónico (CEM) puede compensar así el flujo de electrones de 4,5.
La técnica que aquí se presenta no sólo elimina de amonio de los flujos de residuos, sino que también permite su recuperación. Existe nitrógeno amoniacal total (TAN) en equilibrio de ambos ammonio (NH 4 +) y amoníaco (NH 3), y es dependiente de pH y de la temperatura 6. NH 4 + es abundante debido a la alta concentración de TAN y cerca de pH neutro en la cámara de ánodo y esta especie con carga positiva, por lo tanto puede ser impulsado por la corriente a través de la CEM en la cámara catódica. La corriente impulsa la reducción de agua en el cátodo, lo que lleva a la producción de iones de hidróxido y el gas hidrógeno. El equilibrio TAN desplaza a casi el 100% de NH 3 debido a la alta pH en la cámara de cátodo (> 10,0). NH 3 es un gas que se puede transferir fácilmente a través de la circulación de aire de la unidad de separación de la columna de absorción donde queda atrapado y se concentró en una solución ácida.
Esta tecnología tiene el potencial de disminuir la toxicidad de amonio durante la digestión anaerobia de los flujos rico en N como el estiércol, aumentando así la recuperación de energía a partir de estos flujos de residuos, mientras que simultáneamentenutrientes se recuperan 4. Extracción electroquímica y bioelectrochemical de amonio también puede ser aplicado como técnica de recuperación de nutrientes en las corrientes de desechos con un alto contenido de TAN tal como la orina evitando de este modo los costes para la eliminación de nutrientes en una PTAR 7.
El protocolo que se presenta aquí puede servir como una base para muchos diferentes experimentos electroquímicos y bioelectrochemical, como se utiliza un reactor modular. Diferentes tipos de electrodos, membranas y grosores de bastidor se pueden combinar como se explica en el protocolo a continuación. El objetivo principal del protocolo es proporcionar un medio para la comparación de la recuperación de amonio electroquímica y la recuperación de amonio-bio electroquímica usando una célula de electrólisis. Los sistemas se evalúan en términos de eficiencia de la extracción, la entrada de energía y la reproducibilidad.
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Protocolo
1. Montaje del Reactor y Conexión de las unidades que pela y Absorción
- Recoger todo el material necesario para construir el reactor: electrodos, marcos y cauchos (Ver Lista de Materiales). Corte con cuidado todas las partes a las mismas dimensiones para evitar fugas durante el montaje del reactor.
- Haga agujeros en los compartimentos de reactores para adaptarse a un macho a conector macho. Perforar un agujero adicional en el centro del lado de uno de los compartimentos de reactor para encajar el electrodo de referencia.
- Preparar un stock de 1 MH 2 SO 4 para la columna de absorción. Aumentar esta concentración según sea necesario para acomodar cargas más altas de amoníaco.
- Asegúrese de que la membrana se trata previamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Trate previamente el fieltro de carbono electrodo al sumergirlo en mM CTAB 2 (detergente) durante 3 min. Enjuague fieltro de carbono con agua desmineralizada 8. El ánodo estable para experimentos electroquímicos no requiere una pretreatment.
- Pila de las diferentes partes del reactor con el fin de acuerdo con el tipo de reactor. Para el biorreactor: placa terminal plexiglás, caucho, colector de corriente de acero inoxidable, grafito pretratados sentía, plexiglás compartimiento del reactor, el caucho, la membrana de intercambio catiónico, caucho, material separador, electrodo de malla de acero inoxidable, caucho, compartimiento del reactor plexiglás, caucho, plexiglás placa terminal
- Pila de las partes de los reactores de la celda electroquímica de la siguiente manera: placa terminal plexiglás, caucho, Irox ánodo a través de la placa terminal, compartimiento del reactor plexiglás, caucho, espaciador, el caucho, la membrana de intercambio catiónico, caucho, material separador, electrodo de malla de acero inoxidable, caucho, reactor de plexiglás compartimiento, caucho, plexiglás placa terminal.
- Utilice teflón para sellar los puertos de conexión del reactor. Coloque el electrodo de referencia en el mismo compartimiento que el electrodo de trabajo: el ánodo en el caso de una célula bioelectrochemical, el cátodo o ánodo en el caso de una celda electroquímica.
- Utilice tuercas ypernos para cerrar el reactor. Apretar los pernos en los lados opuestos para igualar la presión. No utilice herramientas para cerrar el reactor como el dedo apretado es suficiente para garantizar un reactor completamente sellado.
