Artigo de método

Recuperação de Amónio Eletroquimicamente e Bioelectrochemically Induzida

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DOI:

10.3791/52405

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22 de janeiro de 2015

 ,  ,  ,  , 
1Laboratory of Microbial Ecology and Technology (LabMET), Ghent University, 2Department of Environmental Sciences, Rutgers University

Neste artigo

Resumo

Demonstramos a extração de amônio de um fluxo rico em amônio usando um sistema eletroquímico e um bioeletroquímico. A configuração, operação e análise de dados do reator são discutidas.

Resumo

Córregos como urina e esterco podem conter altos níveis de amônio, que podem ser recuperados para reutilização na agricultura ou na química. A extração de amônio de um fluxo rico em amônio é demonstrada usando um sistema eletroquímico e um bioeletroquímico. Ambos os sistemas são controlados por um potenciostato para fixar a corrente (para a célula eletroquímica) ou fixar o potencial do eletrodo de trabalho (para a célula bioeletroquímica). Na célula bioeletroquímica, as bactérias eletroativas catalisam a reação anódica, enquanto na célula eletroquímica o potenciostato aplica uma voltagem mais alta para produzir uma corrente. A atual e conseqüente restauração do equilíbrio de carga através da célula permite o transporte de cátions, como o amônio, através de uma membrana de troca catiônica do anólito para o católito. O alto pH do católito leva à formação de amônia, que pode ser retirada do meio e capturada em uma solução ácida, permitindo assim a recuperação de um nutriente valioso. O fluxo de amônio através da membrana é caracterizado em diferentes concentrações e correntes de amônio anólito para os sistemas de reatores abióticos e bióticos. Ambos os sistemas são comparados com base nas eficiências de corrente e remoção de amônio, bem como na entrada de energia necessária para conduzir a transferência de amônio através da membrana de troca catiônica. Por fim, é feita uma análise comparativa considerando aspectos-chave como confiabilidade, custo do eletrodo e taxa.

Este artigo em vídeo e protocolo fornecem as informações necessárias para conduzir experimentos de recuperação de amônia eletroquímica e bioeletroquímica. A configuração do reator para os dois casos é explicada, bem como a operação do reator. Elaboramos a análise de dados para ambos os tipos de reatores e as vantagens e desvantagens dos sistemas bioeletroquímicos e eletroquímicos.

Introdução

Recuperação de produtos valiosos de águas residuais ganha importância como valiosos recursos se tornam escassos e tratamento sem recuperação representa apenas um custo. Wastewater contém energia e nutrientes que podem ser recuperados, e recuperação de nutrientes pode ajudar a fechar o ciclo de produção 1. A recuperação de energia através de digestão anaeróbia é um processo bem estabelecido, enquanto a recuperação de nutrientes é menos comum. Recuperação de nutrientes dos fluxos de resíduos líquidos como a urina e estrume de animais tem sido amplamente investigada, por exemplo, através da produção de struvite e remoção direta de amônia 2,3. No entanto, a necessidade de adição de produtos químicos é uma desvantagem destes processos 4. Aqui apresentamos uma técnica para a recuperação de nutrientes catiônicos de fluxos de resíduos, incluindo potássio e amônio. A forma catiónica desses nutrientes permite a recuperação usando uma membrana selectiva de iões de um sistema electroquímico. Neste caso, o electrochemical sistema consiste de uma câmara de ânodo (onde tem lugar a oxidação), uma câmara de cátodo (em que a redução tem lugar) e uma membrana selectiva de iões para separar os compartimentos. A tensão é aplicada através da célula para produzir um fluxo de corrente do ânodo para o cátodo. Esta tensão pode ser gerado por uma fonte externa de energia para conduzir a oxidação da água e as reacções de redução. Em alternativa, a oxidação anódica, por exemplo, de produtos orgânicos, pode ser catalisada por bactérias electroactivos, que requerem menos energia. Para fechar o circuito e manter o equilíbrio de carga, uma espécie carregada deve migrar entre os eletrodos para cada elétron gerado. Transporte de amônio da câmara de anodo para o catodo câmara através de uma membrana de troca de cátions (CEM) podem, assim, compensar o fluxo de elétrons 4,5.

