전기 및 Bioelectrochemically 유도 암모늄 복구

다음 실험의 전반적인 목표는 전기화학적 또는 바이오 전기화학적 접근 방식을 사용하여 질소가 풍부한 흐름에서 영양소의 회수를 조사하는 것입니다. 전자의 접근 방식은 전기화학 시스템을 통해 스트림을 통과시킴으로써 달성되며, 물이 산화된 후 양극 측에서 이온 교환막을 가로질러 음극 측으로 전하 암모늄을 플럭스하는 데 사용할 수 있는 추진력을 생성합니다. 두 번째 단계로, 음극 측의 높은 pH로 인해 암모늄이 휘발성 암모니아로 전환됩니다.

이온 교환막의 높은 수준의 선택성은 순수한 암모니아 수소 흐름을 생성할 수 있습니다. 다음으로, 음극은 암모니아를 산성 매체에 가두기 위해 스트리핑 및 흡수 컬럼을 통해 순환됩니다. 전기화학적 추출은 또한 바이오 전기화학적 공정에 의해 주도될 수 있으며, 여기서 양극에 생물막이 형성되면 폐기물 흐름에 존재하는 유기물을 이산화탄소, 양성자 및 전자로 전환할 수 있습니다.

이것은 다시 양극에서 음극으로 암모늄 플럭스를 구동합니다. 결과는 두 가지 방법 모두 소변과 같은 질소가 풍부한 흐름에서 영양소를 회수할 수 있음을 보여줍니다. 폐수 처리에 대한 기존의 질산화 탈질 접근 방식은 폐수에서 암모니아를 질소 가스로 바꾸어 대기 중으로 되돌려 보내므로 질소를 잃게 됩니다.

우리 접근 방식의 장점은 암모니아를 취하여 깨끗한 형태로 회수하여 암모니아로 무언가를 할 수 있다는 것입니다. 재사용하거나 다른 제품으로 변환할 수 있습니다. 우리 접근 방식의 두 번째 장점은 전기를 동인으로 사용한다는 것입니다.

본질적으로 깨끗하고 저렴한 에너지원이며 화학 물질의 사용을 피합니다. 실비아 힐데 베인(Sylvia Hilde Bain)과 스티븐 앤더슨(Steven Anderson)이 시연을 맡습니다. 제 연구실의 두 박사 과정 학생 모두 이 절차를 시작하기 전에 전극, 프레임 및 고무를 포함하여 반응기를 만드는 데 필요한 모든 재료를 수집합니다.

제조업체의 지침에 따라 멤브레인이 전처리되었는지 확인한 후 탄소 펠트 전극을 2밀리몰 아세틸 트리메틸 암모늄 브로마이드 또는 A-C-T-A-B에 3분 동안 담가 전처리합니다. 그런 다음 탄소 펠트 전극을 탈염수로 헹굽니다. 그런 다음 반응기 유형에 따라 다른 반응기 부품을 순서대로 쌓습니다.

그런 다음 전기화학 전지의 반응기 부품을 쌓습니다. 너트와 볼트를 사용하여 반응기를 닫고 반대쪽에 있는 볼트를 손으로 조여 압력을 균등화합니다. 테프론을 사용하여 반응기의 연결 포트를 밀봉합니다.

포트가 제대로 조여졌는지 확인하십시오. 기준 전극을 작업 전극과 동일한 구획에 놓습니다. 다음으로, 반응기에 물을 채워 누출이 없는지 테스트합니다.

누출이 관찰되면 볼트가 충분히 조여졌는지 또는 반응기를 조립하는 동안 반응기 부품 중 하나가 움직였는지 확인하십시오. 누출이 감지되지 않으면 반응기에서 물을 비우십시오. 공급 및 재순환 펌프를 반응기에 연결하고 공기 펌프를 스트리핑 및 흡수 장치에 연결합니다.

che 고리를 덮기 위해 250ml의 1몰 황산으로 흡수 컬럼을 채웁니다. 펌프가 켜져 있을 때 Airstream이 산을 잘 혼합하는지 확인하십시오. 분석물 및 촉매 용액을 준비한 후 산소를 제거하기 위해 최소 30분 동안 질소 가스로 퍼징하여 분석물을 세척합니다.

접종을 위해 바이오 양극을 포함한 활성 혐기성 생물 반응기에서 30 밀리리터의 유출 혼합물을 준비합니다. 혼합물을 주사기에 모으십시오. 다음으로, 질소로 채워진 가스 백을 분석물 병에 연결합니다.

산소가 들어가지 않도록 압력을 안정적으로 유지하기 위해. 양극과 음극 구획을 각각의 용액으로 동시에 채운 주사기를 사용하여 접종물이 든 주사기를 중간 병에 비워 접종물 소스와 분석물의 부피를 혼합합니다. 두 반응기 격실이 모두 채워지면 시간당 약 6리터의 재순환 속도로 재순환 펌프를 켭니다.

그런 다음 양극을 작동 전극으로 사용하여 전위 스탯 케이블을 세 개의 전극으로 연결합니다. 크로노 수압 측정 모드에서 잠재적 통계를 켭니다. potentials stat 소프트웨어를 사용하여 은, 염화은 기준 전극에 비해 음의 200밀리볼트의 고정 양극 전위를 선택하여 연속 공급으로 변경합니다.

