Elektrochemisch en Bioelectrochemically Induced Ammonium Recovery
22 januari 2015
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.
Het algemene doel van het volgende experiment is om de herstel van nutriënten uit stikstofrijke stromen te onderzoeken met behulp van een elektrochemische of bio-elektrochemische benadering. De eerste benadering wordt bereikt door de stroom door een elektrochemisch systeem te laten gaan, dat na oxidatie van water een aandrijvende kracht creëert die kan worden gebruikt om ammonium van de anodekant over een ionenuitwisselingsmembraan naar de kathodekant te transporteren. Als tweede stap resulteert de hoge pH aan de kathodekant in de omzetting van ammonium in vluchtige ammoniak.
De hoge selectiviteit van het ionenuitwisselingsmembraan maakt de creatie van een zuivere ammoniak-waterstofstroom mogelijk. Vervolgens wordt de catho gecirculeerd door een strip- en absorptiekolom om de ammoniak in een zuur medium te vangen. De elektrochemische extractie kan ook worden aangedreven door bio-elektrochemische processen, waarbij de ontwikkeling van een biofilm op de anode de omzetting van organisch materiaal aanwezig in de afvalstroom in kooldioxide, protonen en elektronen mogelijk maakt.
Dit zal opnieuw een flux van ammonium van de anode naar de kathode veroorzaken. De resultaten tonen aan dat beide benaderingen nutriënten kunnen herstellen uit stikstofrijke stromen zoals urine. De conventionele nitrificatie-denitrificatie-aanpak bij afvalwaterbehandeling haalt de ammoniak uit het afvalwater en verandert het in stikstofgas, dat weer terugkeert in de atmosfeer, dus we verliezen het stikstof.
Het voordeel van onze benadering is dat we de ammoniak nemen en deze in een schone vorm herstellen, zodat we er iets mee kunnen doen. We kunnen het hergebruiken of omzetten in een ander product. Een tweede voordeel van onze benadering is dat we elektriciteit als aandrijver gebruiken.
Het is in wezen een schone en goedkope energiebron en het vermijdt het gebruik van chemicaliën. Het demonstreren van de procedure zal Sylvia Hilde Bain en Steven Anderson zijn. Beide promovendi uit mijn lab. Voordat u met deze procedure begint, verzamelt u al het nodige materiaal om de reactor te bouwen, inclusief de elektroden, frames en rubbers.
Nadat u ervoor hebt gezorgd dat de membraan is voorbehandeld volgens de instructies van de fabrikant, behandel de koolstofviltelektrode door deze drie minuten in twee millimolair acetyltrimethylammoniumbromide of A-C-T-A-B te weken. Spoel vervolgens de koolstofviltelektrode met gedemineraliseerd water. Daarna stapel de verschillende reactoronderdelen in volgorde volgens het type reactor.
Stapel vervolgens de reactoronderdelen voor de elektrochemische cel. Gebruik moeren en bouten om de reactor te sluiten en draai de bouten aan tegenoverliggende zijden met de hand vast om de druk gelijk te maken. Dicht de verbindingspoorten van de reactor af met Teflon.
Zorg ervoor dat de poort goed is vastgedraaid. Plaats de referentie-elektrode in hetzelfde compartiment als de werkelektrode. Vul vervolgens de reactor met water om te testen of deze lekvrij is.
Als er lekken worden waargenomen, controleer of de bouten voldoende zijn vastgedraaid of als een van de reactoronderdelen is verplaatst tijdens het samenstellen van de reactor. Als er geen lekken worden gedetecteerd, leegt u het water uit de reactor. Sluit de voedings- en recirculatiepompen aan op de reactor en de luchtpomp op de strip- en absorptie-eenheden.
Vul de absorptiekolom met 250 milliliter eenmolaire zwavelzuur om de che-ringen te bedekken. Zorg ervoor dat de luchtstroom het zuur goed mengt wanneer de pomp wordt ingeschakeld. Nadat de analyt- en katalyt-oplossingen zijn voorbereid, spoelt u de analyt door deze gedurende ten minste 30 minuten met stikstofgas te purgen om zuurstof te verwijderen.