A técnica apresentada aqui não só remove amónio de fluxos de resíduos, mas também permite a sua recuperação. Amoníaco Azoto total (TAN) existe em equilíbrio de ambos amónium (NH 4 +) e amoníaco (NH3), e é dependente do pH e da temperatura 6. NH 4 + é abundantemente disponíveis, devido à alta concentração TAN e próximo pH neutro na câmara do ânodo e a espécie com carga positiva pode, por conseguinte, ser conduzido pela corrente através do CEM para a câmara de cátodo. A corrente acciona a redução da água no cátodo, que leva à produção de iões hidróxido e gás hidrogénio. O equilíbrio TAN desloca-se para cerca de 100% de NH 3, devido ao elevado pH na câmara do cátodo (> 10,0). NH 3 é um gás que pode ser facilmente transferida através de circulação de ar a partir da unidade de separação para a coluna de absorção onde é preso e concentrou-se em uma solução de ácido.

Esta tecnologia tem o potencial para reduzir a toxicidade de amónio durante a digestão anaeróbica de fluxos rico-N como estrume, aumentando assim a recuperação de energia a partir destas correntes de resíduos, enquanto simultaneamentenutrientes que recuperam 4. Extração eletroquímica e bioelectrochemical de amônio também pode ser aplicado como técnica de recuperação de nutrientes sobre fluxos de resíduos com alto teor de TAN, como urina, evitando assim os custos para a remoção de nutrientes em uma ETAR 7.

O protocolo aqui apresentado pode servir como uma base para muitas experiências electroquímicas e bioelectrochemical diferentes, como usamos um reactor modular. Diferentes tipos de eléctrodos, as membranas e espessuras de quadros podem ser combinados, tal como explicado no protocolo abaixo. O objectivo principal do protocolo é o de proporcionar um meio para a comparação de recuperação electroquímica de amónio e de amónio recuperação electroquímica bio-se utilizando uma célula de electrólise. Os sistemas são avaliadas em termos de eficiência de extracção, de entrada de alimentação e reprodutibilidade.

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Protocolo

1. Montagem do Reactor e Conexão das unidades de extracção e de Absorção

  1. Recolha todo o material necessário para a construção do reactor: eletrodos, quadros e borrachas (ver lista de materiais). Corte com cuidado todas as partes para as mesmas dimensões para evitar vazamentos durante a montagem do reactor.
  2. Faça furos nos compartimentos de reatores para caber um macho para conector macho. Perfurar um furo adicional no meio do lado de um dos compartimentos do reactor para ajustar o eléctrodo de referência.
  3. Prepare um estoque de 1 MH 2 SO 4 para a coluna de absorção. Aumentar esta concentração como necessário para acomodar cargas elevadas de amoníaco.
  4. Assegure-se que a membrana é pré-tratado de acordo com as instruções do fabricante. O feltro de carbono e pré-tratamento de eléctrodo por imersão em CTAB 2 mM (detergente) durante 3 min. Lavar o feltro de carbono com água desmineralizada 8. O ânodo estável para as experiências electroquímicas não requerem um pretreatment.
  5. Empilhar as diferentes partes do reactor, a fim de acordo com o tipo de reactor. Para o biorreator: perspex placa motora, borracha, coletor de corrente de aço inoxidável, grafite pré-tratados sentia, compartimento perspex reactor, borracha, membranas de troca catiônica, borracha, material espaçador, eletrodo de malha de aço inoxidável, borracha, compartimento do reator perspex, borracha, perspex placa terminal
  6. Empilhe as peças do reator para a célula eletroquímica da seguinte forma: perspex placa motora, borracha, Irox ânodo através da placa motora, o compartimento do reator perspex, borracha, espaçador, borracha, membranas de troca catiônica, borracha, material espaçador, eletrodo de malha de aço inoxidável, borracha, perspex reactor compartimento, borracha, perspex placa terminal.
  7. Use Teflon para selar as aberturas de conexão do reactor. Inserir o eléctrodo de referência no mesmo compartimento que o eléctrodo de trabalho: o ânodo no caso de uma célula bioelectrochemical, cátodo ou ânodo, no caso de uma célula electroquímica.
  8. Use nozes eparafusos para fechar o reactor. Apertar os parafusos em lados opostos, para equalizar a pressão. Não use ferramentas para fechar o reator como com os dedos é suficiente para garantir um reactor completamente selado.
  9. Encher o reactor com água para testar se o reactor é livre de fugas. Se os vazamentos aparecer, verifique se os parafusos são apertados o suficiente ou se uma das partes de reatores movido durante a montagem do reactor. Se não se detectarem fugas, esvaziar a água do reactor.
  10. Adicionar anéis Raschig tanto na coluna tira e absorção para preencher as colunas no meio do caminho.
  11. Calibre o caudal de todas as bombas. Ligar as bombas de alimentação e de recirculação para o reactor e a bomba de ar para as unidades de decapagem e de absorção (Figura 1). Minimizar o comprimento do tubo, tanto quanto possível.
  12. Encher a coluna de absorção com 250 ml de 1 MH 2 SO 4, ele deve cobrir os anéis de Raschig. Assegure-se que a corrente de ar mistura-se bem o ácido quando a bomba está ligada. Aumentar ou diminuir o volume de ácido baseado na capacidade de design de coluna e bomba de ar de extracção.

