Récupération d'ammonium électrochimique et Bioelectrochemically induite

L’objectif général de l’expérience suivante est d’étudier la récupération des nutriments à partir de flux riches en azote en utilisant une approche électrochimique ou bioélectrochimique. La première approche est réalisée en faisant passer le flux à travers un système électrochimique, qui, après oxydation de l’eau, crée une force motrice qui peut être utilisée pour charger l’ammonium du côté de l’anode à travers une membrane échangeuse d’ions vers le côté de la cathode. Dans un deuxième temps, le pH élevé du côté de la cathode entraîne la conversion de l’ammonium en ammoniac volatil.

Le haut niveau de sélectivité de la membrane échangeuse d’ions permet de créer un flux d’hydrogène ammoniacal pur. Ensuite, le catho circule à travers une colonne de stripping et d’absorption afin de piéger l’ammoniac dans un milieu acide. L’extraction électrochimique peut également être entraînée par des processus bioélectrochimiques, où le développement d’un biofilm sur l’anode permet la conversion des matières organiques présentes dans le flux de déchets en dioxyde de carbone, en protons et en électrons.

Cela entraînera, encore une fois, un flux d’ammonium de l’anode à la cathode. Les résultats montrent que les deux approches peuvent récupérer des nutriments à partir de flux riches en azote tels que l’urine. L’approche conventionnelle de dénitrification et de dénitrification pour le traitement des eaux usées prend l’ammoniac des eaux usées et le transforme en azote gazeux, qui retourne dans l’atmosphère, de sorte que nous perdons l’azote.

L’avantage de notre approche est que nous prenons l’ammoniac et que nous le récupérons sous une forme propre afin de pouvoir en faire quelque chose. Nous pouvons le réutiliser ou le convertir en un autre produit. Un deuxième avantage de notre approche est que nous utilisons l’électricité comme moteur.

Il s’agit essentiellement d’une source d’énergie propre et bon marché, qui évite l’utilisation de produits chimiques. Sylvia Hilde Bain et Steven Anderson feront la démonstration de la procédure. Les deux doctorants de mon laboratoire avant de commencer cette procédure collectent tous les matériaux nécessaires à la construction du réacteur, y compris les électrodes, les cadres et les caoutchoucs.

Après s’être assuré que la membrane est prétraitée conformément aux instructions du fabricant, prétraitez l’électrode en feutre de carbone en la trempant dans deux millimolaires de bromure d’acétyltriméthylammonium, ou A-C-T-A-B pendant trois minutes. Rincez ensuite l’électrode en feutre de carbone avec de l’eau déminéralisée. Ensuite, empilez les différentes pièces du réacteur dans l’ordre en fonction du type de réacteur.

Empilez ensuite les pièces du réacteur pour la cellule électrochimique. Utilisez des écrous et des boulons pour fermer le réacteur et serrez à la main les boulons des côtés opposés pour égaliser la pression. Scellez les orifices de connexion du réacteur à l’aide de téflon.

Assurez-vous que le port est correctement serré. Placez l’électrode de référence dans le même compartiment que l’électrode de travail. Ensuite, remplissez le réacteur d’eau pour tester s’il est exempt de fuites.

Si des fuites sont observées, vérifiez si les boulons sont suffisamment serrés ou si l’une des pièces du réacteur a bougé lors de l’assemblage du réacteur. Si aucune fuite n’est détectée, videz l’eau du réacteur. Raccordez les pompes d’alimentation et de recirculation au réacteur et la pompe à air aux unités de stripping et d’absorption.

Remplissez la colonne d’absorption avec 250 millilitres d’acide sulfurique molaire pour couvrir les cercles. Assurez-vous que l’Airstream mélange bien l’acide lorsque la pompe est mise en marche. Après avoir préparé les solutions d’analyte et de catalyte, rincez l’analyte en le purgeant avec de l’azote gazeux pendant au moins 30 minutes pour éliminer l’oxygène.

Pour l’inoculum, préparez un mélange de 30 millilitres d’effluence provenant de bioréacteurs anaérobies actifs, y compris une anode biologique. Recueillir le mélange dans une seringue. Ensuite, connectez un sac de gaz rempli d’azote à la bouteille d’analyte.

Afin de maintenir la pression stable tout en ne permettant pas à l’oxygène d’entrer. Mélangez la source d’inoculum avec le volume d’analyte en vidant la seringue avec l’inoculum dans le flacon de milieu à l’aide d’une seringue qui remplit simultanément les compartiments de l’anode et de la cathode avec leurs solutions respectives. Lorsque les deux compartiments du réacteur sont remplis, mettez la pompe de recirculation en marche à un taux de recirculation d’environ six litres par heure.

Ensuite, connectez le câble de stat de potentiel avec trois électrodes en utilisant l’anode comme électrode de travail. Activez la statistique potentielle en mode chrono aberrométrie. À l’aide du logiciel de statistiques de potentiels, sélectionnez un potentiel d’anode fixe de moins 200 millivolts par rapport à l’électrode de référence en argent et chlorure d’argent pour passer à l’alimentation continue.