- Llene el reactor con agua para comprobar si el reactor está libre de fugas. Si aparecen fugas, compruebe si los tornillos se aprietan lo suficiente o si una de las partes del reactor se trasladaron al montar el reactor. Si no se detectan fugas, vacíe el agua del reactor.
- Añadir anillos Raschig tanto en la columna de la tira y de absorción para llenar las columnas hasta la mitad.
- Calibre la velocidad de flujo de todas las bombas. Conectar las bombas de alimentación y recirculación al reactor y la bomba de aire a las unidades de arrastre y de absorción (Figura 1). Minimizar la longitud del tubo tanto como sea posible.
- Llenar la columna de absorción con 250 ml de 1 MH 2 SO 4, se debe cubrir los anillos Raschig. Asegúrese de que la corriente de aire se mezcla el ácido bien cuando la bomba está encendida. Aumentar o disminuir el volumen de ácido basado en la extracción capacidad de diseño de la columna y la bomba de aire.
Figura 1. Reactor de configuración para el sistema de bioelectrochemical Activación de la extracción de amonio. El sistema presentado aquí opera en modo continuo. Las líneas continuas representan flujo de líquido, líneas de puntos representan flujo de gas. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Reactor de configuración para el sistema de bioelectrochemical Activación de la extracción de amonio. El sistema presentado aquí opera en modo continuo. Las líneas continuas representan flujo de líquido, líneas de puntos representan flujo de gas.ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Diseño de los marcos de reactores de metacrilato. Cada reactor se compone de dos reactores de placa terminal y 2 compartimentos del reactor. Todas las partes tienen un espesor de 2 cm. Los detalles relativos al tamaño de otros materiales se pueden encontrar en la Lista de Materiales. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. Bioanode Extracción Conducido
- Preparación de los medios de comunicación.
- Preparar anolito para el biorreactor como se describe en la Tabla 1 9. Aumenta la concentración de amonio en el medio para imitar una corriente residual rica en nitrógeno.
- Para almacenar el medium antes del uso, esterilizar en autoclave el medio para asegurar la fuente de carbono no se agota a través de la contaminación. Preparar vitaminas y oligoelementos de acuerdo con la Tabla 1 y añadir después de la esterilización en autoclave y enfriar el medio.
- Vaciar el medio de purgando con gas nitrógeno durante al menos 30 min para eliminar el oxígeno. Para ello, inserte un tubo o aguja en el medio y encienda la corriente de gas nitrógeno.
- Preparar una solución conductora como catolito. En este caso, utilice NaCl 0,1 M para permitir la producción de sosa cáustica.
| Componente | Cantidad | ||
| Na 2 HPO 4 | 6 g / L | ||
| KH 2 PO 4 | 3 g / L | ||
| NaCl | 0,5 g / L | ||
| NH 4 Cl | 0,5 g / L | ||
| MgSO4 · 7H 2 O | 0,1 g / L | ||
| CaCl 2 · 2H 2 O solución (14,6 g / L) | 1 ml | ||
| Acetato de Sodio | 2 g / L (para la puesta en marcha) | ||
| Elementos Traza | 1 ml | ||
| Solución de vitaminas | 1 ml | ||
| Elementos Traza (1.000 x) | g / L | Vitaminas (1.000 x) | g / L |
| CoCl 2 | 0.1 | biotina | 0,004 |
| Na 2 MoO4 2H 2 O | 0.01 | ácido fólico | 0.004 |
| H 3 BO 3 | 0.01 | clorhidrato de piridoxina | 0.02 |
| Mg 2 Cl 2 .6H 2 O | 3 | riboflavina | 0.01 |
| ZnCl2 | 0.1 | clorhidrato de tiamina | 0.01 |
| CaCl 2 • 2H 2 O | 0.1 | ácido nicotínico | 0.01 |
| NaCl | 1 | Pantotenato de calcio DL- | 0.01 |
| ácido nitrilotriacético | 1.5 | Vit B12 | 0.0002 |
| AlCl3 .6H 2 O | 0.01 | ácido -aminobenzoico p | 0.01 |
| CuCl 2 | 0.01 | lipoico (tióctico) | 0.01 |
| FeCl2 | 0.1 | myo -inositol | 0.01 |
| MnCl2 2H 2 O | 0.5 | cloruro de colina | 0.01 |
| Ajustar a pH 6,5 usando KOH | niacinamida | 0.01 | |
| hidrocloruro de piridoxal | 0.01 | ||
| ascorbato de sodio | 0.01 |
Tabla 1. Composición Anolyte para la extracción de amonio bio-ánodo impulsado.