figure-protocol-1
Figura 1. Configuração Reactor para o sistema bioelectrochemical permitindo a extração de amónio. O sistema aqui apresentado opera em modo contínuo. As linhas sólidas representam o fluxo de líquido, linhas pontilhadas representam o fluxo de gás. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2. Reactor de configuração para o sistema bioelectrochemical permitindo a extracção de amónio. O sistema aqui apresentado opera em modo contínuo. As linhas sólidas representam o fluxo de líquido, linhas pontilhadas representam o fluxo de gás."target =" _ ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 3. Desenho dos quadros de reactores de Perspex. Cada reactor é constituído por dois reactores de placa terminal e dois compartimentos do reactor. Todas as peças têm uma espessura de 2 cm. Detalhes sobre o tamanho de outros materiais podem ser encontrados na lista de materiais. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Bioanode Extraction Impulsionada

  1. Preparando a mídia.
    1. Prepare anólito para o bioreactor, como descrito na Tabela 1 9. Aumentar a concentração de amónio na forma de imitar um fluxo de resíduos rico em azoto.
    2. Para armazenar a medihum antes da utilização, o meio de autoclave para assegurar a fonte de carbono não é esgotada através da contaminação. Prepare vitaminas e oligo-elementos de acordo com a Tabela 1 e adicionar após a autoclavagem e arrefecimento do meio.
    3. Lave a forma pela purga com azoto gasoso durante pelo menos 30 minutos para remover o oxigénio. Para fazer isso, insira um tubo ou agulha para o meio e ligue o fluxo de gás nitrogênio.
    4. Prepare uma solução condutora como católita. Neste caso, usar 0,1 M de NaCl para permitir a produção de soda cáustica.
Componente Quantidade
Na 2 HPO 4 6 g / L
KH 2 PO 4 3 g / L
NaCl 0,5 g / L
NH4Cl 0,5 g / L
MgSO 4 7H 2 O · 0,1 g / L
CaCl 2 2H 2 O solução (14,6 g / L) 1 mL
Acetato de sódio 2 g / L (para start-up)
Trace Elements 1 mL
Solução de vitamina 1 mL
Oligoelementos (1.000 vezes) g / L Vitaminas (1.000 vezes) g / L
CoCl2 0,1 biotina 0,004
Na 2 MoO 4 .2H 2 O 0,01 ácido fólico 0.004
H 3 BO 3 0,01 cloridrato de piridoxina 0,02
Mg 2 Cl 2 .6H 2 O 3 riboflavina 0,01
ZnCl2 0,1 cloridrato de tiamina 0,01
CaCl 2 .2H 2 O 0,1 ácido nicotínico 0,01
NaCl 1 Pantotenato de cálcio-DL 0,01
ácido nitrilotriacético 1,5 Vit B12 0,0002
AlCl 3 .6H 2 O 0,01 p ácido -aminobenzoic 0,01
CuCl2 0,01 lipóico (thioctic) 0,01
FeCl2 0,1 mio-inositol 0,01
MnCl 2 .2H 2 O 0,5 cloreto de colina 0,01
Ajustar para pH 6,5 utilizando KOH niacinamida 0,01
cloridrato de piridoxal 0,01
ascorbato de sódio 0,01

Tabela 1. Composição Anólito para a extração de amônio bio-ânodo conduzido.

