Name: 電気化学的およびBioelectrochemically誘起アンモニウム回復 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-01-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 50 s
Description: 学ぶ電気化学的およびバイオ電気化学的手法による窒素豊富な排水からのアンモニウム回収法。イオン交換膜を用いて高選択的にアンモニアを回収し、環境工学における栄養素リサイクル技術を習得できます。

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この作業は、ゲント大学からのSGのためのBOF助成金によって支援されました。ALは、ラトガース大学のNSF Fuels-IGERTによってサポートされています。SAは、欧州連合フレームワークプログラム7プロジェクト「ProEthanol 2G」の支援を受けています。SAとKRは、ゲント大学の学際的研究パートナーシップ(MRP)-持続可能な経済のためのバイオテクノロジー(01 MRA 510W)の支援を受けています。JDは、IOF Advanced助成金(F2012/IOF-Advanced/094)によってサポートされています。KRは、ERCスターターグラント「Electrotalk」によってサポートされています。著者は、TOCアートフィギュアをデザインしてくれたTim Lacoere、ストリップと吸収カラムを構築してくれたRobin Declerck、接種源を提供してくれたKun Guoに感謝しています。

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

この原稿は、アンモニウム回復のための生物電気化学および電気化学セルを設定するために必要なツールを提供します。結果のセクションで提示計算は、システムの性能を評価するためのパラメータを提供する。生物学的および電気化学システムは、セットアップおよび機能において類似している。二つのシステムの主な違いは、生物電気化学セットアップのための固定アノード電位に対して電気化学セルのための固定現在の選択である。非生物的なセットアップのための固定電流は、電極反応を駆動するのに必要であり、また、このようにして定常状態に至る、バルク相におけるプロセスの調節を可能にすることができる。一方、生物電気化学システムは、-200 mVのAg / AgClに対して一定のアノード電位は、電極15への電子移動を可能にするために選ばれた。二区画電気化学セルはエレクトリカによって駆動膜上アンモニウムの抽出を可能にするL電流。各システムは、他の上一定の利点を提供します。システムの可能な問題のいくつかを説明する。 生物電気化学システムは、システムのコストに関してはいくつかの利点を提供しています。グラファイトの...

排水·ゲインの重要性から価値ある製品の回収貴重な資源が回復せずに乏しいと治療になるとだけコストを表しています。廃水を回収することができる両方のエネルギーと栄養素を含み、栄養回復が生産ループ1を閉じるのを助けることができる。栄養素の回復はあまり一般的ではないながら、嫌気性消化によるエネルギーの回収は、十分に確立されたプロセスである。尿や肥料などの液体廃棄物の流れからの栄養分の回復が広くスツルバイトアンモニア2,3の直接のストリッピングの生産を通して、 例えば 、検討されている。しかしながら、化学添加の必要性は、これらのプロセス4の欠点がある。ここでは、カリウム及びアンモニウムの両方を含む廃棄物の流れからのカチオン性栄養素の回収のための手法を提示する。これらの栄養素のカチオン形態は、電気化学システムにおけるイオン選択性膜を使用して回収を可能にする。この場合、electrochemicらのシステムは（酸化が起こる）陽極室から成る、（還元が起こる）陰極室と区画を分離するためのイオン選択膜。電圧は、アノードからカソードへの電流の流れを生成するために、セルの両端に印加される。この電圧は、水の酸化還元反応を駆動するために外部電源によって生成することができる。代替的に、陽極酸化は、 例えば 、有機物の、より少ない電力を必要とする、電気細菌によって触媒され得る。回路を閉じて、電荷バランスを維持するために、荷電種は、生成された各電子のための電極の間に移行する必要があります。陽イオン交換膜（CEM）全体の陰極室に陽極室からアンモニウム輸送は、このように電子が4,5のフラックスを補償することができる。 ここで紹介するテクニックだけでなく、廃棄物の流れからアンモニアを削除するだけでなく、そのリカバリを可能にします。総アンモニア態窒素（TAN）は、両方のアモンの平衡状態で存在するイウム（NH 4 +）およびアンモニア（NH 3）、そしてpHおよび温度6に依存する。 NH 4 +は、陽極室に高いTAN濃度にし、pHが中性付近に豊富に入手可能であり、この正に帯電した種は、従って、陰極室にCEM横切る電流で駆動することができる。電流は、水酸化物イオンおよび水素ガスの産生をもたらす、カソードにおける水の還元を駆動する。 TAN平衡に起因陰極室（&gt; 10.0）で高いpHにほぼ100％のNH 3に移行する。 NH 3を簡単には、酸溶液中で捕捉され、集中して吸収塔に、ストリッピングユニットからの空気の循環を介して転送することができるガスである。 この技術は、肥料のようなNに富むストリームの嫌気性消化中にアンモニウム毒性を減少させる可能性があり、従って、これらの廃棄物の流れからのエネルギー回収を増加させると同時に、一方回復栄養素4。廃棄物に栄養回復技術は、尿、それによってWWTP 7における栄養素を除去するためのコストを回避するような高TAN含量ストリームとして電気化学的およびアンモニウムの生物電気化学抽出を適用することもできる。 我々はモジュール式反応器を用いるようにここに提示プロトコルは、多くの異なる化学的及び生物電気化学実験のための基礎として役立つことができる。以下のプロトコールで説明したように異なる電極タイプ、膜およびフレームの厚さを組み合わせることができる。プロトコルの主な目的は、電解セルを用いた電気化学アンモニウム回収、バイオ電気化学アンモニウム回復を比較するための手段を提供することである。システムは、抽出効率、電力入力および再現性の観点から評価される。

