Elettrochimica e Bioelectrochemically indotta recupero di ammonio

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di studiare il recupero di nutrienti da corsi d'acqua ricchi di azoto utilizzando un approccio elettrochimico o bioelettrochimico. Il primo approccio si ottiene facendo passare il flusso attraverso un sistema elettrochimico, che dopo l'ossidazione dell'acqua crea una forza motrice che può essere utilizzata per flusare la carica di ammonio dal lato dell'anodo attraverso una membrana a scambio ionico fino al lato del catodo. In una seconda fase, l'elevato pH sul lato del catodo provoca la conversione dell'ammonio in ammoniaca volatile.

L'elevato livello di selettività della membrana a scambio ionico consente la creazione di un flusso di idrogeno di ammoniaca pura. Successivamente, il catho viene fatto circolare attraverso una colonna di strippaggio e assorbimento per intrappolare l'ammoniaca in un mezzo acido. L'estrazione elettrochimica può essere guidata anche da processi bioelettrochimici, dove lo sviluppo di un biofilm sull'anodo consente la conversione delle sostanze organiche presenti nel flusso di rifiuti in anidride carbonica, protoni ed elettroni.

Questo, ancora una volta, guiderà un flusso di ammonio dall'anodo al catodo. I risultati mostrano che entrambi gli approcci possono recuperare i nutrienti da flussi ricchi di azoto come l'urina. L'approccio convenzionale di nitrificazione e denitrificazione per il trattamento delle acque reflue prende l'ammoniaca dalle acque reflue e la trasforma in azoto gassoso, che ritorna nell'atmosfera, quindi perdiamo l'azoto.

Il vantaggio del nostro approccio è che prendiamo l'ammoniaca e la recuperiamo in una forma pulita in modo da poterci fare qualcosa. Possiamo riutilizzarlo o convertirlo in un altro prodotto. Un secondo vantaggio del nostro approccio è che utilizziamo l'elettricità come motore.

È essenzialmente una fonte di energia pulita ed economica ed evita l'uso di sostanze chimiche. A dimostrare la procedura saranno Sylvia Hilde Bain e Steven Anderson. Entrambi i dottorandi del mio laboratorio Prima di iniziare questa procedura raccolgono tutto il materiale necessario per costruire il reattore, inclusi gli elettrodi, i telai e le gomme.

Dopo essersi assicurati che la membrana sia pretrattata secondo le istruzioni del produttore, pretrattare l'elettrodo di feltro di carbonio immergendolo in due millimolari di acetil trimetil ammonio bromuro, o A-C-T-A-B per tre minuti. Quindi sciacquare l'elettrodo in feltro di carbone con acqua demineralizzata. Successivamente, impilare le diverse parti del reattore in ordine in base al tipo di reattore.

Quindi impilare le parti del reattore per la cella elettrochimica. Utilizzare dadi e bulloni per chiudere il reattore e serrare a mano i bulloni sui lati opposti per equalizzare la pressione. Sigillare le porte di connessione del reattore utilizzando il teflon.

Assicurarsi che la porta sia serrata correttamente. Posizionare l'elettrodo di riferimento nello stesso scomparto dell'elettrodo di lavoro. Quindi, riempi il reattore con acqua per verificare se è privo di perdite.

Se si osservano perdite, controllare se i bulloni sono serrati a sufficienza o se una delle parti del reattore si è mossa durante l'assemblaggio del reattore. Se non vengono rilevate perdite, svuotare l'acqua dal reattore. Collegare le pompe di alimentazione e di ricircolo al reattore e la pompa dell'aria alle unità di strippaggio e assorbimento.

Riempire la colonna di assorbimento con 250 millilitri di acido solforico molare per coprire gli anelli che. Assicurarsi che l'Airstream mescoli bene l'acido quando la pompa è accesa. Dopo aver preparato le soluzioni di analita e catalita, lavare l'analita mediante spurgo con azoto gassoso per almeno 30 minuti per rimuovere l'ossigeno.

Per l'inoculo, preparare una miscela da 30 millilitri di effluenza proveniente da bioreattori anaerobici attivi, incluso un bioanodo. Raccogliere la miscela in una siringa. Quindi, collegare una sacca di gas riempita di azoto alla bombola dell'analita.

Per mantenere stabile la pressione senza permettere l'ingresso di ossigeno. Miscelare la fonte di inoculo con il volume dell'analita svuotando la siringa con inoculo nel flacone del terreno utilizzando una siringa riempita contemporaneamente con i compartimenti anodico e catodico con le rispettive soluzioni. Quando entrambi gli scomparti del reattore sono pieni, accendere la pompa di ricircolo a una velocità di ricircolo di circa sei litri all'ora.

Successivamente, collegare il cavo di stato del potenziale con tre elettrodi utilizzando l'anodo come elettrodo di lavoro. Attiva la statistica potenziale in modalità crono-aberrommetria. Utilizzando il software di statistica dei potenziali, selezionare un potenziale anodico fisso di 200 millivolt negativo rispetto all'elettrodo di riferimento in argento cloruro d'argento per passare all'alimentazione continua.