  1. A inoculação do bioreactor
    NOTA: O trabalho em condições estéreis não é necessário para este biorreactor, como um inoculo de cultura mista é utilizado e as condições do reactor irá seleccionar para os organismos específicos electroactivos.
    1. Preparar o inoculo. Para este biorreator, prepare uma mistura de efluentes 30 ml de biorreatores anaeróbios ativos, incluindo um fermentador, Um bioanode, um digestor anaeróbico e / ou efluente bruto. Recolhe-se a mistura em uma seringa.
    2. Conectar um saco de gás preenchido com N 2 para o frasco de anólito a fim de manter a pressão estável, enquanto não permite a entrada do oxigênio. Misture a fonte de inoculo com um volume de anólito (aqui, a 100 ml de anólito por 30 ml de fonte de inoculo) por esvaziar a seringa com inoculo para o meio de garrafa. Certifique-se de obter o volume necessário para encher o compartimento do ânodo.
    3. Usando uma seringa, encher o compartimento de ânodo e cátodo em simultâneo com as respectivas soluções. Conectar um saco de gás preenchido com N 2 para o frasco do anólito, de modo que a solução de anólito pode ser removido através de uma porta de amostragem, sem a introdução de oxigénio. Feche a porta da amostra com um toque entre as transferências.
      NOTA: Execute esta etapa, juntamente com um colega para garantir que ambos os compartimentos de reatores são preenchidos simultaneamente.
    4. Quando ambos os compartimentos de reatores são preenchidos, ligue obomba de recirculação, a uma taxa de recirculação de cerca de 6 L / h.
    5. Conecte o cabo potencióstato com três eletrodos, utilizando-se o ânodo como eletrodo de trabalho. Posicionar o eléctrodo de referência no compartimento do ânodo.
    6. Ligue o potenciostato no modo cronoamperometria usando o software potenciostato. Selecione um potencial ânodo fixo de -200 mV vs. Ag / AgCl.
  2. A execução de um reator contínuo para a extração de amônio
    NOTA: Como o biofilme se desenvolve, a corrente irá ser produzida com o consumo de etilo. Como consequência do esgotamento de etilo, a corrente vai cair (ver secção Resultados, Figura 3).
    1. Para mudar para a alimentação contínua, ligar a bomba de alimentação para o anodo eo catodo. A velocidade da bomba irá determinar o tempo de residência hidráulica (TRH). Aqui, operar o reactor a uma HRT de 6 h.
    2. Ligue a bomba de ar do aparelho tira e absorção. Recircular o ar num circuito fechado, ou circular em umcircuito aberto utilizando o ar ambiente. Configuração do fluxo de ar pode afectar a eficiência de absorção.
    3. Atualizar as médias de três vezes por semana. Preparar fresco anólito e católito, tal como descrito nos passos 2.1.1-2.1.4.
    4. Após essas etapas, anexar um saco cheio de gás com N 2 para a garrafa de alimentação fechada, parar a bomba de alimentação, colocar um grampo na linha influente, mudar as velhas e novas garrafas e, finalmente, remover os grampos e reinicie a bomba.
    5. Cada vez que a alimentação é atualizada, tomar 5 ml amostras líquidas do efluente e afluente do anólito e católito para medição de condutividade, pH, teor de acetato e concentração de amônio.
    6. Quando se altera a alimentação, também tomar uma amostra de 3 ml da coluna de absorção para monitorizar o pH e para análise do TAN. Quando a aproximação do pH 4, substitua o absorvente com fresca solução de ácido sulfúrico 1 M para garantir alta eficiência de absorção.
    7. Como o atual primeiro aumentar e, em seguida, chegar a um platô, medir o aceconteúdo tate no afluente e no efluente do anólito para garantir que esta não é causada por uma limitação de carbono: acetato de concentrações no efluente do anólito abaixo de 100 mg / L indicam limitação de carbono. Aumentar a concentração de acetato na alimentação nesse caso (Tabela 2).
    8. Se a corrente de estabilização não é causado por limitações de etilo, gradualmente, aumentar a concentração de amónio na alimentação, e esperar para a estabilização da corrente a fim de avaliar a eficiência de extracção (Tabela 3).
      NOTA: Como a concentração de amônio é aumentada, a toxicidade da amônia e alta condutividade vai desafiar o biofilme ea corrente acabará por cair como uma conseqüência.
Tempo Quantidade de acetato de sódio adicionada à ração ânodo (g / L)
Dia 0 - Dia 35 2
Dia 35 - Dia 37 3
Dia 37 - Dia 51 4
Dia 51 - Dia 61 5

Tabela 2. Concentração de acetato de sódio no anólito para a extracção de amónio bioanode accionado.