- La inoculación del biorreactor
NOTA: Trabajando en condiciones estériles no es necesario para este biorreactor, como un inóculo cultivo mixto se utiliza y las condiciones del reactor seleccionará para los organismos electroactivos específicos.- Preparar el inóculo. Para este biorreactor, preparar una mezcla de 30 ml de efluentes del biorreactores anaerobios activos incluyendo un fermentador, Un bioanode, un digestor anaeróbico y / o aguas residuales crudas. Recoger la mezcla en una jeringa.
- Conectar una bolsa de gas lleno de N 2 a la botella anolito con el fin de mantener la presión estable mientras que no permite que el oxígeno entre. Mezclar la fuente de inóculo con un volumen de anolito (aquí, 100 ml de anolito de 30 ml de fuente de inóculo) por el vaciado de la jeringa con inóculo en la botella medio. Asegúrese de obtener el volumen necesario para llenar el compartimiento del ánodo.
- Usando una jeringa, llenar el compartimiento del ánodo y el cátodo de forma simultánea con sus respectivas soluciones. Conectar una bolsa de gas lleno de N 2 a la botella de anolito de modo que la solución de anolito se puede eliminar a través de un puerto de muestreo sin introducir oxígeno. Cierre la puerta de muestra con un toque entre las transferencias.
NOTA: Realice este paso junto con un colega para asegurar que los dos compartimentos del reactor se llenan simultáneamente. - Cuando se llenan los dos compartimentos del reactor, encienda elbomba de recirculación a una velocidad de recirculación de aproximadamente 6 L / hr.
- Conectar el cable de potenciostato con los tres electrodos, usando el ánodo como electrodo de trabajo. Coloque el electrodo de referencia en el compartimiento anódico.
- Encienda el potenciostato en modo cronoamperometría utilizando el software potenciostato. Seleccionar un potencial del ánodo fijo de -200 mV frente a Ag / AgCl.
- El funcionamiento de un reactor continuo para la extracción de amonio
NOTA: Como se desarrolla la biopelícula, la corriente se produce con el consumo de etilo. Como consecuencia del agotamiento de etilo, la corriente caerá (véase la sección Resultados, Figura 3).- Para cambiar a la alimentación continua, encender la bomba de alimentación para el ánodo y el cátodo. La velocidad de la bomba determinará el tiempo de residencia hidráulico (HRT). Aquí, operar el reactor a una HRT de 6 hr.
- Encienda la bomba de aire de la unidad tira y absorción. Recircular el aire en un bucle cerrado, o circular en unalazo abierto utilizando el aire ambiente. Configuración de flujo de aire puede afectar la eficiencia de absorción.
- Actualizar el medio tres veces por semana. Preparar anolito y el catolito fresco como se describe en los pasos 2.1.1-2.1.4.
- Después de estos pasos, coloque una bolsa de gas lleno de N 2 a la botella de alimentación cerrada, detener la bomba de alimentación, ponga una pinza en la línea influente, cambiar las viejas y nuevas botellas y finalmente eliminar las abrazaderas y reinicie la bomba.
- Cada vez que la alimentación se actualiza, tomar muestras de 5 ml de líquido del efluente y afluente del anolito y el catolito para la medición de la conductividad, pH, contenido de acetato de amonio y la concentración.
- Al cambiar la alimentación, también tomar una muestra de 3 ml de la columna de absorción para controlar el pH y para el análisis de TAN. Cuando el pH se aproxima a 4, sustituir el absorbente con una solución de ácido sulfúrico 1 M fresco para asegurar una alta eficiencia de absorción.
- Como la corriente aumentará primero y luego llegar a una meseta, medir el astate contenido en el influente y el efluente anolito para asegurar que este no es causado por la limitación de carbono: concentraciones de acetato en el efluente anolito por debajo de 100 mg / L indican limitación de carbono. Aumentar la concentración de acetato en la alimentación en ese caso (Tabla 2).
- Si la estabilización de la corriente no es causada por limitaciones de acetato, aumentar gradualmente la concentración de amonio en la alimentación, y esperar para la estabilización de la corriente a fin de evaluar la eficiencia de extracción (Tabla 3).
