Recuperación de amonio electroquímicamente y Bioelectrochemically inducido

El objetivo general del siguiente experimento es investigar la recuperación de nutrientes de corrientes ricas en nitrógeno utilizando un enfoque electroquímico o bioelectroquímico. El primer enfoque se logra haciendo pasar la corriente a través de un sistema electroquímico, que después de la oxidación del agua crea una fuerza impulsora que se puede usar para fundir amonio de carga desde el lado del ánodo a través de una membrana de intercambio iónico hasta el lado del cátodo. Como segundo paso, el alto pH en el lado del cátodo da como resultado la conversión de amonio en amoníaco volátil.

El alto nivel de selectividad de la membrana de intercambio iónico permite la creación de una corriente de hidrógeno amoniacal puro. A continuación, el cáho se hace circular a través de una columna de extracción y absorción con el fin de atrapar el amoníaco en un medio ácido. La extracción electroquímica también puede ser impulsada por procesos bioelectroquímicos, donde el desarrollo de una biopelícula en el ánodo permite la conversión de los compuestos orgánicos presentes en el flujo de desechos en dióxido de carbono, protones y electrones.

Esto, de nuevo, impulsará un flujo de amonio desde el ánodo hasta el cátodo. Los resultados muestran que ambos enfoques pueden recuperar nutrientes de corrientes ricas en nitrógeno, como la orina. El enfoque convencional de desnitrificación y desnitrificación en el tratamiento de aguas residuales toma el amoníaco de las aguas residuales y lo convierte en gas nitrógeno, que regresa a la atmósfera, por lo que perdemos el nitrógeno.

La ventaja de nuestro enfoque es que tomamos el amoníaco y lo recuperamos en una forma limpia para poder hacer algo con él. Podemos reutilizarlo o convertirlo en otro producto. Una segunda ventaja de nuestro enfoque es que utilizamos la electricidad como conductor.

Es esencialmente una fuente de energía limpia y barata, y evita el uso de productos químicos. Los encargados de demostrar el procedimiento serán Sylvia Hilde Bain y Steven Anderson. Ambos estudiantes de doctorado de mi laboratorio antes de comenzar este procedimiento recolectan todo el material necesario para construir el reactor, incluidos los electrodos, los marcos y las gomas.

Después de asegurarse de que la membrana esté pretratada de acuerdo con las instrucciones del fabricante, trate previamente el electrodo de fieltro de carbono sumergiéndolo en dos milimolares de bromuro de acetil trimetilo amonio, o A-C-T-A-B durante tres minutos. A continuación, enjuague el electrodo de fieltro de carbono con agua desmineralizada. A continuación, apile las diferentes partes del reactor en orden según el tipo de reactor.

A continuación, apile las piezas del reactor para la celda electroquímica. Use tuercas y pernos para cerrar el reactor y apriete a mano los pernos en lados opuestos para igualar la presión. Selle los puertos de conexión del reactor con teflón.

Asegúrese de que el puerto esté bien apretado. Coloque el electrodo de referencia en el mismo compartimento que el electrodo de trabajo. A continuación, llene el reactor con agua para comprobar si está libre de fugas.

Si se observan fugas, verifique si los pernos están lo suficientemente apretados o si una de las partes del reactor se movió mientras ensambla el reactor. Si no se detectan fugas, vacíe el agua del reactor. Conecte las bombas de alimentación y recirculación al reactor y la bomba de aire a las unidades de extracción y absorción.

Llene la columna de absorción con 250 mililitros de ácido sulfúrico molar para cubrir los anillos che. Asegúrese de que la corriente de aire mezcle bien el ácido cuando se encienda la bomba. Después de preparar el analito y las soluciones de catalito, enjuague el analito purgándolo con gas nitrógeno durante al menos 30 minutos para eliminar el oxígeno.

Para el inóculo, prepare una mezcla de 30 mililitros de efluencia de biorreactores anaeróbicos activos, incluido un bioánodo. Recoja la mezcla en una jeringa. A continuación, conecte una bolsa de gas llena de nitrógeno a la botella de analito.

Con el fin de mantener la presión estable sin permitir la entrada de oxígeno. Mezcle la fuente de inóculo con el volumen de analito vaciando la jeringa con inóculo en el frasco mediano utilizando una jeringa, llene los compartimentos del ánodo y del cátodo simultáneamente con sus respectivas soluciones. Cuando ambos compartimentos del reactor estén llenos, encienda la bomba de recirculación a una velocidad de recirculación de aproximadamente seis litros por hora.

A continuación, conecte el cable de estado de potencial con tres electrodos utilizando el ánodo como electrodo de trabajo. Encienda la estadística potencial en el modo de cronoaberrometría. Usando el software de estadísticas de potenciales, seleccione un potencial de ánodo fijo de menos 200 milivoltios frente al electrodo de referencia de plata, cloruro de plata para cambiar a alimentación continua.