<table><tbody><tr><td>カーボンフェルト3.18mm厚</td><td>アルファAesar</td><td>ALFA43199</td><td>バイオアノードとして使用、110&nbsp;mm×110&nbsp;mm</td></tr><tr><td>Ti電極にIr MMOをコーティング&nbsp;</td><td>Magnetoの特別な陽極(オランダ)</td><td></td><td>電気化学試験のための安定した陽極として使用される</td></tr><tr><td>ステンレス鋼の網</td><td>Solana(ベルギー)</td><td>RVS 554/64:材料AISI 316L、網幅:564ミクロン、ワイヤー厚さ:140ミクロン、網数:36,6</td><td>陰極、110&nbsp;mm×110&nbsp;mm</td></tr><tr><td>ステンレス鋼板</td><td>ソラナ (ベルギー)</td><td>inox 304 シート、厚さ: 0.5 mm</td><td>バイオアノード</td></tr><tr><td>Ag/AgCl 参照電極</td><td>バイオロジック (フランス)</td> <td>A-012167 RE-1B</td><td></td></tr><tr><td>ポテンショスタット (VSP マルチポテンショスタット)</td> の集電体として使用されます。<td>Bio-Logic (フランス)</td><td></td><td></td></tr><tr><td>EC Lab</td><td>Bio-Logic (フランス)</td><td></td><td>電気化学測定用ソフトウェア</td></tr><tr><td>陽イオン交換膜</td><td>国際 (米国)</td><td>Ultrex CMI-7000</td><td>メーカーの指示に従って前処理</td></tr><tr><td>乱流プロモーターメッシュ</td><td>ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark)</td><td>EPC20432-PP-2</td><td>スペーサー材料, 110mm x 110 mm</td></tr><tr><td>コネクタ</td><td>Serto</td><td>1,281,161,120</td><td>その他のサイズも可能、チューブの種類とフレームの穴のサイズにより</td></tr>ます <tr><td>ストリップと吸収カラム</td><td></td><td></td><td>社内設計</td></tr><tr><td>チューブ</td><td>Masterflex</td><td>HV-06404-16</td><td></td></tr><tr><td>ガスバッグ</td><td>Keika Ventures</td><td></td><td>Kynar ガスバッグ ロバーツバルブ付き</td></tr><tr><td>ラシグリング</td><td>Glasatelier Saillart (ベルギー)</td><td>ラシヒリング 4 x 4 mm</td><td>ストリップと吸収カラムの内側に入れて、空気と液体の接触を改善します。多くのサプライヤーで利用可能</td></tr><tr><td>ラバーシート</td><td></td><td></td><td>パースペックスフレームに合うようにカット</td></tr><tr><td>パースペックス原子炉フレーム</td><td>Vlaeminck、Beernem</td><td></td><td>社内設計、このファイルの「原子炉フレーム」タブを参照してください</td></tr></tbody></table>

