We demonstreren de extractie van ammonium uit een ammonium-rijke stroom met behulp van een elektrochemisch en een bio-elektrochemisch systeem. De reactoropstelling, werking en gegevensanalyse worden besproken.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Elektrochemisch en Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Stromen zoals urine en mest kunnen hoge niveaus van ammonium bevatten, die kunnen worden teruggewonnen voor hergebruik in de landbouw of chemie. De extractie van ammonium uit een ammoniumrijke stroom wordt gedemonstreerd met behulp van een elektrochemisch en een bio-elektrochemisch systeem. Beide systemen worden bestuurd door een potentiostaat om de stroom vast te stellen (voor de elektrochemische cel) of het potentieel van de werkelektrode vast te stellen (voor de bio-elektrochemische cel). In de bio-elektrochemische cel katalyseren elektroactieve bacteriën de anodisc reactie, terwijl in de elektrochemische cel de potentiostaat een hogere spanning toepast om een stroom te produceren. De stroom en de daaruit voortvloeiende herstelling van de ladingsbalans over de cel maken het transport van kationen, zoals ammonium, mogelijk door een kationenuitwisselingsmembraan van de anoliet naar de katholiet. De hoge pH van de katholiet leidt tot de vorming van ammoniak, dat uit het medium kan worden afgetrokken en in een zure oplossing kan worden opgevangen, waardoor de herwinning van een waardevolle voedingsstof mogelijk wordt. De flux van ammonium door het membraan wordt gekarakteriseerd bij verschillende ammoniumconcentraties in de anoliet en stromingen voor zowel de abiotische als biotische reactorsystemen. Beide systemen worden vergeleken op basis van stroom en verwijderingsefficiënties voor ammonium, evenals de energie-invoer die nodig is om de ammoniumoverdracht door het kationenuitwisselingsmembraan aan te drijven. Ten slotte wordt een vergelijkende analyse gemaakt met betrekking tot belangrijke aspecten zoals betrouwbaarheid, elektrodekosten en snelheid.
Dit videoartikel en protocol bieden de nodige informatie om elektrochemische en bio-elektrochemische ammoniak herwinning experimenten uit te voeren. De reactoropstelling voor de twee gevallen wordt uitgelegd, evenals de reactorwerking. We gaan in op de gegevensanalyse voor beide reactortypen en op de voor- en nadelen van bio-elektrochemische en elektrochemische systemen.
Inleiding
Herstel van waardevolle producten uit afvalwater belang wint als waardevolle middelen schaars worden en de behandeling zonder herstel vertegenwoordigt slechts een kostenpost. Afvalwater bevat zowel de energie en voedingsstoffen die kunnen worden hersteld, en het herstel van voedingsstoffen kan helpen om de productie lus 1 sluiten. Terugwinning van energie door anaerobe vergisting is een gevestigde proces, terwijl het herstel van voedingsstoffen komt minder vaak voor. Terugwinnen van nutriënten uit vloeibare afvalstromen, zoals urine en mest wijd onderzocht, bijvoorbeeld door de productie van struviet en directe strippen van ammoniak 2,3.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Montage van de Reactor en aansluiten Strippen en Absorption Units
- Verzamel alle nodige materiaal om de reactor te bouwen: elektroden, frames en rubbers (zie lijst van materialen). Knip voorzichtig alle onderdelen op dezelfde afmetingen om lekken te vermijden tijdens het monteren van de reactor.
- Boor gaten in de reactor compartimenten om een man op man connector passen. Boor een extra gat in het midden van de zijde van een van de reactor compartimenten van de referentie-elektrode passen.
- Bereid een voorraad van 1 MH 2 SO 4 voor de kolom absorptie. Verhoog de concentratie noodzakelijk hogere belastingen ammoniak....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Chronoamperometry gevolg van de bioreactor
De chronoamperometry resultaten, berekend volgens vergelijking 1, vertonen een typische grafiek voor een continue reactor (figuur 4). Bij aanvang van het experiment, de anode en kathode werden in de recirculatiestand. Hierdoor kan een biofilm te ontwikkelen en het begin van de lopende productie. Na 5 dagen in bedrijf, de stroomdichtheid een maximum bereikte, gevolgd door een afname in de lopende productie. Dit is ee.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Dit manuscript biedt de noodzakelijke gereedschappen voor het opzetten van een bioelektrische en een elektrochemische cel voor ammonium herstel. De in de resultaten sectie berekeningen vormen de parameters voor de evaluatie van de prestaties van het systeem. De biologische en elektrochemische systemen qua opzet en functie. Het belangrijkste verschil tussen de twee systemen is de keuze van een vaste stroom van de elektrochemische cel versus vaste anode potentieel voor de bioelektrische setup. De vaste stroom van de abiot.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door de BOF-subsidie voor SG van de Universiteit Gent. AL wordt ondersteund door de Rutgers University NSF Fuels-IGERT. SA wordt ondersteund door het project “ProEthanol 2G” van het Europees Kaderprogramma 7. SA en KR worden ondersteund door het Multidisciplinair Onderzoekspartnerschap (MRP) van de Universiteit Gent - Biotechnologie voor een duurzame economie (01 MRA 510W). JD wordt ondersteund door een IOF Advanced-subsidie (F2012/IOF-Advanced/094). KR wordt ondersteund door de ERC Starter Grant “Electrotalk”. De auteurs danken Tim Lacoere voor het ontwerpen van de TOC-kunstfiguur, Robin Declerck voor het bouwen van de strip- en absorptiekol....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Carbon Felt 3,18 mm Dik | Alfa Aesar | ALFA43199 | Gebruikt als bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti-elektrode bedekt met Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Gebruikt als stabiele anode voor elektrochemische tests | |
| Roestvrijstalen gaas | Solana (Belgium) | RVS 554/64: materiaal AISI 316L, maaswijdte: 564 micron, draaddikte: 140 micron, maasnummer: 36,6 | Gebruikt als kathode, 110 mm x 110 mm |
| Roestvrijstalen plaat | Solana (Belgium) | inox 304 plaat, dikte: 0,5 mm | Gebruikt als stroomcollector voor de bioanode |
| Ag/AgCl Referentie-elektrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostaat (VSP Multipotentiostaat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software voor het uitvoeren van elektrochemische metingen | |
| Kationenuitwisselingsmembraan | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Voorbereidt volgens de instructies van de fabrikant |
| Turbulentiepromotor gaas | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | Spacer materiaal, 110 mm x 110 mm |
| Connectoren | Serto | 1,281,161,120 | Andere maten mogelijk, afhankelijk van het type slang en de grootte van de gaten in de frames |
| Strip en absorptiekolom | In-house ontwerp | ||
| Slang | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gaszak | Keika Ventures | Kynar gaszak met Roberts klep | |
| Rashig-ringen | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig-ringen 4 x 4 mm | Geplaatst in de strip en absorptiekolom om de lucht/vloeistof-contact te verbeteren. Beschikbaar bij veel leveranciers |
| Rubberstrook | Op maat gesneden om op de perspex frames te passen | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house ontwerp, zie tabblad "reactor frames" in dit bestand |
Referenties
- Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. Maximum use of resources present in domestic "used water". Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).
- Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. Pretreatment of anaerobic digesti....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
