Artigo de método

Recuperação de Amónio Eletroquimicamente e Bioelectrochemically Induzida

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DOI:

10.3791/52405

22 de janeiro de 2015

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.

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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 aco....

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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 ....

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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

  1. Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. Maximum use of resources present in domestic "used water". Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).
  2. Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. Pretreatment of anaerobic digesti....

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