Accendere la pompa di alimentazione dell'anodo e del catodo in una residenza idraulica. Tempo di sei ore accendere la pompa dell'aria del nastro e l'unità di assorbimento. Quindi ricircolare l'aria in un circuito chiuso.

Rinfrescare il terreno tre volte alla settimana con analita fresco e catalita come descritto nel testo. Fissare una sacca del gas piena di azoto alla bottiglia di alimentazione chiusa. Arrestare la pompa di alimentazione e mettere un morsetto sulla linea dell'effluente.

Quindi cambia le bottiglie vecchie e nuove. Rimuovere le fascette e riavviare la pompa ogni volta che l'alimentazione viene rinfrescata. Rimuovere campioni liquidi da cinque millilitri dell'effluente e dell'effluente dell'analita e del catalita per misurare la conducibilità, il pH del contenuto di acetato e la concentrazione di ammonio.

Inoltre, rimuovere un campione da tre millilitri della colonna di assorbimento per monitorare il pH e per l'analisi dell'azoto ammoniacale totale o dell'abbronzatura. Quando il pH si avvicina a quattro, sostituire l'assorbente AB con una soluzione fresca di acido solforico monomolare per garantire un'elevata efficienza di assorbimento. Se la stabilizzazione della corrente non è causata da limitazioni di acetato, aumentare la concentrazione di ammonio nell'alimentazione e attendere la stabilizzazione della corrente.

Al fine di valutare l'efficienza di estrazione per l'estrazione elettrochimica, preparare un flusso di acque reflue sintetiche come analita secondo la tabella seguente. Aggiungere solfato di ammonio per raggiungere una concentrazione finale di cinque grammi di azoto per litro. A seguito di questo interruttore sulla pompa di alimentazione per riempire i compartimenti del reattore, ridurre la velocità della pompa per ottenere un tempo di permanenza idraulica di sei ore.

Una volta riempito il reattore, come prima, accendere la pompa di ricircolo alla velocità di sei litri all'ora. Quindi rimuovere un campione di cinque millilitri di fluido dopo aver avviato la striscia e l'unità di assorbimento. Attiva la statistica potenziale in modalità cronometria utilizzando il software della statistica potenziale.

In primo luogo, applicare una bassa densità di corrente di circa 0,5 NPI per metro quadrato per 24 ore per polarizzare la membrana e determinare il flusso di azoto dovuto alla sola diffusione. Quando il sistema è stato polarizzato per 24 ore, applicare la densità di corrente necessaria per l'esperimento, che di solito varia da 10 ampere per metro quadrato a 50 ampere per metro quadrato. Una volta che il reattore ha raggiunto lo stato stazionario, prelevare almeno tre campioni da cinque millilitri in un corso di tempo dall'effluenza anodica e catodica e dalla colonna di assorbimento.

I risultati del cronoporometro mostrano un grafico tipico per un reattore continuo. Il passaggio al funzionamento continuo il sesto giorno ha comportato un aumento continuo della produzione attuale fino a raggiungere un plateau di 3,5 ampere per metro quadrato tra il giorno 12 e il giorno 16. L'influenza della temperatura diurna e notturna sulla produzione attuale è chiaramente visibile.

Ad esempio, dal giorno 42 al 46, la concentrazione di ammonio nel mangime è stata aumentata in diverse fasi. L'aumento di corrente era legato ad una maggiore conducibilità dell'alimentazione dell'anodo in cui l'aggiunta di bicarbonato di ammonio aumentava la concentrazione di ioni e quindi la conducibilità. La tensione della cella per il sistema elettrochimico è superiore a quella del bioreattore.

Ciò è dovuto principalmente al maggiore potenziale anodico richiesto per l'ossidazione elettrochimica dell'acqua in ossigeno. Il flusso di azoto per il bioreattore è superiore a quello del sistema elettrochimico. Ciò può essere spiegato dalla minore alcalinità dell'alimentazione del sistema elettrochimico, con conseguente abbassamento del pH h dell'analizzazione.

Ciò ha comportato una maggiore competizione tra ammonio e protoni per ripristinare l'equilibrio di carica sulla membrana. Questa tecnica apre ora la strada agli ingegneri ambientali per esplorare il recupero elettrochimico biologico e non biologico di specie cariche da flussi di rifiuti come lo stato di digestione anaerobica. Più specificamente, abbiamo dimostrato che un approccio biologico ha un input di energia inferiore, ma può soffrire di una robustezza leggermente inferiore e di un tempo di avvio più lungo.

L'approccio puramente elettrochimico può fornire quella robustezza, ma avrà un costo leggermente più elevato. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come impostare un sistema biochimico per il recupero dell'ammonio dalle acque reflue. Dovresti essere in grado di costruire una cella biochimica robusta e senza perdite e rimuovere un'unità di assorbimento per recuperare l'ammoniaca.