Allumez la pompe d’alimentation de l’anode et de la cathode au niveau d’une résidence hydraulique. Temps de six heures allumer la pompe à air de la bande et de l’unité d’absorption. Ensuite, faites recirculer l’air en boucle fermée.

Rafraîchissez le milieu trois fois par semaine avec de l’analyte frais et du catalyte comme décrit dans le texte. Fixez un sac de gaz rempli d’azote au biberon d’alimentation fermé. Arrêtez la pompe d’alimentation et placez une pince sur la conduite d’effluent.

Ensuite, remplacez l’ancienne et la nouvelle bouteille. Retirez les pinces et redémarrez la pompe chaque fois que l’alimentation est rafraîchie. Prélever des échantillons liquides de cinq millilitres de l’effluent et de l’effluent de l’analyte et du catalyte pour mesurer la conductivité, la teneur en acétate de pH et la concentration d’ammonium.

De plus, prélever un échantillon de trois millilitres de la colonne d’absorption pour surveiller le pH et pour l’analyse de l’azote ou du bronzage d’ammonium total. Lorsque le pH approche de quatre, remplacez l’absorbant AB par une solution fraîche d’acide sulfurique molaire pour assurer une efficacité d’absorption élevée. Si la stabilisation du courant n’est pas causée par des limitations d’acétate, augmentez la concentration d’ammonium dans l’alimentation et attendez la stabilisation du courant.

Afin d’évaluer l’efficacité de l’extraction électrochimique, préparez un flux d’eaux usées synthétiques sous forme d’analyte conformément au tableau suivant. Ajoutez du sulfate d’ammonium pour atteindre une concentration finale de cinq grammes d’azote par litre. Suite à cet interrupteur sur la pompe d’alimentation pour remplir les compartiments du réacteur, réduisez la vitesse de la pompe pour obtenir un temps de séjour hydraulique de six heures.

Une fois le réacteur rempli, comme précédemment, allumez la pompe de recirculation à un débit de six litres par heure. Ensuite, prélevez un échantillon de cinq millilitres de l’in fluent après avoir démarré la bandelette et l’unité d’absorption. Activez la statistique potentielle en mode chronométrie à l’aide du logiciel de statistiques potentielles.

Tout d’abord, appliquez une faible densité de courant d’environ 0,5 NPI par mètre carré pendant 24 heures pour polariser la membrane et déterminer le flux d’azote dû à la diffusion seule. Lorsque le système a été polarisé pendant 24 heures, appliquez la densité de courant nécessaire à l’expérience, allant généralement de 10 ampères par mètre carré à 50 ampères par mètre carré. Une fois que le réacteur a atteint l’état d’équilibre, prélever au moins trois échantillons de cinq millilitres au cours d’une période donnée à partir de l’effluence de l’anode et de la cathode ainsi que de la colonne d’absorption.

Les résultats du chronoporomètre montrent un graphique typique pour un réacteur continu. Le passage à un fonctionnement continu le sixième jour a entraîné une augmentation continue de la production actuelle jusqu’à ce qu’un plateau soit atteint à 3,5 ampères par mètre carré entre le 12e et le 16e jour. L’influence de la température diurne et nocturne sur la production actuelle est clairement visible.

Par exemple, du 42e au 46e jour, la concentration d’ammonium dans l’alimentation a été augmentée en plusieurs étapes. L’augmentation du courant était liée à une augmentation de la conductivité de l’alimentation de l’anode, dans laquelle l’ajout de bicarbonate d’ammonium augmentait la concentration ionique et donc la conductivité. La tension de la cellule du système électrochimique est supérieure à celle du bioréacteur.

Cela est principalement dû au potentiel d’anode plus élevé requis pour l’oxydation électrochimique de l’eau en oxygène. Le flux d’azote pour le bioréacteur est plus élevé que celui du système électrochimique. Cela peut s’expliquer par la plus faible alcalinité de l’alimentation du système électrochimique, ce qui entraîne un pH d’analyse h plus bas.

Cela a entraîné une concurrence plus élevée entre l’ammonium et les protons pour rétablir l’équilibre de charge sur la membrane. Cette technique ouvre maintenant la voie aux ingénieurs de l’environnement pour explorer la récupération électrochimique biologique et non biologique d’espèces chargées à partir de flux de déchets tels que l’état de digestion anaérobie. Plus précisément, nous avons montré ici qu’une approche biologique a un apport d’énergie plus faible, mais peut souffrir d’une robustesse un peu plus faible et d’un temps de démarrage plus long.

L’approche purement électrochimique peut simplement offrir cette robustesse, mais elle aura un coût un peu plus élevé. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la mise en place d’un système biochimique pour la récupération de l’ammonium à partir des eaux usées. Vous devriez être en mesure de construire une cellule biochimique robuste et sans fuite, et ils dénudent une unité d’absorption pour récupérer l’ammoniac.