Name: שחזור אמוניום מושרה Electrochemically וBioelectrochemically (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-01-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 50 s
Description: חקור שחזור אמוניום מזרמי פסולת עשירי חנקן באמצעות מערכות אלקטרוכימיות וביו-אלקטרוכימיות. השיטה משתמשת בממברנות חילוף יונים להפרדה סלקטיבית וייצור אמוניה טהורה לשימוש חוזר.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

עבודה זו נתמכה על ידי מענק BOF ל-SG מאוניברסיטת גנט. AL נתמכת על ידי אוניברסיטת ראטגרס NSF Fuels-IGERT. SA נתמכת על ידי פרויקט תוכנית המסגרת 7 של האיחוד האירופי "ProEthanol 2G". SA ו-KR נתמכים על ידי שותפות המחקר הרב-תחומית של אוניברסיטת גנט (MRP) - ביוטכנולוגיה לכלכלה בת קיימא (01 MRA 510W). JD נתמך על ידי מענק IOF Advanced (F2012/IOF-Advanced/094). KR נתמכת על ידי מענק ההתחלה של ERC "Electrotalk". המחברים מודים לטים לקואר על עיצוב דמות האמנות של תוכן העניינים, לרובין דקלרק על בניית הרצועה ועמודי הספיגה ולקון גואו על אספקת מקור החיסון.

<ol><li>Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Maximum+use+of+resources+present+in+domestic+%22used+water%22%5BTitle%5D)+AND+%22Bioresource+Technology%22%5BJournal%5D)">Maximum use of resources present in domestic "used water".</a> Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).</li>
<li>Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pretreatment+of+anaerobic+digestion+effluent+with+ammonia+stripping+and+biogas+purification%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Hazardous+Materials%22%5BJournal%5D)">Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification.</a> Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).</li>
<li>Siegrist, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nitrogen+removal+from+digester+supernatant-comparison+of+chemical+and+biological+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods.</a> Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).</li>
<li>Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrochemical+Resource+Recovery+from+Digestate+to+Prevent+Ammonia+Toxicity+during+Anaerobic+Digestion%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion.</a> Environmental Science & Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).</li>
<li>Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+ammonia+loss+mechanisms+in+microbial+fuel+cells+treating+animal+wastewater%5BTitle%5D)+AND+%22Biotechnology+and+Bioengineering%22%5BJournal%5D)">Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater.</a> Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).</li>
<li>Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aqueous+ammonia+equilibrium+calculations%3A+effect+of+pH+and+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Fisheries+Board+of+Canada%22%5BJournal%5D)">Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature.</a> Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).</li>
<li>Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+production+and+ammonium+recovery+from+urine+by+a+Microbial+Electrolysis+Cell%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Hydrogen+Energy%22%5BJournal%5D)">Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell.</a> International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).</li>
<li>Guo, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactant+treatment+of+carbon+felt+enhances+anodic+microbial+electrocatalysis+in+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Electrochemistry+Communications%22%5BJournal%5D)">Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems.</a> Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).</li>
<li>Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spontaneous+modification+of+carbon+surface+with+neutral+red+from+its+diazonium+salts+for+bioelectrochemical+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Biosensors+and+Bioelectronics%22%5BJournal%5D)">Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems.</a> Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Standard+Methods+For+The+Examination+Of+Water+And+Wastewater%22">Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater</a>. Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. , American Public Health Association. (1992).</li>
<li>Andersen, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrolytic+Membrane+Extraction+Enables+Production+of+Fine+Chemicals+from+Biorefinery+Sidestreams%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams.</a> Environmental Science & Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).</li>
<li>Harnisch, F., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Diversity+of+Techniques+to+Study+Electrochemically+Active+Biofilms+Highlights+the+Need+for+Standardization%5BTitle%5D)+AND+%22Chemsuschem%22%5BJournal%5D)">The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization.</a> Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).</li>
<li>Clauwaert, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Minimizing+losses+in+bio-electrochemical+systems%3A+the+road+to+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiology+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).</li>
<li>Atkins, P., De Paula, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAtkins%2C+P+%22Elements+of+Physical+Chemistry%22">Elements of Physical Chemistry</a>. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).</li>
<li>Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+anode+potential+regulates+bacterial+activity+in+microbial+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Microbiology+and+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells.</a> Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).</li>
<li>Kuntke, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ammonium+recovery+and+energy+production+from+urine+by+a+microbial+fuel+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Research%22%5BJournal%5D)">Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell.</a> Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).</li>
<li>Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Power+Generation+in+Fed-Batch+Microbial+Fuel+Cells+as+a+Function+of+Ionic+Strength%5BTitle%5D)+AND+%22Temperature%2C+and+Reactor+Configuration.+Environmental+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength.</a> Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science & Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).</li>
<li>Gimkiewicz, C., Harnisch, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Waste+Water+Derived+Electroactive+Microbial+Biofilms%3A+Growth%2C+Maintenance%2C+and+Basic+Characterization%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization.</a> JoVE. (82), e50800(2013).</li>
<li>Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term+investigation+of+fouling+of+cation+and+anion+exchange+membranes+in+microbial+desalination+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Desalination%22%5BJournal%5D)">Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells.</a> Desalination. 325, 48-55 (2013).</li>
<li>Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+resazurin+for+estimating+abundance+of+contaminant-degrading+micro-organisms%5BTitle%5D)+AND+%22Letters+in+Applied+Microbiology%22%5BJournal%5D)">Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms.</a> Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