Conecte la bomba de alimentación para el ánodo y el cátodo en una residencia hidráulica. Tiempo de seis horas para encender la bomba de aire de la tira y la unidad de absorción. A continuación, recircule el aire en un circuito cerrado.

Refresque el medio tres veces por semana con analito y catalito frescos como se describe en el texto. Conecte una bolsa de gas llena de nitrógeno a la botella de alimentación cerrada. Detenga la bomba de alimentación y coloque una abrazadera en la línea de efluentes.

A continuación, cambie las botellas viejas y nuevas. Retire las abrazaderas y reinicie la bomba cada vez que se actualice la alimentación. Extraer muestras líquidas de cinco mililitros del efluente y del efluente del analito y el catalito para medir la conductividad, el contenido de acetato de pH y la concentración de amonio.

Además, retire una muestra de tres mililitros de la columna de absorción para controlar el pH y para el análisis de nitrógeno amoniacal total o bronceado. Cuando el pH se acerque a cuatro, reemplace el absorbente AB con una solución fresca de ácido sulfúrico molar para garantizar una alta eficiencia de absorción. Si la estabilización de la corriente no es causada por limitaciones de acetato, aumente la concentración de amonio en la alimentación y espere la estabilización de la corriente.

Con el fin de evaluar la eficiencia de la extracción para la extracción electroquímica, prepare una corriente de aguas residuales sintéticas como analito de acuerdo con la siguiente tabla. Agregue sulfato de amonio para alcanzar una concentración final de cinco gramos de nitrógeno por litro. Después de este interruptor en la bomba de alimentación para llenar los compartimentos del reactor, reduzca la velocidad de la bomba para obtener un tiempo de residencia hidráulica de seis horas.

Una vez que el reactor esté lleno, como antes, encienda la bomba de recirculación a una velocidad de seis litros por hora. A continuación, retire una muestra de cinco mililitros de la unidad de absorción y tira. Encienda la estadística potencial en el modo de cronometría utilizando el software de estadísticas potenciales.

En primer lugar, aplique una densidad de corriente baja de aproximadamente 0,5 NPI por metro cuadrado durante 24 horas para polarizar la membrana y determinar el flujo de nitrógeno debido solo a la difusión. Cuando el sistema haya estado polarizado durante 24 horas, aplique la densidad de corriente necesaria para el experimento, que generalmente oscila entre 10 amperios por metro cuadrado y 50 amperios por metro cuadrado. Una vez que el reactor haya alcanzado el estado estacionario, tome al menos tres muestras de cinco mililitros durante un período de tiempo del ánodo y el efluente del cátodo, así como de la columna de absorción.

Los resultados del cronoporómetro muestran un gráfico típico para un reactor continuo. El cambio a la operación continua en el día seis resultó en un aumento continuo en la producción de corriente hasta que se alcanzó una meseta de 3,5 amperios por metro cuadrado entre el día 12 y el día 16. La influencia de la temperatura diurna y nocturna en la producción actual es claramente visible.

Por ejemplo, del día 42 al 46, la concentración de amonio en el alimento se incrementó en varios pasos. El aumento de corriente estuvo relacionado con un aumento de la conductividad de la alimentación del ánodo en el que la adición de bicarbonato de amonio aumentó la concentración de iones y, por lo tanto, la conductividad. El voltaje de la celda para el sistema electroquímico es más alto que para el biorreactor.

Esto se debe principalmente al mayor potencial de ánodo requerido para la oxidación electroquímica del agua a oxígeno. El flujo de nitrógeno para el biorreactor es mayor que el sistema electroquímico. Esto puede explicarse por la menor alcalinidad de la alimentación del sistema electroquímico, lo que resulta en un pH analítico más bajo.

Esto dio lugar a una mayor competencia entre el amonio y los protones para restaurar el equilibrio de carga sobre la membrana. Esta técnica ahora allana el camino para que los ingenieros ambientales exploren la recuperación electroquímica biológica y no biológica de especies cargadas a partir de flujos de desechos, como el estado de digestión anaeróbica. Más específicamente aquí, hemos demostrado que un enfoque biológico tiene una entrada de energía más baja, pero puede sufrir de una robustez algo menor y un tiempo de inicio más largo.

Es posible que el enfoque puramente electroquímico solo brinde esa robustez, pero tendrá un costo algo mayor. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo configurar un sistema bioquímico para la recuperación de amonio de las aguas residuales. Debería ser capaz de construir una célula bioquímica robusta y sin fugas, y le quitarían una unidad de absorción para recuperar el amoníaco.