유압 거주지에서 양극 및 음극에 대한 공급 펌프를 켭니다. 6 시간의 시간은 스트립과 흡수 장치의 공기 펌프를 켭니다. 그런 다음 폐쇄 루프에서 공기를 재순환시킵니다.

텍스트에 설명된 대로 새로운 분석물과 촉매물로 일주일에 세 번 배지를 새로 고칩니다. 밀폐된 사료 병에 질소로 채워진 가스 백을 부착합니다. 공급 펌프를 중지하고 폐수 라인에 클램프를 놓습니다.

그런 다음 기존 병과 새 병을 교체하십시오. 클램프를 제거하고 공급을 새로 고칠 때마다 펌프를 다시 시작하십시오. 전도도, pH 아세테이트 함량 및 암모늄 농도를 측정하기 위해 분석물과 촉매액의 폐수 및 폐수에 대한 5밀리리터 액체 샘플을 제거합니다.

또한 흡수 컬럼의 3ml 샘플을 제거하여 pH를 모니터링하고 총 암모늄 질소 또는 황갈색 분석을 수행합니다. pH가 4에 가까워지면 AB 흡수제를 새로운 1몰 황산 용액으로 교체하여 높은 흡수 효율을 보장합니다. 현재 안정화가 아세테이트 제한으로 인한 것이 아닌 경우 공급물의 암모늄 농도를 높이고 전류가 안정화될 때까지 기다립니다.

전기화학적 추출을 위한 추출 효율을 평가하기 위해 다음 표에 따라 합성 폐수 스트림을 분석물로 준비합니다. 황산암모늄을 첨가하여 리터당 5g의 질소 최종 농도에 도달합니다. 반응기 구획을 채우기 위해 공급 펌프를 켠 다음 펌프 속도를 줄여 6시간의 유압 체류 시간을 얻습니다.

반응기가 채워지면 이전과 마찬가지로 시간당 6 리터의 속도로 재순환 펌프를 켭니다. 그런 다음 스트립과 흡수 장치를 시작한 후 in fluent의 5 밀리리터 샘플을 제거하십시오. 전위 통계 소프트웨어를 사용하여 크로노메트리 모드에서 전위 통계를 켭니다.

먼저, 24시간 동안 제곱미터당 약 0.5NPI의 낮은 전류 밀도를 적용하여 멤브레인을 분극화하고 확산만으로 인한 질소 플럭스를 측정합니다. 시스템이 24시간 동안 편광되면 일반적으로 제곱미터당 10암페어 피어에서 제곱미터당 50암페어 피어에 이르는 실험에 필요한 전류 밀도를 적용합니다. 반응기가 안정 상태에 도달하면 양극 및 음극 유출 및 흡수 컬럼에서 시간 경과에 걸쳐 최소 3개의 5밀리리터 샘플을 채취합니다.

크로노 포로미터 결과는 연속 반응기에 대한 일반적인 그래프를 보여줍니다. 6일차에 연속 운전으로 변경함으로써 12일째와 16일차 사이에 제곱미터당 3.5암페어의 정체기에 도달할 때까지 현재 생산량이 지속적으로 증가했습니다. 현재 생산량에 대한 낮과 밤의 온도가 미치는 영향이 명확하게 보입니다.

예를 들어, 42일째부터 46일까지, 사료 내 암모늄 농도는 여러 단계로 증가되었습니다. 현재의 증가는 양극 공급물의 전도도 증가와 관련이 있으며, 중탄산 암모늄의 첨가는 이온 농도를 증가시켜 전도도를 증가시킵니다. 전기화학 시스템의 셀 전압은 생물 반응기보다 높습니다.

이는 주로 물을 산소로 전기화학적으로 산화하는 데 필요한 더 높은 양극 전위 때문입니다. 생물 반응기의 질소 플럭스는 전기 화학 시스템보다 높습니다. 이는 전기화학 시스템 공급물의 알칼리도가 낮아 분석 pH h가 낮아지는 것으로 설명할 수 있습니다.

이로 인해 멤브레인의 전하 균형을 복원하기 위해 암모늄과 양성자 간의 경쟁이 치열해졌습니다. 이 기술은 이제 환경 엔지니어가 혐기성 소화 상태와 같은 폐기물 흐름에서 하전된 종의 생물학적 및 비생물학적 전기화학적 회수를 탐구할 수 있는 길을 열어줍니다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 생물학적 접근법은 더 낮은 에너지 입력에서 나오지만 다소 낮은 견고성과 더 긴 시작 시간으로 인해 어려움을 겪을 수 있음을 보여주었습니다.

순전히 전기화학적 접근 방식은 이러한 견고성을 제공할 수 있지만 비용이 다소 더 많이 듭니다. 이 비디오를 시청한 후에는 폐수에서 암모늄을 회수하기 위한 생화학 시스템을 설정하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 견고하고 누출이 없는 생화학 세포를 구성할 수 있어야 하며, 암모니아를 회수하기 위해 흡수 장치를 제거합니다.