כתב יד זה מספק את הכלים הדרושים כדי להקים bioelectrochemical ותא אלקטרוכימי להתאוששות אמוניום. החישובים שהוצגו בסעיף התוצאות מספקים פרמטרים להערכה של ביצועי המערכת. המערכות הביולוגיות ואלקטרוכימיים דומות בהתקנה ובתפקוד. ההבדל העיקרי בין שתי המערכות הוא הבחירה של נוכחי קבועה לתא אלקטרוכימי לעומת פוטנציאל האנודה קבועה להתקנת bioelectrochemical. הנוכחי שנקבעה להתקנת אביוטי יש צורך לנהוג תגובות האלקטרודה ומאפשר גם מאפשר ויסות של התהליכים בשלב התפזורת, ובכך מובילים לתנאי מצב יציבים. למ...

שחזור של מוצרים יקרי ערך מחשיבות רווחי שפכים כמשאבים יקרי ערך נעשים נדירים וטיפול ללא התאוששות מייצג רק עלות. שפכים מכילים גם אנרגיה וחומרים מזינים שיכול להיות התאוששו, והתאוששות תזונתית יכול לעזור לסגור את ייצור הלולאה 1. שחזור של אנרגיה באמצעות עיכול אנאירובי הוא תהליך מבוסס היטב, ואילו התאוששות של חומרים מזינים היא פחות נפוצה. שחזור של חומרים מזינים מזרמי פסולת נוזליים כגון שתן וגללים נחקר באופן נרחב, למשל, באמצעות הייצור של struvite והפשטה ישירה של 2,3 אמוניה. עם זאת, הצורך בתוספת כימית הוא חסרונם של התהליכים אלה 4. כאן אנו מציגים טכניקה לשחזור של חומרים מזינים קטיוני מזרמי פסולת, כולל שני אשלגן ואמוניום. טופס קטיוני של חומרים מזינים אלו מאפשר התאוששות באמצעות קרום בררני יון במערכת אלקטרו-כימית. במקרה זה, electrochemicמערכת מורכבת מאל תא האנודה (בי החמצון מתרחש), תא קתודה (שבו ההפחתה מתרחשת) וקרום בררני יון להפריד התאים. מתח חשמלי על פני התא לייצר תזרים שוטף מהאנודה לקתודה. מתח זה יכול להיות שנוצר על ידי מקור מתח חיצוני לנהוג חמצון מים ותגובות הפחתה. לחלופין חמצון anodic, למשל, של חומרים אורגניים, ניתן היה זרז על ידי חיידקי electroactive, דורשים פחות כוח. כדי לסגור את המעגל ולשמור על איזון תשלום, מינים טעונים חייבים לנדוד בין האלקטרודות לכל אלקטרון שנוצר. תחבורת אמוניום מתא האנודה לקתודת התא על פני קרום חילופי קטיון (CEM) ולכן יכולה לפצות את השטף של אלקטרונים 4,5. הטכניקה המוצגת כאן מסירה לא רק אמוניום מזרמי פסולת, אלא גם מאפשרת ההתאוששות שלה. חנקן אמוניה סה&quot;כ (TAN) קיים בשיווי המשקל של שני עמוןium (NH 4 +) ואמוניה (NH 3), והוא תלוי בpH וטמפרטורה 6. NH 4 + הוא בשפע זמין בשל ריכוז גבוה TAN וליד pH הניטרלי בתא האנודה ומינים טעונים חיובי זה ולכן יכול להיות מונע על ידי נוכחי על פני CEM לתוך תא הקתודה. הנוכחי מניע את הירידה של מים על הקתודה, שמוביל לייצור של יוני הידרוקסיד וגז מימן. שיווי משקל TAN עובר לכמעט 100% NH 3 עקב הגבוה pH בתא הקתודה (&gt; 10.0). NH 3 הוא גז שניתן להעביר בקלות באמצעות זרימת אוויר מיחידת הפשטה לעמודת הספיגה שבו הוא כלואים ומרוכז בתמיסת חומצה. טכנולוגיה זו יש פוטנציאל להפחתת רעילות אמוניום במהלך עיכול אנאירובי של זרמי N-עשיר כמו זבל, וכך להגדיל את התאוששות האנרגיה מזרמי פסולת אלה, ובמקבילחומרים מזינים מתאוששים 4. חילוץ אלקטרוכימי