Tempo Montante de NH 4 HCO 3 adicionado ao alimento ânodo (g / L) Fase
Dia 0 - Dia 16 2.26 EU
Dia 16 - Dia 26 4,5 II
Dia 26 - Dia 33 9 III
Dia 33 - Dia 40 14.1 IV
Dia 40 - Dia 47 20 V
Dia 47 - Dia 54 25.4 VI
Dia 54 - Dia 63 31 VII

Tabela 3. Concentração de amónio no anólito para a extracção de amónio bioanode accionado. As fases são indicados no gráfico de densidade de corrente (Figura 2).

3. Eletroquímica Extração

  1. Preparar os meios de comunicação
    1. Prepara-se uma corrente de água residual sintética como anólito de acordo com a Tabela 4 4. Adicionar sulfato de amónio para atingir uma concentração final de 1, 3, ou 5 g N / L.
    2. Prepara-se uma solução de 0,1 M de NaCl para o católito.
Componente Quantidade
Na 2 HPO 4 .2H 2 O 1,03 g / L
KH 2 PO 4 0,58 g / L
MgSO 4 7H 2 O · 0,1 g / L
CaCl 2 .2H 2 O 0,02 g / L
(NH 4) 2 SO 4 dependendo da experiência, para se obter N 1/3/5 g / L de concentração final

Tabela 4. Composição anólito para extracção electroquímica de amónio 4.

  1. A execução de um reator contínuo para a extração de amônio
    1. Ligue a bomba de alimentação para encher os compartimentos do reactor. Para acelerar o processo de aumentar temporariamente a taxa de bomba.
    2. Reduzir a velocidade da bomba para obter uma HRT de 6 horas uma vez que o reactor é cheio. Ligar a bomba de recirculação, a uma taxa de 6 l / h. Tomar uma amostra do afluente (5 ml).
      NOTA: medir a vazão periodicamente durante todo o experimentopara garantir que ele não varia.
    3. Comece a unidade de fita e absorção. A operação deste aparelho é o mesmo que para o bioreactor.
    4. Ligue o potenciostato no modo cronopotenciometria usando o software potenciostato. Primeiro aplica uma baixa densidade de corrente de cerca de 0,5 A / m para polarizar a membrana e para determinar o fluxo de azoto, devido à difusão sozinho.
    5. Quando o sistema foi polarizado, durante 24 h, aplicar a densidade de corrente necessário para a experiência. Teste diferentes densidades de corrente, geralmente variando de 10 A / m e 50 A / m. Tirar amostras de ânodo e cátodo efluentes, e a coluna de absorção antes de aumentar a densidade de corrente.
      NOTA: Depois de 3 ciclos HRT, o reator deve abordar o estado estacionário.
    6. Depois do reactor ter atingido o estado estacionário, ter, pelo menos, três amostras ao longo de um curso de tempo. Retirar amostras a partir do ânodo e cátodo efluentes, e a coluna de absorção (5 ml cada). Anote o volume de amostragem, data e hora.
    7. Dependendo da estabilidade do afluente ânodo, levar uma nova amostra ânodo afluente se necessário. Isto é necessário quando é utilizado águas residuais reais.
    8. Mudar as condições de teste, tais como a densidade de corrente aplicada e concentração TAN. Após cada alteração, deixe o reactor estabilizar durante pelo menos 3 HRTs antes de tomar amostras.
    9. Quando o pH da coluna de absorção 4 se aproxima, substituir o absorvente com solução fresca de ácido sulfúrico 1M.

