電気化学的およびBioelectrochemically誘起アンモニウム回復

次の実験の全体的な目標は、電気化学的または生物電気化学的アプローチを使用して、窒素が豊富なストリームからの栄養素の回収を調査することです。前者のアプローチは、水の酸化後に、アノード側からイオン交換膜を通ってカソード側に帯電するアンモニウムを流入するために使用できる駆動力を生成する電気化学システムをストリームに通過させることによって達成されます。第2のステップとして、カソード側のpHが高いと、アンモニウムが揮発性アンモニアに変換されます。

イオン交換膜の高い選択性により、純粋なアンモニア水素の流れを作り出すことができます。次に、カソーは、アンモニアを酸性媒体に閉じ込めるために、ストリッピングおよび吸収カラムを介して循環されます。電気化学的抽出は、アノード上のバイオフィルムの発達により、廃棄物の流れに存在する有機物を二酸化炭素、陽子、および電子に変換することができるバイオ電気化学的プロセスによっても駆動できます。

これにより、再び、アノードからカソードにアンモニウムのフラックスが駆動されます。その結果、どちらのアプローチでも、尿などの窒素が豊富な流れから栄養素を回収できることが示されています。従来の硝化脱窒方式では、排水処理におけるアンモニアを取り出して窒素ガスに変え、大気中に戻すため、窒素が失われます。

私たちのアプローチの利点は、アンモニアをクリーンな形で回収し、それを使って何かをすることができることです。再利用したり、他の製品に変換したりできます。2つ目のメリットは、電気をドライバーとして利用することです。

基本的にクリーンで安価なエネルギー源であり、化学物質の使用を避けます。手順を実演するのは、Sylvia Hilde Bain と Steven Anderson です。私の研究室の博士課程の学生2人とも、この手順を開始する前に、電極、フレーム、ゴムなど、リアクターの構築に必要なすべての材料を収集します。

メンブレンが製造元の指示に従って前処理されていることを確認した後、カーボンフェルト電極を2ミリモルのアセチルトリメチル臭化アンモニウム(A-C-T-A-B)に3分間浸して前処理します。次に、カーボンフェルト電極を脱塩水ですすいでください。これに続いて、リアクターのタイプに応じて異なるリアクタ部品を順番に積み重ねます。

次に、電気化学セルの反応器部品を積み重ねます。ナットとボルトを使用してリアクターを閉じ、反対側のボルトを手で締めて圧力を均等にします。リアクターの接続ポートはテフロンで密閉します。

ポートが適切に締められていることを確認してください。参照電極を作用電極と同じコンパートメントに配置します。次に、リアクターに水を入れて、漏れがないかどうかをテストします。

漏れが見られる場合は、ボルトが十分に締められているか、またはリアクタの組み立て中にリアクタの部品の一つが動いたか確認してください。漏れが検出されない場合は、原子炉から水を空にします。供給ポンプと再循環ポンプをリアクターに接続し、エアポンプをストリッピングユニットと吸収ユニットに接続します。

吸収カラムに250ミリリットルの1モル硫酸を充填して、チェリングを覆います。ポンプのスイッチがオンになったときに、エアストリームが酸をよく混合していることを確認してください。分析種と触媒液を調製した後、窒素ガスで少なくとも30分間パージして酸素を除去し、分析種を洗い流します。

接種材料については、バイオアノードを含む活性嫌気性バイオリアクターからの排出物の30ミリリットルの混合物を調製します。混合物をシリンジに集めます。次に、窒素を充填したガスバッグを分析物ボトルに接続します。

酸素が入らないように圧力を安定させるため。接種物入りシリンジを中型ボトルに空にし、アノードコンパートメントとカソードコンパートメントにそれぞれの溶液を同時に充填したシリンジを使用して、接種源と分析物の量を混合します。両方の原子炉コンパートメントが満たされたら、毎時約6リットルの再循環速度で再循環ポンプをオンにします。

これに続いて、アノードを作用電極として使用して、ポテンシャルスタットケーブルを3つの電極に接続します。クロノアベロメトリーモードで潜在的な統計をオンにします。電位統計ソフトウェアを使用して、銀、塩化銀の参照電極に対して負の200ミリボルトの固定アノード電位を選択し、連続給電に変更します。