וbioelectrochemical של אמוניום יכול להיות מיושם גם כטכניקה לשחזור מזין בזרמי פסולת עם תוכן TAN גבוה כגון שתן ובכך להימנע עלויות להסרת חומרים מזינים בWWTP 7. הפרוטוקול המובא כאן יכול לשמש כבסיס לניסויים אלקטרוכימיים וbioelectrochemical רבים ושונים, כפי שאנו משתמשים כור מודולרי. ניתן לשלב סוגים שונים אלקטרודה, קרומים ועוביי מסגרת כפי שהוסבר בפרוטוקול בהמשך. המטרה העיקרית של הפרוטוקול היא לספק אמצעי להשוואה של התאוששות אמוניום אלקטרוכימיים והתאוששות אמוניום ביו-אלקטרו-כימי באמצעות תא אלקטרוליזה. המערכות מוערכות במונחים של יעילות מיצוי, קלט כוח ושחזור.

<table><tbody><tr><td>לבד פחמן בעובי 3.18 מ"מ</td><td>אלפא Aesar</td><td>ALFA43199</td><td>משמש כביואנודה, 110&nbsp; מ"מ x 110&nbsp; </td></tr><tr><td>אלקטרודה Ti מ"מ מצופה ב- Ir MMO&nbsp;</td><td>אנודות מיוחדות מגנטו (הולנד)</td><td></td><td>משמש כאנודה יציבה לבדיקות אלקטרוכימיות</td></tr><tr><td>רשת נירוסטה</td><td>סולנה (בלגיה)</td> <td>RVS 554/64: חומר AISI 316L, רוחב רשת: 564 מיקרון, עובי חוט: 140 מיקרון, מספר רשת: 36,6</td><td>משמש כקתודה, 110&nbsp; מ"מ x 110&nbsp; מ"מ</td></tr><tr><td>צלחת נירוסטה</td><td>סולנה (בלגיה)</td> <td>גיליון inox 304, עובי: 0.5 מ"מ</td><td>משמש כאספן זרם עבור אלקטרודת הייחוס Bioanode</td></tr><tr><td>Ag/AgCl</td><td>Bio-Logic (צרפת)</td> <td>A-012167 RE-1B</td><td></td></tr><tr><td>Potentiostat (VSP Multipotentiostat)&nbsp;</td><td>Bio-Logic (צרפת)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EC Lab</td><td>Bio-Logic (צרפת)</td><td></td><td>תוכנה לביצוע מדידות אלקטרוכימיות</td></tr><tr><td>Cation Exchange Membrane</td><td>Membrane Membrane International (ארה"ב)</td><td>Ultrex CMI-7000</td><td>מטופל מראש על פי הוראות היצרן</td></tr><tr><td>Turbulence Promotor Mesh</td><td>ElectroCell Europe A/S (Tarm, דנמרק)</td><td>EPC20432-PP-2</td><td>חומר מרווח, 110 מ"מ x 110 מ"מ</td></tr><tr><td>מחברים</td><td>Serto</td><td>1,281,161,120</td><td>גדלים אחרים אפשריים, תלוי בסוג הצינור ובגודל החורים במסגרות</td></tr><tr><td>רצועה ועמוד</td><td></td><td></td> ספיגה <td>בעיצוב הבית</td></tr><tr><td>צינורות</td><td>Masterflex</td><td>HV-06404-16</td><td></td></tr><tr><td>שקית גז</td><td>Keika Ventures</td><td></td><td>Kynar שקית גז עם שסתום רוברטס</td></tr><tr><td>טבעות ראשיג</td><td>Glasatelier Saillart ( בלגיה)</td> <td>טבעות Raschig 4 x 4 מ"מ</td><td>הכניסו לתוך הרצועה ועמוד הספיגה כדי לשפר את מגע האוויר/נוזל. זמין אצל ספקים רבים</td></tr><tr><td>יריעת</td><td></td><td></td> גומי <td>חתוכה כך שתתאים למסגרות הפרספקס</td></tr><tr><td>מסגרות כור פרספקס</td><td>Vlaeminck, Beernem</td><td></td><td>עיצוב פנימי, ראה כרטיסייה "מסגרות כור" בקובץ זה</td></tr></tbody></table>