NOTA: A medida que aumenta la concentración de amonio, la toxicidad del amoníaco y de alta conductividad desafiarán el biofilm y la corriente finalmente caerán como consecuencia.
| Tiempo | Cantidad de acetato de sodio añadido a la alimentación del ánodo (g / L) |
| Día 0 - Día 35 | 2 |
| Día 35 - Día 37 | 3 |
| Día 37 - Día 51 | 4 |
| Día 51 - Día 61 | 5 |
Tabla 2. Concentración de acetato de sodio en el anolito para la extracción de amonio bioanode impulsado.
| Tiempo | Cantidad de NH 4 HCO 3 añade a la alimentación del ánodo (g / L) | Fase |
| Día 0 - Día 16 | 2.26 | YO |
| Día 16 - Día 26 | 4.5 | II |
| Día 26 - Día 33 | 9 | III |
| Día 33 - Día 40 | 14.1 | IV |
| Día 40 - Día 47 | 20 | V |
| Día 47 - Día 54 | 25.4 | VI |
| Día 54 - Día 63 | 31 | VII |
Tabla 3. Concentración de amonio en el anolito para la extracción de amonio bioanode impulsado. Las fases se indican en el gráfico de densidad de corriente (Figura 2).
3. Extracción electroquímica
- Preparación de los medios de comunicación
- Preparar una corriente de agua residual sintética como anolito acuerdo con la Tabla 4 4. Añadir sulfato de amonio para alcanzar una concentración final de 1, 3, o 5 g N / L.
- Preparar una solución de NaCl 0,1 M para el catolito.
| Componente | Cantidad |
| Na 2 HPO 4 • 2H 2 O | 1,03 g / L |
| KH 2 PO 4 | 0,58 g / L |
| MgSO4 · 7H 2 O | 0,1 g / L |
| CaCl 2 • 2H 2 O | 0,02 g / L |
| (NH 4) 2 SO 4 | dependiendo del experimento, para obtener 1/3/5 g N / L concentración final |
Tabla 4. Composición Anolyte para la extracción de amonio electroquímica 4.
- El funcionamiento de un reactor continuo para la extracción de amonio
- Encienda la bomba de alimentación para llenar los compartimientos del reactor. Para acelerar el proceso de aumentar temporalmente la velocidad de la bomba.
- Reduzca la velocidad de la bomba para obtener un TRH de 6 horas una vez que se llena el reactor. Encienda la bomba de recirculación, a razón de 6 l / h. Tomar una muestra del afluente (5 ml).
NOTA: Mida el caudal periódicamente durante todo el experimentopara asegurarse de que no varía. - Arranque la unidad tira y absorción. La operación de esta unidad es la misma que para el biorreactor.
- Encienda el potenciostato en modo cronopotenciometría utilizando el software potenciostato. En primer lugar aplicar una densidad de corriente baja de aproximadamente 0,5 A / m² para polarizar la membrana y para determinar un flujo de nitrógeno debido a la difusión solo.
- Cuando el sistema se ha polarizado durante 24 horas, aplicar la densidad de corriente necesaria para el experimento. Prueba de diferentes densidades de corriente, por lo general van desde 10 A / m² a 50 A / m². Tomar muestras de los efluentes del ánodo y del cátodo, y la columna de absorción antes de aumentar la densidad de corriente.
NOTA: Después de 3 ciclos de HRT, el reactor debe acercarse estado estacionario. - Una vez que el reactor ha alcanzado el estado estacionario, tomar por lo menos 3 muestras durante un transcurso de tiempo. Tomar muestras de los efluentes del ánodo y del cátodo, y la columna de absorción (5 ml cada uno). Anote el volumen de muestreo, fecha y hora.
- Dependiendo de la estabilidad de la influente ánodo, tomar una nueva muestra influente ánodo si es necesario. Esto es necesario cuando se utiliza aguas residuales real.
- Cambiar las condiciones de prueba, como la densidad de corriente aplicada y la concentración TAN. Después de cada cambio, dejó que el reactor se estabilice durante al menos 3 TRH antes de tomar muestras.
- Cuando el pH de la columna de absorción se aproxima a 4, reemplazar el absorbente con solución fresca de ácido sulfúrico 1 M.
