Elektrochemicznie i bioelektrochemicznie indukowany odzysk amonu

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie odzyskiwania składników odżywczych ze strumieni bogatych w azot przy użyciu podejścia elektrochemicznego lub bioelektrochemicznego. Pierwsze podejście osiąga się poprzez przepuszczenie strumienia przez układ elektrochemiczny, który po utlenieniu wody wytwarza siłę napędową, którą można wykorzystać do strumieniowania ładunku amonowego od strony anody przez membranę jonowymienną do strony katody. W drugim etapie wysokie pH po stronie katody powoduje konwersję amonu do lotnego amoniaku.

Wysoki poziom selektywności membrany jonowymiennej umożliwia wytworzenie strumienia czystego wodoru amoniaku. Następnie kato jest przepuszczane przez kolumnę strippingową i absorpcyjną w celu uwięzienia amoniaku w środowisku kwaśnym. Ekstrakcja elektrochemiczna może być również napędzana przez procesy bioelektrochemiczne, w których wytworzenie biofilmu na anodzie umożliwia konwersję substancji organicznych obecnych w strumieniu odpadów w dwutlenek węgla, protony i elektrony.

To z kolei spowoduje przepływ amonu z anody do katody. Wyniki pokazują, że obie metody mogą odzyskiwać składniki odżywcze ze strumieni bogatych w azot, takich jak mocz. Konwencjonalne podejście do denitryfikacji nitryfikacji w oczyszczaniu ścieków pobiera amoniak ze ścieków i zamienia go w gazowy azot, który wraca do atmosfery, więc tracimy azot.

Zaletą naszego podejścia jest to, że bierzemy amoniak i odzyskujemy go w czystej postaci, dzięki czemu możemy coś z nim zrobić. Możemy go ponownie wykorzystać lub przekształcić w inny produkt. Drugą zaletą naszego podejścia jest to, że wykorzystujemy energię elektryczną jako siłę napędową.

Jest to zasadniczo czyste i tanie źródło energii, w którym unika się stosowania chemikaliów. Procedurę zademonstrują Sylvia Hilde Bain i Steven Anderson. Obaj doktoranci z mojego laboratorium Przed przystąpieniem do tej procedury zbierają wszystkie niezbędne materiały do budowy reaktora, w tym elektrody, ramy i gumy.

Po upewnieniu się, że membrana została poddana wstępnej obróbce zgodnie z instrukcjami producenta, należy wstępnie przygotować elektrodę z filcu węglowego, mocząc ją w dwumilimolowym bromku acetylu trimetyloamoniowym lub A-C-T-A-B przez trzy minuty. Następnie przepłucz elektrodę z filcu węglowego wodą demineralizowaną. Następnie ułóż różne części reaktora w kolejności zgodnie z typem reaktora.

Następnie ułóż części reaktora w stos dla ogniwa elektrochemicznego. Użyj nakrętek i, aby zamknąć reaktor i ręcznie dokręć po przeciwnych stronach, aby wyrównać ciśnienie. Uszczelnij porty połączeniowe reaktora za pomocą teflonu.

Upewnij się, że port jest prawidłowo dokręcony. Umieść elektrodę odniesienia w tej samej komorze, co elektroda robocza. Następnie napełnij reaktor wodą, aby sprawdzić, czy jest szczelny.

W przypadku zaobserwowania nieszczelności sprawdź, czy są wystarczająco dokręcone lub czy jedna z części reaktora poruszyła się podczas montażu reaktora. Jeśli nie zostaną wykryte żadne wycieki, opróżnij wodę z reaktora. Podłączyć pompy zasilające i recyrkulacyjne do reaktora, a pompę powietrza do jednostek strippingowych i absorpcyjnych.

Napełnij kolumnę absorpcyjną 250 mililitrami jednego molowego kwasu siarkowego, aby pokryć pierścienie che. Upewnij się, że Airstream dobrze miesza kwas, gdy pompa jest włączona. Po przygotowaniu roztworów analitu i katalitu należy przepłukać analit, przepłukując go gazowym azotem przez co najmniej 30 minut w celu usunięcia tlenu.

Do inokulum należy przygotować 30-mililitrową mieszaninę ścieków z aktywnych bioreaktorów beztlenowych, w tym bioanodę. Zebrać mieszaninę do strzykawki. Następnie podłącz worek gazowy wypełniony azotem do butli z analitem.

Aby utrzymać stabilne ciśnienie, jednocześnie nie dopuszczając do przedostania się tlenu. Wymieszać źródło inokulum z objętością analitu, opróżniając strzykawkę z inokulum do pożywki za pomocą strzykawki wypełnionej jednocześnie komorami anody i katody ich odpowiednimi roztworami. Po napełnieniu obu komór reaktora włącz pompę recyrkulacyjną z szybkością recyrkulacji około sześciu litrów na godzinę.

Następnie połącz potencjale statycznego z trzema elektrodami, używając anody jako elektrody roboczej. Włącz potencjalną statystykę w trybie aberrometrii chronologicznej. Korzystając z oprogramowania do statystyk potencjałów, wybierz stały potencjał anodowy ujemny 200 miliwoltów w stosunku do elektrody referencyjnej ze srebra i chlorku srebra, aby przejść do ciągłego zasilania.