שחזור אמוניום מושרה electrochemically וbioelectrochemically

Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

זרמים כמו שתן וזבל יכולים להכיל רמות גבוהות של אמוניום, שניתן לשחזר לשימוש חוזר בחקלאות או בכימיה. מיצוי אמוניום מזרם עשיר באמוניום מודגם באמצעות מערכת אלקטרוכימית וביו-אלקטרוכימית. שתי המערכות נשלטות על ידי פוטנציוסטט כדי לתקן את הזרם (עבור התא האלקטרוכימי) או לתקן את הפוטנציאל של האלקטרודה העובדת (עבור התא הביו-אלקטרוכימי). בתא הביו-אלקטרוכימי, חיידקים אלקטרואקטיביים מזרזים את התגובה האנודית, ואילו בתא האלקטרוכימי הפוטנציוסטט מפעיל מתח גבוה יותר כדי לייצר זרם. השחזור הנוכחי וכתוצאה מכך של מאזן המטען על פני התא מאפשר הובלה של קטיונים, כגון אמוניום, על פני קרום חילופי קטיונים מהאנוליט לקתוליט. ה-pH הגבוה של הקתוליט מוביל להיווצרות אמוניה, אותה ניתן להפשיט מהמדיום וללכוד בתמיסת חומצה, ובכך לאפשר התאוששות של חומר מזין יקר ערך. שטף האמוניום על פני הממברנה מאופיין בריכוזים וזרמים שונים של אמוניום אנוליטים הן עבור מערכות הכור האביוטי והן עבור מערכות הכור הביוטי. שתי המערכות מושוות על סמך יעילות הזרם וההסרה של אמוניום, כמו גם קלט האנרגיה הנדרש להנעת העברת אמוניום על פני ממברנת חילופי הקטיונים. לבסוף, נעשה ניתוח השוואתי בהתחשב בהיבטים מרכזיים כגון אמינות, עלות אלקטרודה וקצב.
מאמר וידאו ופרוטוקול זה מספקים את המידע הדרוש לביצוע ניסויים בהתאוששות אמוניה אלקטרוכימית וביו-אלקטרוכימית. מערך הכור עבור שני המקרים מוסבר, כמו גם פעולת הכור. אנו מרחיבים על ניתוח נתונים עבור שני סוגי הכורים ועל היתרונות והחסרונות של מערכות ביו-אלקטרוכימיות ואלקטרוכימיות.