Análise 4. Amostra

  1. Medir o pH e a condutividade das amostras no mesmo dia que a amostragem para reduzir imprecisões devido à perda de amónia volátil. Medir o pH e condutividade usando sondas de pH e condutividade adequadamente calibrados.
  2. Se a amostra não são medidos imediatamente, armazenar amostras para análise TAN (ambos os reactores) e análise de ácidos gordos (biorreactor) a 4 ° C. Amostras de filtração do efluente biorreator ânodo e influente através 0,45 filtros para remover biomassa e ajudar a preservar os ácidos graxos. Encha todos os tubos de amostra para o aro, a fim de minimizar a perda de NH3.
  3. Meça nitrogênio como TAN pelo método de destilação a vapor padrão ou qualquer outro método confiável para medir a TAN 10.
  4. Meça ácidos graxos como o acetato por qualquer método confiável, tais como cromatografia de íons ou cromatografia gasosa 11.

5. Análise e cálculos de dados

  1. Exportar o arquivo de dados potencióstato do software e importá-lo para um programa de planilha. Calcular as médias por hora para as variáveis ​​eletroquímicas para diminuir o número de pontos de dados e suavizar as curvas ao plotar-los.
  2. Colete todos os dados medidos (pH, amónio, VFA) em um arquivo de dados para os cálculos. Os cálculos são discutidos na secção de resultados.
  3. Calcule a produção atual do biorreator. Isto é melhor representado como densidade de corrente, que é calculada como se segue (Equação 1,12):
    figure-protocol-4 Equação 1
    com j como a densidade de corrente, I a corrente absoluta, e uma área de superfície projetada do eletrodo. Em determinado software é possível ter este calculados automaticamente por entrar na área de superfície do ânodo antes do início da experiência.
  4. Calcular os parâmetros relacionados com a extracção de amônio
    1. Calcula-se o fluxo de azoto. Normalizar o fluxo de azoto (N g / m² / d) para a área de superfície da membrana, em seguida expressa como uma densidade de corrente (I N). Use esse valor para calcular a CE (Equação 2, 3, e 4):
      figure-protocol-5 Equação 2
      onde C An, em (g N / L) e C An, out (g N / L) são as concentrações de amônio medidos entrando e saindo do compartimento do ânodo,respectivamente. Q (L / d) representa a taxa de fluxo do ânodo e A (m 2) é a área de superfície da membrana (igual ao ânodo projectada e a área de superfície do cátodo).
    2. Apresentar o fluxo de nitrogênio como densidade de corrente (I N, A / m²):
      figure-protocol-6 Equação 3
      onde z NH4 + (-) é a carga de NH 4 +, F a constante de Faraday (96,485 C / mol) e M o peso molecular de azoto (14 g / mol).
    3. Calcula-se a eficiência de corrente (CE,%) como:
      figure-protocol-7 Equação 4
      onde eu Aplicada (A / m²) é a aplicada (extração eletroquímica) ou medidos (extração bioelectrochemical) densidade de corrente.
    4. Calcula-se o fluxo de azoto teórico. Calcula-se o azoto teórico máximofluxo (J N, Max, g N / m² / d) de uma determinada área de superfície aplicada atual e de membrana (Equação 5), como:
      figure-protocol-8 Equação 5
    5. Calcule a eficiência de remoção de nitrogênio (RE,%). Referem-se a percentagem de amónio que é removido do anólito como a eficiência de remoção. Calcule do influente ânodo e concentrações TAN de efluentes (Equação 6).
      figure-protocol-9 Equação 6
    6. Calcule o máximo teórico de eficiência de remoção de nitrogênio (RE max,%) para uma determinada carga afluente TAN e corrente aplicada (Equação 7):
      figure-protocol-10 Equação 7
      onde J N, aplicado (g N m -2 d - 1) é a densidade de corrente aplicada expressa como um fluxo de azoto.
  5. Calcular a relação gás / líquido como (Equação 8):
    figure-protocol-11 Equação 8
  6. Calcula-se a capacidade máxima da coluna de absorção. Calcula-se a carga de N máxima teórica para a coluna de absorção a partir do fluxo máximo teórico de azoto J Nmax, a concentração TAN no afluente (mol / L), o tempo de funcionamento t, a área de superfície da membrana A, e o volume de V absorvente ( Equação 9):
    figure-protocol-12 Equação 9
  7. Calcula-se a eficiência de extracção SE (%) (Equação 10):
    figure-protocol-1360; Equação 10
  8. Calcula-se a entrada de energia para a extracção de amónio através da membrana de permuta catiónica (E N, expressa em kWh / kg de N) (Equação 11):
    figure-protocol-14 Equação 11
    Com AV a diferença de potencial medida entre ânodo e cátodo. No caso de o bioreactor, AV foi calculada como a média durante o período de amostragem, para o reactor electroquímico a média de toda a execução é feita.