Análisis 4. Muestra
- Medir el pH y la conductividad de las muestras el mismo día de muestreo para reducir las imprecisiones debidas a la pérdida de amoníaco volátil. Medir el pH y la conductividad utilizando sondas de conductividad y pH calibrados adecuadamente.
- Si la muestra no se midió inmediatamente, almacenar las muestras para el análisis de TAN (dos reactores) y análisis de ácidos grasos (biorreactor) a 4 ° C. Filtrar las muestras del efluente de ánodo biorreactor y influente a través de 0,45 micras filtros para remover la biomasa y ayudar a preservar los ácidos grasos. Rellene todos los tubos de muestra a la llanta para minimizar la pérdida de NH 3.
- Mida nitrógeno como TAN por el método de destilación de vapor estándar o cualquier otro método fiable para medir TAN 10.
- Mida ácidos grasos como el acetato por cualquier método fiable, tales como cromatografía de iones o cromatografía de gases 11.
5. Análisis y cálculos de datos
- Exportar el archivo de datos potenciostato desde el software e importarlo a un programa de hoja de cálculo. Calcular los promedios por hora para las variables electroquímicas para disminuir el número de puntos de datos y suavizar las curvas al trazar ellos.
- Recoge todos los datos medidos (pH, amonio, VFA) en un archivo de datos para los cálculos. Los cálculos se discuten en la sección de resultados.
- Calcular la producción actual por el biorreactor. Esto está mejor representado como densidad de corriente, que se calcula de la siguiente (Ecuación 1,12):
Ecuación 1
con j como la densidad de corriente, I la corriente absoluta, y una zona de la superficie de la proyección del electrodo. En cierto tipo de software que es posible tener esta calculado automáticamente por entrar en el área de la superficie del ánodo antes del inicio del experimento. - Calcular los parámetros relacionados con la extracción de amonio
- Calcular el flujo de nitrógeno. Normalizar flujo de nitrógeno (N g / m² / d) a la zona de superficie de la membrana a continuación, expresada como una densidad de corriente (I N). Utilice este valor para calcular el CE (Ecuación 2, 3, y 4):
Ecuación 2
donde C An, en (g N / l) y C An, a (g N / l) son las concentraciones de amonio medidos entraba y salía del compartimiento del ánodo,respectivamente. Q (L / d) es la tasa de flujo de ánodo y A (m 2) es el área de superficie de la membrana (igual al ánodo proyectada y el área de superficie del cátodo). - Presentar el flujo de nitrógeno como la densidad de corriente (I N, A / m²):
Ecuación 3
donde z NH4 + (-) es la carga de NH 4 +, F la constante de Faraday (96485 C / mol) y M el peso molecular del nitrógeno (14 g / mol). - Calcular la eficiencia de corriente (CE,%) como:
Ecuación 4
donde Aplicada (A / m²) es la aplicada (extracción electroquímica) o medido (extracción bioelectrochemical) densidad de corriente. - Calcular el flujo de nitrógeno teórico. Calcular el nitrógeno máximo teóricoflujo (J N, Max, g N / m² / d) para un determinado aplica superficie actual y la membrana (Ecuación 5) como:
Ecuación 5 - Calcular la eficiencia de remoción de nitrógeno (RE,%). Se refieren al porcentaje de amonio que se retira de la anolito como la eficiencia de eliminación. Calcular del influente ánodo y concentraciones TAN efluentes (Ecuación 6).
Ecuación 6 - Calcular la eficiencia de eliminación de nitrógeno teórico máximo (max RE,%) para una carga dada y TAN influente corriente aplicada (Ecuación 7):
Ecuación 7
donde J N, aplicada (g N m -2 d - 1) es la densidad de corriente aplicada expresada como un flujo de nitrógeno.
- Calcular el flujo de nitrógeno. Normalizar flujo de nitrógeno (N g / m² / d) a la zona de superficie de la membrana a continuación, expresada como una densidad de corriente (I N). Utilice este valor para calcular el CE (Ecuación 2, 3, y 4):
- Calcular la relación gas / líquido como (Ecuación 8):
Ecuación 8 - Calcular la capacidad máxima de la columna de absorción. Calcular la carga máxima teórica N a la columna de absorción en el flujo máximo teórico de nitrógeno J Nmax, la concentración de TAN en el afluente (mol / L), el tiempo de operación t, el área de superficie de la membrana A, y el volumen de absorbente V ( Ecuación 9):
Ecuación 9 - Calcular la eficiencia de extracción SE (%) (Ecuación 10):
60; Ecuación 10 - Calcular la energía de entrada para la extracción de amonio a través de la membrana de intercambio catiónico (E N, expresado como kWh / kg N) (Ecuación 11):
Ecuación 11
Con? V la diferencia de potencial medido entre el ánodo y el cátodo. En el caso del biorreactor,? V se calculó como la media del período de muestreo, para el reactor electroquímico se toma el promedio de toda la carrera.