Chronoamperometry נובע מbioreactor תוצאות chronoamperometry, המחושב על פי משוואת 1, להראות גרף אופייני לכור רציף (איור 4). בתחילת הניסוי, האנודה והקתודה הופעלו במצב סחרור. זה מאפשר biofilm לפתח ותחילת הייצור הנוכחי. לאחר 5 ימים של מבצע, הצפיפות הנוכחית הגיעה למקסימום, ואחריו ירידה בייצור נוכחי. זוהי אינדיקציה שbiofilm חסר פחמן / מקור אלקטרונים (למשל, אצטט) כדי לייצר נוכח...

אנו מדגימים מיצוי אמוניום מזרם עשיר באמוניום באמצעות מערכת אלקטרוכימית וביו-אלקטרוכימית. מערך הכור, הפעלתו וניתוח הנתונים נדונים.

שחזור אמוניום מושרה Electrochemically וBioelectrochemically

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 ...

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לחקור את ההתאוששות של חומרי מזון מזרמים עשירים בחנקן באמצעות גישה אלקטרוכימית או ביו-אלקטרוכימית. הגישה הראשונה מושגת על ידי העברת הזרם דרך מערכת אלקטרוכימית, אשר לאחר חמצון מים יוצרת כוח מניע שניתן להשתמש בו כדי לשטוף אמוניום מצד האנודה על פני קרום חילופי יונים לצד הקתודה. כשלב שני, ה-pH הגבוה בצד הקתודה מביא להמרה של אמוניום לאמוניה נדיפה.רמת הסלקטיביות הגבוהה של ממברנת חילופי היונים מאפשרת יצירת זרם מימן אמוניה טהור. לאחר מכן, הקאתו מופץ דרך עמוד הפשטה וספיגה על מנת ללכוד את האמוניה במדיום חומצי. המיצוי האלקטרוכימי יכול להיות מונע גם על ידי תהליכים ביו-אלקטרוכימיים, כאשר פיתוח ביופילם על האנודה מאפשר המרה של חומרים אורגניים הקיימים בזרם הפסולת לפחמן דו חמצני, פרוטונים ואלקטרונים.זה, שוב, יניע שטף של אמוניום מהאנודה לקתודה. התוצאות מראות ששתי הגישות יכולות לשחזר חומרים מזינים מזרמים עשירים בחנקן כמו שתן. גישת דניטריפיקציה קונבנציונלית לטיפול בשפכים לוקחת את האמוניה מהשפכים והופכת אותה לגז חנקן, שחוזר לאטמוספירה, כך שאנו מאבדים את החנקן.היתרון בגישה שלנו הוא שאנחנו לוקחים את האמוניה ואנחנו משחזרים אותה בצורה נקייה כדי שנוכל לעשות איתה משהו. אנו יכולים לעשות בו שימוש חוזר או להמיר אותו למוצר אחר. יתרון שני של הגישה שלנו הוא שאנו משתמשים בחשמל כמניע.זהו בעצם מקור אנרגיה נקי וזול, והוא נמנע משימוש בכימיקלים. מי שידגים את ההליך יהיו סילביה הילדה ביין וסטיבן אנדרסון. שני הדוקטורנטים מהמעבדה שלי לפני תחילת הליך זה אוספים את כל החומר הדרוש לבניית הכור, כולל האלקטרודות, המסגרות והגומי.לאחר שווידאתם כי הממברנה מטופלת מראש על פי הוראות היצרן, טפלו מראש באלקטרודת לבד הפחמן על ידי השרייתה בשני מילי-מולארי אצטיל טרימתיל אמוניום ברומיד, או A-C-T-A-B למשך שלוש דקות. לאחר מכן שטפו את אלקטרודת לבד הפחמן במים דה-מינרליים. לאחר מכן, ערמו את חלקי הכור השונים לפי סוג הכור.