Voor het inoculum bereidt u een 30 milliliter mengsel van effluent van actieve anaerobe bioreactoren voor, inclusief een bio-anode. Verzamel het mengsel in een spuit. Verbind vervolgens een gaszak gevuld met stikstof aan de analytfles.
Om de druk stabiel te houden terwijl zuurstof niet binnen mag komen. Meng de inoculumbron met het volume van de analyt door de spuit met inoculum in de mediumfles te legen met behulp van een spuit. Vul de anode- en kathodecompartimenten tegelijkertijd met hun respectieve oplossingen. Wanneer beide reactorcompartimenten gevuld zijn, zet u de recirculatiepomp aan op een recirculatiesnelheid van ongeveer zes liter per uur.
Verbind vervolgens de potentiostatkabel met drie elektroden met de anode als werkelektrode. Schakel de potentiostat in de chrono aberrometriemodus in. Gebruik de potentiostatsoftware om een vaste anodepotentiaal van negatief 200 millivolt ten opzichte van de zilver-zilverchloridereferentie-elektrode te selecteren om over te schakelen naar continu voeden.
Schakel de voedingspomp voor de anode en kathode in bij een hydraulische verblijfstijd van zes uur. Schakel de luchtpomp van de strip- en absorptie-eenheid in. Hercirculeer vervolgens de lucht in een gesloten lus.
Ververs het medium drie keer per week met vers analyt en katalyt zoals beschreven in de tekst. Bevestig een gaszak gevuld met stikstof aan de gesloten voedingsfles. Stop de voedingspomp en plaats een klem op de effluentleiding.
Verwissel vervolgens de oude en nieuwe flessen. Verwijder de klemmen en start de pomp opnieuw wanneer het voedingsmiddel wordt ververst. Neem vijf milliliter vloeibare monsters van het effluent en effluent van de analyt en katalyt voor het meten van de geleidbaarheid, pH-acetaatinhoud en ammoniumconcentratie.
Verwijder bovendien een monster van drie milliliter van de absorptiekolom om de pH te controleren en voor de analyse van totaal ammoniumstikstof of tan. Wanneer de pH vier nadert, vervangt u het AB-absorbens door verse eenmolaire zwavelzuuroplossing om een hoge absorptie-efficiëntie te garanderen. Als de stroomstabilisatie niet wordt veroorzaakt door acetaatbeperkingen, verhoogt u de ammoniumconcentratie in het voedingsmiddel en wacht u op stabilisatie van de stroom.
Om de extractie-efficiënties voor elektrochemische extractie te beoordelen, bereidt u een synthetische afvalwaterstroom als analyt volgens de volgende tabel. Voeg ammoniumsulfaat toe om een eindconcentratie van vijf gram stikstof per liter te bereiken. Schakel vervolgens de voedingspomp in om de
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de extractie van ammonium uit stikstofrijke stromen met behulp van elektrochemische en bio-elektrochemische systemen. De opzet van de reactor, de werking en de data-analyse worden besproken.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Milieutechniek
- Elektrochemie
- Bio-engineering
Achtergrond
- Ammoniumextractie is cruciaal voor het herstel van nutriënten.
- Elektrochemische methoden kunnen de efficiëntie van het nutriëntenherstel verbeteren.
- Bio-elektrochemische systemen maken gebruik van microbiële processen voor de conversie van nutriënten.
- Ionenuitwisselingsmembranen spelen een sleutelrol bij het selectieve ionentransport.
Doel van de studie
- Om ammonium terug te winnen uit stikstofrijke afvalstromen.
- Om elektrochemische en bio-elektrochemische extractiemethoden te vergelijken.
- Om de efficiëntie van de reactoropstelling te analyseren.
Gebruikte methoden
- Elektrochemische extractie met behulp van ionenuitwisselingsmembranen.
- Bioelektrochemische processen met biofilmvorming op de anode.
- Omzetting van ammonium naar ammoniak door pH-manipulatie.
- Data-analyse van reactorprestaties en nutriëntenterugwinning.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle extractie van ammonium uit de afvalstroom.
- Hoge selectiviteit bereikt met behulp van ionenuitwisselingsmembranen.
- Effectieve omzetting van ammonium naar ammoniak aan de kathode.