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Resultados

Cronoamperometria resulta do bioreactor

Os resultados cronoamperometria, calculado de acordo com a Equação 1, mostra um gráfico típico para um reactor contínuo (Figura 4). No início da experiência, o ânodo e cátodo foram operados em modo de recirculação. Isto permite um biofilme para desenvolver e o início da produção corrente. Após 5 dias de operação, a densidade de corrente atinge um máximo, seguido de uma diminuição na produção corrente. Esta é uma indica...

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Discussão

Este manuscrito fornece as ferramentas necessárias para criar uma bioelectrochemical e uma célula eletroquímica para a recuperação de amónio. Os cálculos apresentados na seção de resultados fornecem os parâmetros para a avaliação do desempenho do sistema. Os sistemas biológicos e eletroquímicas são semelhantes na configuração e função. A principal diferença entre os dois sistemas, é a escolha de uma corrente fixa para a célula electroquímica contra uma potencial ânodo fixo para a configuração bioelectrochemical. É neces...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pela bolsa BOF para SG da Universidade de Ghent. A AL é apoiada pela Rutgers University NSF Fuels-IGERT. A África do Sul é apoiada pelo projeto "ProEthanol 2G" do 7º Programa-Quadro da União Europeia. A África do Sul e a KR são apoiadas pela Parceria de Pesquisa Multidisciplinar da Universidade de Ghent (MRP) - Biotecnologia para uma economia sustentável (01 MRA 510W). O JD é apoiado por uma bolsa IOF Advanced (F2012/IOF-Advanced/094). O KR é apoiado pelo ERC Starter Grant "Electrotalk". Os autores agradecem a Tim Lacoere por projetar a figura de arte do TOC, Robin Declerck por construir as colunas de tira e absorção e Kun Guo por fornecer a fonte de inóculo.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Feltro de Carbono 3.18 mm de EspessuraAlfa AesarALFA43199Usado como bioânodo, 110  mm x 110  mm
Eletrodo de Ti revestido com Ir MMO Ânodos Especiais Magneto (Holanda)Usado como ânodo estável para testes eletroquímicos
Malha de aço inoxidávelSolana (Bélgica)RVS 554/64: material AISI 316L, largura da malha: 564 mícrons, espessura do fio: 140 mícrons, número de malha: 36,6Usado como cátodo, 110  mm x 110  mm
Chapa de aço inoxidávelSolana (Bélgica)inox 304, espessura: 0,5 mmUsado como coletor de corrente para o bioânodo
Ag/AgCl Eletrodo de ReferênciaBio-Logic (França)A-012167 RE-1B
Potenciostato (VSP Multipotenciostato) Bio-Logic (França)
EC LabBio-Logic (França)software para a realização de medições electroquímicas
Membranas de Membrana de Troca CatiónicaInternational (EUA)Ultrex CMI-7000Pré-tratado de acordo com as instruções do fabricante
Malha do promotor de turbulênciaElectroCell Europe A/S (Tarm, Dinamarca)EPC20432-PP-2material espaçador, 110 mm x 110 mm
ConectoresSerto1,281,161,120Outros tamanhos possíveis, dependendo do tipo de tubulação e tamanho dos furos nas armações
Coluna de tira e absorçãoProjeto interno
TubulaçãoMasterflexHV-06404-16
Saco de gásKeika VenturesSaco de gás Kynar com válvula Roberts
Rashig RingsGlasatelier Saillart ( Bélgica)Anéis Raschig 4 x 4 mmColoque dentro da tira e da coluna de absorção para melhorar o contato ar/líquido. Disponível em muitos fornecedores
FolhaCortada para caber nas armações de perspex
Armações de reator de perspexVlaeminck, BeernemDesign interno, consulte a guia "armações de reatores" neste arquivo
de borracha

Referências

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