לאחר מכן ערמו את חלקי הכור עבור התא האלקטרוכימי. השתמש באומים וברגים כדי לסגור את הכור והדק ביד את הברגים בצדדים מנוגדים כדי להשוות את הלחץ. אטום את יציאות החיבור של הכור באמצעות טפלון.ודא שהיציאה מהודקת כהלכה. הנח את אלקטרודת הייחוס באותו תא כמו האלקטרודה העובדת. לאחר מכן, מלאו את הכור במים כדי לבדוק אם הוא נקי מדליפה.אם נצפות נזילות, בדוק אם הברגים מהודקים מספיק או אם אחד מחלקי הכור זז בזמן הרכבת הכור. אם לא מתגלות נזילות, רוקן את המים מהכור. חבר את משאבות ההזנה והסירקולציה לכור ואת משאבת האוויר ליחידות ההפשטה והקליטה.מלאו את עמוד הספיגה ב -250 מיליליטר של חומצה גופרתית טוחנת אחת כדי לכסות את טבעות הצ'ה. ודא שזרם האוויר מערבב היטב את החומצה כאשר המשאבה מופעלת. לאחר הכנת תמיסות אנליט וקטליט, שטפו את האנליט על ידי טיהור בגז חנקן למשך 30 דקות לפחות כדי להסיר חמצן.עבור החיסון, הכינו תערובת של 30 מיליליטר של שפכים מביו-ריאקטורים אנאירוביים פעילים, כולל ביו-אנודה. אוספים את התערובת במזרק. לאחר מכן, חבר שקית גז מלאה בחנקן לבקבוק האנליט.על מנת לשמור על יציבות הלחץ תוך אי מתן אפשרות לחמצן להיכנס. מערבבים את מקור החיסון עם נפח האנליט על ידי ריקון המזרק עם החיסון לתוך הבקבוק הבינוני באמצעות מזרק הממלא את תאי האנודה והקתודה בו זמנית עם הפתרונות שלהם. כאשר שני תאי הכור מלאים, הפעל את משאבת הסירקולציה בקצב מחזור של כשישה ליטר לשעה.לאחר מכן, חבר את כבל הסטטיסטיקה הפוטנציאלי עם שלוש אלקטרודות באמצעות האנודה כאלקטרודה העובדת. הפעל את הסטטיסטיקה הפוטנציאלית במצב אברומטריה כרונו. באמצעות תוכנת סטטיסטיקת הפוטנציאלים, בחר פוטנציאל אנודה קבוע של 200 מילי-וולט שלילי לעומת אלקטרודת הייחוס של כסף, כסף כלוריד כדי לעבור להזנה רציפה.הפעל את משאבת ההזנה עבור האנודה והקתודה בבית מגורים הידראולי. זמן של שש שעות הפעל את משאבת האוויר של הרצועה ויחידת הספיגה. ואז מחזירים את האוויר בלולאה סגורה.רענן את המדיום שלוש פעמים בשבוע עם אנליט וקטליט טריים כמתואר בטקסט. חבר שקית גז מלאה בחנקן לבקבוק ההזנה הסגור. עצור את משאבת ההזנה והניח clamp על קו הקולחין.לאחר מכן החלף את הבקבוקים הישנים והחדשים. הסר את clamps והפעל מחדש את המשאבה בכל פעם שההזנה מתרעננת. הסר חמש דגימות נוזליות של מיליליטר מהשפכים והשפכים של האנליט והקטליט למדידת מוליכות, תכולת pH אצטט וריכוז אמוניום.בנוסף, הסר דגימה של שלושה מיליליטר מעמודת הספיגה כדי לנטר את ה-pH ולניתוח חנקן אמוניום או שיזוף כולל. כאשר ה-pH מתקרב לארבע, החלף את סופג ה-AB בתמיסת חומצה גופרתית טוחנת אחת טרייה כדי להבטיח יעילות ספיגה גבוהה. אם ייצוב הזרם אינו נגרם ממגבלות אצטט, הגדל את ריכוז האמוניום בהזנה והמתן לייצוב הזרם.