Włączyć pompę zasilającą anodę i katodę w rezydencji hydraulicznej. Czas sześciu godzin włącza pompę powietrza paska i jednostki absorpcyjnej. Następnie recyrkuluj powietrze w zamkniętej pętli.

Odświeżaj pożywkę trzy razy w tygodniu świeżym analitem i katalitem, jak opisano w tekście. Podłącz worek gazowy wypełniony azotem do zamkniętej butelki z karmą. Zatrzymaj pompę zasilającą i załóż zacisk na przewód ściekowy.

Następnie zamień stare i nowe butelki. Usuń zaciski i uruchom ponownie pompę za każdym razem, gdy pasza jest odświeżana. Usunąć pięć mililitrów cieczy próbki ścieków i odcieków analitu i katalitu w celu pomiaru przewodności, zawartości octanu pH i stężenia amonu.

Ponadto należy usunąć trzymililitrową próbkę z kolumny absorpcyjnej w celu monitorowania pH i analizy całkowitego azotu amonowego lub tan. Gdy pH zbliży się do czterech, zastąp absorbent AB świeżym jednomolowym roztworem kwasu siarkowego, aby zapewnić wysoką wydajność wchłaniania. Jeśli stabilizacja prądu nie jest spowodowana ograniczeniami octanu, należy zwiększyć stężenie amonu w zasilaniu i poczekać na ustabilizowanie się prądu.

W celu oceny efektywności ekstrakcji do ekstrakcji elektrochemicznej należy przygotować syntetyczny strumień ścieków jako analit zgodnie z poniższą tabelą. Dodaj siarczan amonu, aby osiągnąć końcowe stężenie pięciu gramów azotu na litr. Po tym włączeniu pompy zasilającej w celu napełnienia komór reaktora, zmniejsz prędkość pompy, aby uzyskać czas przebywania hydraulicznego wynoszący sześć godzin.

Po napełnieniu reaktora, tak jak poprzednio, włącz pompę recyrkulacyjną z szybkością sześciu litrów na godzinę. Następnie usuń pięciomililitrową próbkę płynnego płynu po uruchomieniu paska i jednostki absorpcyjnej. Włącz potencjalną statystykę w trybie chronometrii za pomocą oprogramowania do statystyki potencjału.

Najpierw zastosuj niską gęstość prądu wynoszącą około 0,5 NPI na metr kwadratowy przez 24 godziny, aby spolaryzować membranę i określić strumień azotu spowodowany samą dyfuzją. Gdy system jest spolaryzowany przez 24 godziny, zastosuj gęstość prądu niezbędną do eksperymentu, zwykle w zakresie od 10 amperów na metr kwadratowy do 50 amperów na metr kwadratowy. Gdy reaktor osiągnie stan ustalony, należy pobrać co najmniej trzy pięciomililitrowe próbki w czasie z odpływu z anody i katody oraz kolumny absorpcyjnej.

Wyniki chronoporometru pokazują typowy wykres dla reaktora ciągłego. Przejście na ciągłą pracę w szóstym dniu spowodowało ciągły wzrost bieżącej produkcji, aż do osiągnięcia plateau na poziomie 3,5 ampera na metr kwadratowy między 12 a 16 dniem. Wpływ temperatury dziennej i nocnej na bieżącą produkcję jest wyraźnie widoczny.

Na przykład od 42 do 46 dnia stężenie amonu w paszy zwiększano w kilku etapach. Wzrost prądu był związany ze zwiększoną przewodnością zasilania anody, w której dodatek wodorowęglanu amonu zwiększył stężenie jonów, a tym samym przewodność. Napięcie ogniwa w układzie elektrochemicznym jest wyższe niż w bioreaktorze.

Wynika to głównie z wyższego potencjału anodowego wymaganego do elektrochemicznego utleniania wody do tlenu. Strumień azotu dla bioreaktora jest wyższy niż dla układu elektrochemicznego. Można to wytłumaczyć niższą zasadowością zasilania układu elektrochemicznego, co skutkuje niższym pH analitycznym h.

Spowodowało to większą konkurencję między amonem a protonami w celu przywrócenia równowagi ładunku nad membraną. Technika ta toruje obecnie drogę inżynierom środowiska do badania biologicznego i niebiologicznego elektrochemicznego odzyskiwania naładowanych związków ze strumieni odpadów, takich jak beztlenowy stan trawienia. Dokładniej rzecz ujmując, wykazaliśmy, że podejście biologiczne wiąże się z mniejszym nakładem energii, ale może mieć nieco niższą wytrzymałość i dłuższy czas uruchamiania.

Czysto elektrochemiczne podejście może po prostu zapewnić tę solidność, ale będzie to wiązało się z nieco wyższymi kosztami. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak skonfigurować biochemiczny system odzyskiwania amonu ze ścieków. Powinieneś być w stanie skonstruować solidne i szczelne ogniwo biochemiczne, a oni usuwają jednostkę absorpcyjną w celu odzyskania amoniaku.