- Bio-elektrochemische processen toonden potentieel voor nutriëntenherwinning.
Conclusies
- Elektrochemische en bio-elektrochemische systemen zijn geschikt voor de extractie van ammonium.
- Ionenuitwisselingsmembranen verhogen de zuiverheid van het geëxtraheerde ammoniak.
- Verdere optimalisatie zou de efficiëntie van het nutriëntenherstel kunnen verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Leidinggevenden
Het terugwinnen van nutriënten uit afvalstromen ondersteunt duurzaam hulpbronnenbeheer in de biofarmaceutische en chemische industrie. Elektrochemische en bioelektrochemische benaderingen maken selectieve ammoniumextractie mogelijk, waardoor de afhankelijkheid van energie-intensieve conventionele methoden wordt verminderd. Deze technologie biedt een weg om afvalvalorisatie te integreren in de inkoop van upstream grondstoffen of in workflows voor afvalverwerking.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek mogelijk naar stikstofmetabolisme-paden in microbiële systemen die worden gebruikt voor bioelektrochemische ammoniumterugwinning.
- Operationele waarde: Biedt een gecontroleerd platform om de prestaties van elektroactieve biofilms te beoordelen onder gedefinieerde elektrochemische omstandigheden.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert kwantitatieve gegevens over de ammoniumflux over ionenuitwisselingsmembranen bij variërende stroomdichtheden en voedingsconcentraties.
- Operationele waarde: Ondersteunt de standaardisatie van de werking van bio-elektrochemische reactoren voor reproduceerbare metingen van nutriëntenherwinning.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Demonstreert de continuïteit van herstel op laboratoriumschaal tot potentiële integratie in afvalwaterbehandelingssystemen voor circulair resourcegebruik.
- Operationele waarde: Maakt vergelijking van de energie-input en verwijderingsefficiëntie tussen abiotische en biotische systemen mogelijk voor procesoptimalisatie.
Integratie van pipeline en workflow
De methode past binnen workflows in de ontdekkingsfase waarin microbiële elektroactiviteit en ionentransport worden geëvalueerd voor duurzame procesontwikkeling.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing over extracellulaire elektronentransport en de rol hiervan bij het aansturen van kationflux over membranen.
- Screening: Beschrijft de gereedheid van de assay via gestandaardiseerde protocollen voor reactoropstart, polarisatie en steady-state bemonstering.
- Analytics: Benadrukt ammoniumconcentratie, geleidbaarheid en pH-metingen als belangrijkste read-outs voor het evalueren van de extractie-efficiëntie.
- Translational Research: Verbindt herstel op laboratoriumschaal met valorisatie van afvalstromen op pilotschaal via gedefinieerde operationele parameters.
- Enterprise Reuse: Presenteert de elektrochemische/bio-elektrochemische cel als een herbruikbaar platform voor het testen van diverse grondstoffen afgeleid van afval.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Mechanistische risicovermindering van bio-elektrochemisch ammoniumherstel door het isoleren van variabelen zoals stroomdichtheid en voedingssamenstelling.
- Operationele waarde: Gestandaardiseerde membraanvoorbehandeling en elektrodevoorbereiding verbeteren de reproduceerbaarheid over verschillende experimentele runs.
- Strategische waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen mogelijk over de adoptie van bio-elektrochemische versus elektrochemische benaderingen op basis van energie-input en robuustheid.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de prioritering van technologieën voor nutriëntenherstel met een lager chemisch verbruik en compatibiliteit met hernieuwbare energie.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in elektrochemie, biofilmkweek en het hanteren van ionenuitwisselingsmembranen.
- Potentiostaat, circulatiepompen, stripping-/absorptie-eenheden en analytische instrumenten voor de meting van ammonium en pH zijn noodzakelijk.
- Vraagt om standaardisatie van de voedingsmediumbereiding, inoculatie en vernieuwingsschema's voor consistente bioelektrochemische prestaties.
- Omvat overwegingen met betrekking tot adaptatie bij het opschalen van synthetisch afvalwater naar complexe stromen zoals urine of mest.
- Bevat praktische beperkingen, zoals langere opstarttijden voor bioelektrochemische systemen en hogere spanningsvereisten voor elektrochemische cellen.