油圧ハウジングのアノードとカソードのフィードポンプのスイッチを入れます。6時間の時間は、ストリップと吸収ユニットのエアポンプをオンにします。次に、閉ループで空気を再循環させます。

本文に記載されているように、新鮮な分析種と触媒種を使用して、週に 3 回培地をリフレッシュします。閉じた飼料ボトルに窒素を充填したガスバッグを取り付けます。供給ポンプを停止し、クランプを排水ラインに取り付けます。

次に、古いボトルと新しいボトルを切り替えます。clを取り外しますamp フィードが更新されるたびにポンプを再起動します。導電率、pH、酢酸含有量、およびアンモニウム濃度を測定するために、廃液および分析物および触媒質の廃液および廃液の5ミリリットルの液体サンプルを取り出します。

さらに、吸収カラムの3ミリリットルのサンプルを取り出して、pHを監視し、全アンモニウム窒素またはタン分析を行います。pHが4に近づいたら、AB吸収剤を新しいモル硫酸溶液と交換して、高い吸収効率を確保します。電流の安定化がアセテートの制限によって引き起こされない場合は、フィード中のアンモニウム濃度を上げ、電流が安定するのを待ちます。

電気化学的抽出の抽出効率を評価するには、次の表に従って、合成廃水流を分析種として調製します。硫酸アンモニウムを加えて、最終濃度を1リットルあたり5グラムの窒素にします。このフィードポンプのスイッチを取って反応器コンパートメントを充填した後、ポンプ速度を下げて6時間の油圧滞留時間を取得します。

リアクターが満たされたら、前と同じように、1時間あたり6リットルの速度で再循環ポンプのスイッチを入れます。次に、ストリップと吸収ユニットを開始した後、流暢に5ミリリットルのサンプルを取り出します。ポテンシャルスタットソフトウェアを使用して、クロノメトリーモードでポテンシャルスタットをオンにします。

まず、1メートルあたり約0.5NPIの低電流密度を24時間印加して、膜を分極し、拡散のみによる窒素フラックスを決定します。システムを24時間分極した場合、実験に必要な電流密度(通常は10アンペア/メートルの2乗から50アンペアの橋脚/メートルの2乗まで)を適用します。反応器が定常状態に達したら、アノードとカソードの流出、および吸収塔から、時間の経過とともに少なくとも3つの5ミリリットルのサンプルを採取します。

クロノポロメーターの結果は、連続反応器の典型的なグラフを示しています。6日目の連続運転への変更により、現在の生産量は継続的に増加し、12日目から16日目にかけて1メートルあたり3.5アンペアの2乗でプラトーに達しました。現在の生産に対する昼夜の気温の影響ははっきりと見えます。

例えば、42日目から46日目にかけて、飼料中のアンモニウム濃度はいくつかのステップで増加しました。電流の増加は、重炭酸アンモニウムの添加によりイオン濃度が増加し、したがって伝導率が増加するアノードフィードの導電率の増加に関連していました。電気化学システムのセル電圧は、バイオリアクターのセル電圧よりも高くなります。

これは主に、水から酸素への電気化学的酸化に必要なアノード電位が高いためです。バイオリアクターの窒素フラックスは、電気化学システムよりも高くなっています。これは、電気化学システムの供給のアルカリ度が低いため、分析pH hが低くなることで説明できます。

これにより、膜上の電荷バランスを回復するためのアンモニウムとプロトンの間の競争が激しくなりました。この技術は、環境エンジニアが嫌気性消化状態などの廃棄物の流れから荷電した種の生物学的および非生物学的電気化学的回復を探求する道を開くものです。より具体的には、生物学的アプローチはより少ないエネルギー入力で提供されますが、堅牢性がやや低下し、起動時間が長くなる可能性があることを示しました。

純粋な電気化学的アプローチは、その堅牢性を提供するだけかもしれませんが、やや高いコストがかかります。このビデオを見れば、廃水からアンモニウムを回収するための生化学システムの設定方法について十分に理解できるはずです。堅牢で漏れのない生化学細胞を構築でき、吸収ユニットを剥がしてアンモニアを回収できるはずです。