על מנת להעריך את יעילות המיצוי למיצוי אלקטרוכימי, הכינו זרם שפכים סינתטי כאנליט לפי הטבלה הבאה. הוסף אמוניום גופרתי כדי להגיע לריכוז סופי של חמישה גרם חנקן לליטר. בעקבות מתג זה על משאבת ההזנה כדי למלא את תאי הכור, הפחת את מהירות המשאבה כדי לקבל זמן שהייה הידראולי של שש שעות.לאחר מילוי הכור, כמו קודם, הפעל את משאבת הסירקולציה בקצב של שישה ליטר לשעה. לאחר מכן הסר דגימה של חמישה מיליליטר של השטף לאחר הפעלת הרצועה ויחידת הספיגה. הפעל את הסטטיסטיקה הפוטנציאלית במצב כרונומטריה באמצעות תוכנת הסטטיסטיקה הפוטנציאלית.ראשית, יש להחיל צפיפות זרם נמוכה של כ-0.5 NPIs למטר בריבוע למשך 24 שעות כדי לקטב את הממברנה ולקבוע את שטף החנקן עקב דיפוזיה בלבד. כאשר המערכת מקוטבת במשך 24 שעות, יש להחיל את צפיפות הזרם הדרושה לניסוי, בדרך כלל נעה בין 10 אמפר למטר בריבוע ל-50 אמפר למטר מרובע. לאחר שהכור הגיע למצב יציב, קח לפחות שלוש דגימות של חמישה מיליליטר לאורך זמן משפכי האנודה והקתודה וכן מעמוד הקליטה.תוצאות הפורומטר הכרונו מציגות גרף טיפוסי לכור רציף. המעבר לפעולה רציפה ביום השישי הביא לעלייה מתמשכת בייצור הנוכחי עד שהושגה רמה של 3.5 אמפר למטר בריבוע בין היום ה-12 ל-16. השפעת טמפרטורת היום והלילה על הייצור הנוכחי נראית בבירור.לדוגמה, מיום 42 עד 46, ריכוז האמוניום במזון הוגדל בכמה שלבים. העלייה הנוכחית הייתה קשורה למוליכות מוגברת של הזנת האנודה שבה תוספת אמוניום ביקרבונט הגדילה את ריכוז היונים ובכך את המוליכות. מתח התא למערכת האלקטרוכימית גבוה יותר מאשר לביו-ריאקטור.זאת בעיקר בשל פוטנציאל האנודה הגבוה יותר הנדרש לחמצון אלקטרוכימי של מים לחמצן. שטף החנקן עבור הביוריאקטור גבוה יותר מהמערכת האלקטרוכימית. ניתן להסביר זאת על ידי הבסיסיות הנמוכה יותר של ההזנה של המערכת האלקטרוכימית, וכתוצאה מכך pH אנליטי נמוך יותר.זה הביא לתחרות גבוהה יותר בין אמוניום לפרוטונים כדי להחזיר את איזון המטען מעל הממברנה. טכניקה זו סוללת כעת את הדרך למהנדסי סביבה לחקור התאוששות אלקטרוכימית ביולוגית ולא ביולוגית של מינים טעונים מזרמי פסולת כגון מצב עיכול אנאירובי. ליתר דיוק כאן, הראינו שגישה ביולוגית מגיעה עם קלט אנרגיה נמוך יותר, אך עשויה לסבול מחוסן נמוך יותר וזמן הפעלה ארוך יותר.הגישה האלקטרוכימית הטהורה עשויה לספק את החוסן הזה, אבל היא תגיע במחיר מעט גבוה יותר. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להקים מערכת ביוכימית להשבת אמוניום משפכים. אתה אמור להיות מסוגל לבנות תא ביוכימי חזק ונטול דליפות, והם מפשיטים יחידת ספיגה כדי לשחזר את האמוניה.

