שחזור אמוניום מושרה Electrochemically וBioelectrochemically

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.