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Resultados
Cronoamperometría resulta de la biorreactor
Los resultados cronoamperometría, calculado según la Ecuación 1, muestran una gráfica típica para un reactor continuo (Figura 4). Al comienzo del experimento, el ánodo y el cátodo fueron operados en el modo de recirculación. Esto permite que un biofilm para desarrollar y el inicio de la producción actual. Después de 5 días de operación, la densidad de corriente alcanzó un máximo, seguido por una disminución en la p...
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Discusión
Este manuscrito ofrece las herramientas necesarias para configurar un bioelectrochemical y una célula electroquímica para la recuperación de amonio. Los cálculos presentados en la sección de resultados proporcionan los parámetros para la evaluación del rendimiento del sistema. Los sistemas biológicos y electroquímicas son similares en configuración y función. La principal diferencia entre los dos sistemas es la elección de una corriente fija de la célula electroquímica frente a un potencial del ánodo fijo para la config...
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por la beca BOF para SG de la Universidad de Gante. AL cuenta con el apoyo de la Universidad de Rutgers NSF Fuels-IGERT. SA cuenta con el apoyo del proyecto "ProEthanol 2G" del Programa Marco 7 de la Unión Europea. SA y KR cuentan con el apoyo de la Asociación de Investigación Multidisciplinaria (MRP) de la Universidad de Gante: Biotecnología para una economía sostenible (01 MRA 510W). JD cuenta con el apoyo de una subvención IOF Advanced (F2012/IOF-Advanced/094). KR cuenta con el apoyo de la subvención ERC Starter Grant "Electrotalk". Los autores agradecen a Tim Lacoere por diseñar la figura artística TOC, a Robin Declerck por construir la tira y las columnas de absorción y a Kun Guo por proporcionar la fuente de inóculo.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Fieltro de carbono de 3,18 mm de espesor | Alfa Aesar | ALFA43199 | utilizado como bioánodo, 110 mm x 110 Electrodo |
| de Ti mm recubierto con Ir MMO | Ánodos especiales Magneto (Países Bajos) | Utilizado como ánodo estable para pruebas electroquímicas | |
| Malla de acero inoxidable | Solana (Bélgica) | RVS 554/64: material AISI 316L, ancho de malla: 564 micras, espesor del alambre: 140 micras, número de malla: 36,6 | Utilizado como cátodo, 110 mm x 110 mm |
| Placa de acero inoxidable | Solana (Bélgica) | chapa de acero inoxidable 304, espesor: 0,5 mm | Utilizado como colector de corriente para el electrodo de referencia |
| Bio-Logic (Francia) | A-012167 RE-1B | ||
| Potenciostato (VSP Multipotenciostat) | Bio-Logic (Francia) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (Francia) | software para realizar mediciones electroquímicas | |
| Membrana de intercambio catiónico | Membranes International (EE. UU.) | Ultrex CMI-7000 | Pretratado según las instrucciones del fabricante |
| Malla promotora de turbulencia | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Dinamarca) | EPC20432-PP-2 | material espaciador, 110 mm x 110 mm |
| Conectores | Serto | 1.281.161.120 | Otros tamaños posibles, dependiendo del tipo de tubo y del tamaño de los orificios en los marcos |
| Tira y columna | Diseño propio | ||
| Tubo | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Bolsa de gas | Keika Ventures | Bolsa de gas Kynar con válvula Roberts | |
| Anillos Rashig Glasatelier | Saillart ( Bélgica) | Anillos Raschig 4 x 4 mm | Coloque dentro de la tira y la columna de absorción para mejorar el contacto aire/líquido. Disponible con muchos proveedores |
| Lámina | Cortado a medida en los marcos de metacrilato | ||
| Marcos de reactores de metacrilato | Vlaeminck, Beernem | Diseño interno, consulte la pestaña "marcos de reactores" en este archivo |
Referencias
- 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).
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