electrochemically-and-bioelectrochemically-induced-ammonium-recovery

Research

JoVE Journal

Chemistry

כימיה

מקור: אוקאמוטו, א., ואחרים. מערכת אלקטרוכימית עומדת להעשרת חיידקים נושמים אנודה באתר. J. Vis. Exp. (2018)הסרטון הזה מדגים את השימוש במערכת אלקטרוכימית באתר להעשיר חיידקי נשימת אנודה (ARB) ממאגרים טבעיים. גרדיאנט רדוקס נקבע על ידי הנחת האנודה במים עמוקים ללא חמצן והקתודה במים עיליים עשירים בחמצן. ARB יוצרים ביופילמים ומעבירים אלקטרונים לאנודה, שזורמת לקתודה, שם החמצן מצטמצם ויוצר זרם. האנודה נאספת בתנאים אנאירוביים לניתוח במורד הזרם.

העשרת חיידקים נושמים אנודה באמצעות מערכת אלקטרוכימית באתר

מודגמת צמיחה כרונואמפרומטרית של ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים אנודיים בכור אצווה מוזנת באמצעות מערך של שלוש אלקטרודות, הנשלט על ידי פוטנציוסטט. העברת האלקטרונים החוץ-תאית מאופיינת באמצעות וולטמטריה מחזורית בנוכחות תורם האלקטרונים ובהיעדר תורם האלקטרונים. מודגם ניתוח נתונים בסיסי.

ביופילמים מיקרוביאליים אלקטרואקטיביים המופקים משפכים: גידול, תחזוקה ואפיון בסיסי

במסמך הנהלים לפלזמה משופרת שיקוע הכימי של perfluoroalkanes על חומרי microporous כגון מסגרות מתכת אורגנית כדי לשפר את היציבות והידרופוביות שלהם מתוארים. יתר על כן, בדיקת פריצת דרך של כמויות מיליגרם של דגימות מתוארת בפירוט.

הכנת מסגרות מתכת אורגנית הידרופובי באמצעות פלזמה משופרת שיקוע הכימי של Perfluoroalkanes להסרת אמוניה

פרוטוקול למדידת מוליכות חשמלית של חיים חיידקים פתוגנים המועברים במזון תחת תנאים רלוונטיים מבחינה פיזיולוגית מוצג.

אפיון תחבורה אלקטרון דרך חיים Biofilms

יכול להיות מסונתז אמוניה בלחץ נמוך באמצעות זרז קונבנציונלי וספיגה סלקטיבי של אמוניה.

סינתזה אמוניה בלחץ נמוך

כאן אנו מציגים פרוטוקול של כל תא אלקטרוכימי ניסויים ללמוד את התרומה של פרוטון תחבורה לקצב התחבורה אלקטרון חוץ-תאית באמצעות cytochromes הממברנה החיצונית מתחם Shewanella oneidensis מר-1.

אלקטרוכימי זיהוי של דאוטריום קינטי איזוטופ אפקט על חוץ-תאית אלקטרון התחבורה מר Shewanella oneidensis -1

באתר מיקרוביאלי העשרה או בחיי עיר הטיפוח-תרגול טכניקות יכול להקל את ניתוקה של taxa חיידקים קשה-עד-תרבות, במיוחד של סביבות נמוך-ביומסה או geochemically קיצוני. כאן, אנו מתארים את הגדרת אלקטרוכימי של ללא שימוש במקור כוח חיצוני כדי להעשיר את זני חיידקים המסוגלים אלקטרון חוץ-תאית תחבורה (EET).

הגדרת אלקטרוכימי העומד בפני עצמו להעשיר respiring אנודת חיידקים באתר

סדרה של שיטות כדי לקבוע את שיעור DNRA פוטנציאלי מבוסס על 14NH4+/15NH4+ ניתוחים מסופק בפירוט. NH4+ מומר N2O באמצעות מספר שלבים וניתח באמצעות ספקטרומטריה גז quadrupole כרומטוגרפיה-מסה.

מדידה של שיעורי חנקה דיספילציה הפחתת אמוניום מבוסס על 14NH4+/15NH4+ ניתוחים באמצעות המרה רציפים N2O

אנו מדגימים ייצור של התקן אלקטרודיאליזה הפוכה באמצעות קרום חילופי cation (CEM) וקרום החלפת אניון (AEM) לייצור חשמל.

ממברנות חילופי יונים לייצור התקן אלקטרודיאליזה הפוכה

נקבע מבנה תמיסת ה-NMR של פפטיד מודל מטאלוצ'פרון עם Cu (I), ומתואר פרוטוקול מפורט מהכנת דגימה ואיסוף נתונים חד-ממדיים ודו-ממדיים למבנה תלת מימדי.

קביעת מבנה וקואורדינציה של קומפלקסים של פפטיד-מתכת באמצעות תמ"ג 1D ו-2D 1H

חקור שחזור אמוניום מזרמי פסולת עשירי חנקן באמצעות מערכות אלקטרוכימיות וביו-אלקטרוכימיות. השיטה משתמשת בממברנות חילוף יונים להפרדה סלקטיבית וייצור אמוניה טהורה לשימוש חוזר.

שחזור אמוניום מושרה Electrochemically וBioelectrochemically

גלה סרטונים נוספים