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

Electrochemically and Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery

尿や肥料などの流れには高レベルのアンモニウムが含まれている可能性があり、これらは農業や化学で再利用するために回収することができます。アンモニウムに富むストリームからのアンモニウムの抽出は、電気化学および生物電気化学システムを使用して実証されています。どちらのシステムもポテンショスタットによって制御され、電流を固定する(電気化学セルの場合)または作用電極の電位を固定する(生体電気化学セルの場合)かのいずれかです。生体電気化学セルでは、電気活性細菌が陽極反応を触媒しますが、電気化学セルでは、ポテンショスタットがより高い電圧を印加して電流を生成します。セル全体の電荷バランスの電流および結果としての回復により、陽イオン交換膜を横切って陽極質から陰極液へのアンモニウムなどの陽イオンの輸送が可能になります。陰極液のpHが高いとアンモニアが形成され、それを培地から取り除いて酸性溶液に捕捉できるため、貴重な栄養素を回収することができます。膜を横切るアンモニウムのフラックスは、非生物的反応器システムと生物的反応器システムの両方で、異なる陽極アンモニウム濃度と電流で特徴付けられます。どちらのシステムも、アンモニウムの電流効率と除去効率、および陽イオン交換膜を介したアンモニウム移動を促進するために必要なエネルギー入力に基づいて比較されます。最後に、信頼性、電極コスト、レートなどの主要な側面を考慮した比較分析が行われます。
このビデオ記事とプロトコルは、電気化学的および生物電気化学的アンモニア回収実験を行うために必要な情報を提供します。2つのケースのリアクタのセットアップと、リアクターの動作について説明します。私たちは、両方の反応器タイプのデータ分析と、生体電気化学および電気化学システムの長所と短所について詳しく説明します。

バイオリアクターからのクロノアンペロメトリーの結果 クロノアンペロメトリーの結果は、式（1）に従って算出（ 図4）連続反応のための典型的なグラフを示している。実験の開始時に、アノード及びカソードは、再循環モードで操作した。これは開発するバイオフィルムと、現在の生産の開始を可能にする。操作の5日後に、電流密度は、現在の生産の減少に続いて最大に達した。これは、バイオフィルムが電流を生成するために、炭素/電子源（ 例えば 、酢酸塩）を欠いていることの指標である。高原は高原がアンモニウムに十分なデータを取得する必要があった12日目と16との間に3.5 A / m 2の時に達するまで6日連続運転への変更は、6時間のHRTを使用して、現在の生産の継続的な増加をもたらした一定の電流密度の抽出。 アンモニウム濃度iはnはフィードはいくつかの手順（ 表2）に増加した。各ステップは、最終的に27 A / m 2の平均電流に達し...

私たちは、電気化学および生物電気化学システムを使用して、アンモニウムが豊富な流れからのアンモニウムの抽出を実証します。リアクターのセットアップ、操作、およびデータ分析について説明します。

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

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 ...

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。

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Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

出典:岡本A.他 現地で陽極呼吸細菌を濃縮するための自立電気化学装置。J. Vis.

現場電気化学システムを用いた陽極呼吸細菌の濃縮

ポテンショスタットによって制御される3電極セットアップを使用したフェッドバッチリアクターでの陽極電気活性微生物バイオフィルムのクロノアンペロメトリック成長が実証されています。細胞外電子移動は、電子供与体の存在下および電子供与体の存在下でのサイクリックボルタンメトリーを用いて特徴付けられます。基本的なデータ分析が実証されています。...

廃水由来の電気活性微生物バイオフィルム:成長、維持、および基本的な特性評価

本明細書にそれらの安定性および疎水性を高めるために、このような金属 - 有機骨格としての微孔性材料上にペルフルオロアルカンのプラズマ化学気相堆積のための手順が記載されている。さらに、サンプルのミリグラム量の破過試験は詳細に記載されている。...

プラズマを介した疎水性有機金属フレームワークの製造は、アンモニアの除去のためにペルフルオロアルカンの化学的気相成長法を強化

生理学的に関連する条件の下で生きている細菌によるバイオ...

生きているバイオ フィルムにおける電子輸送特性評価

従来の触媒とアンモニア選択性吸着剤を用いた低圧でアンモニアを合成できます。...

低圧でのアンモニア合成

ここで全細胞外膜シトクロムシェワネラ oneidensis氏-1 複合体を介して細胞外の電子輸送の速度へのプロトン輸送の貢献を研究する電気化学実験のプロトコルを提案する.

電気化学検出の重水素速度論的同位体効果シェワネラ oneidensis氏 1 の細胞外電子輸送

敷地内の微生物濃縮またはその場で栽培技術は培養困難な微生物イチイ、特に低バイオマスまたは砂岩極端な環境からの分離を実現できます。ここでは、細胞外の電子輸送 (EET)...

敷地内に陽極 respiring 細菌を豊かに自立の電気化学的セットアップ

N2Oへの逐次変換による14NH4+/154+ 1415NH4++分析に基づくアンモニウムへの非シミラトリー硝酸還元の電位率の測定

発電用のカチオン交換膜(CEM)とアニオン交換膜(AEM)を用いた逆電気透析装置の製造を実証する。...

逆電気透析装置の製造のためのイオン交換膜

1次元および2次元1HNMRを用いたペプチド-金属錯体の構造と配位決定

学ぶ電気化学的およびバイオ電気化学的手法による窒素豊富な排水からのアンモニウム回収法。イオン交換膜を用いて高選択的にアンモニアを回収し、環境工学における栄養素リサイクル技術を習得できます。

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

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