Recuperação de Amónio Eletroquimicamente e Bioelectrochemically Induzida

O objetivo geral do experimento a seguir é investigar a recuperação de nutrientes de riachos ricos em nitrogênio usando uma abordagem eletroquímica ou bioeletroquímica. A primeira abordagem é alcançada passando o fluxo através de um sistema eletroquímico, que após a oxidação da água cria uma força motriz que pode ser usada para fluir o amônio de carga do lado do ânodo através de uma membrana de troca iônica para o lado do cátodo. Como segunda etapa, o alto pH no lado do cátodo resulta na conversão de amônio em amônia volátil.

O alto nível de seletividade da membrana de troca iônica permite a criação de um fluxo de hidrogênio de amônia pura. Em seguida, o cátal é circulado através de uma coluna de decapagem e absorção para reter a amônia em um meio ácido. A extração eletroquímica também pode ser conduzida por processos bioeletroquímicos, onde o desenvolvimento de um biofilme no ânodo permite a conversão de orgânicos presentes no fluxo de resíduos em dióxido de carbono, prótons e elétrons.

Isso, novamente, conduzirá um fluxo de amônio do ânodo para o cátodo. Os resultados mostram que ambas as abordagens podem recuperar nutrientes de riachos ricos em nitrogênio, como a urina. A abordagem convencional de desnitrificação por nitrificação no tratamento de águas residuais pega a amônia das águas residuais e a transforma em gás nitrogênio, que volta para a atmosfera, então perdemos o nitrogênio.

A vantagem de nossa abordagem é que pegamos a amônia e a recuperamos de forma limpa para que possamos fazer algo com ela. Podemos reutilizá-lo ou convertê-lo em outro produto. Uma segunda vantagem de nossa abordagem é que usamos a eletricidade como um condutor.

É essencialmente uma fonte de energia limpa e barata e evita o uso de produtos químicos. Demonstrando o procedimento estarão Sylvia Hilde Bain e Steven Anderson. Ambos os alunos de doutorado do meu laboratório Antes de iniciar este procedimento, coletam todo o material necessário para construir o reator, incluindo os eletrodos, armações e borrachas.

Depois de garantir que a membrana seja pré-tratada de acordo com as instruções do fabricante, pré-trate o eletrodo de feltro de carbono mergulhando-o em dois brometo de acetil trimetil amônio milimolar, ou A-C-T-A-B por três minutos. Em seguida, enxágue o eletrodo de feltro de carbono com água desmineralizada. Em seguida, empilhe as diferentes partes do reator em ordem de acordo com o tipo de reator.

Em seguida, empilhe as peças do reator para a célula eletroquímica. Use porcas e parafusos para fechar o reator e aperte manualmente os parafusos em lados opostos para equalizar a pressão. Vede as portas de conexão do reator usando Teflon.

Certifique-se de que a porta esteja devidamente apertada. Coloque o eletrodo de referência no mesmo compartimento que o eletrodo de trabalho. Em seguida, encha o reator com água para testar se está livre de vazamentos.

Se forem observados vazamentos, verifique se os parafusos estão apertados o suficiente ou se uma das partes do reator se moveu durante a montagem do reator. Se nenhum vazamento for detectado, esvazie a água do reator. Conecte as bombas de alimentação e recirculação ao reator e a bomba de ar às unidades de decapagem e absorção.

Encher a coluna de absorção com 250 mililitros de ácido sulfúrico molar para cobrir os anéis de mistura. Certifique-se de que o Airstream mistura bem o ácido quando a bomba é ligada. Depois de preparar as soluções de analito e catalítico, lave o analito purgando com gás nitrogênio por pelo menos 30 minutos para remover o oxigênio.

Para o inóculo, preparar uma mistura de 30 ml de efluentes provenientes de bioreactores anaeróbios activos, incluindo um ânodo biológico. Recolha a mistura em uma seringa. Em seguida, conecte um saco de gás cheio de nitrogênio ao frasco do analito.

Para manter a pressão estável, sem permitir a entrada de oxigênio. Misturar a fonte de inóculo com o volume da substância a analisar esvaziando a seringa com inóculo para o frasco do meio utilizando uma seringa cheia de compartimentos do ânodo e do cátodo simultaneamente com as respectivas soluções. Quando ambos os compartimentos do reator estiverem cheios, ligue a bomba de recirculação a uma taxa de recirculação de aproximadamente seis litros por hora.

Em seguida, conecte o cabo de stat de potencial com três eletrodos usando o ânodo como eletrodo de trabalho. Ligue a estatística potencial no modo cronoaberrometria. Usando o software de estatísticas de potenciais, selecione um potencial de ânodo fixo de 200 milivolts negativos versus o eletrodo de referência de cloreto de prata para mudar para alimentação contínua.

Ligue a bomba de alimentação para o ânodo e o cátodo em uma residência hidráulica. Tempo de seis horas ligue a bomba de ar da tira e da unidade de absorção. Em seguida, recircule o ar em um circuito fechado.

Atualize o meio três vezes por semana com analito e catalito novos, conforme descrito no texto. Conecte um saco de gás cheio de nitrogênio à garrafa de alimentação fechada. Pare a bomba de alimentação e coloque uma braçadeira na linha de efluentes.

Em seguida, troque as garrafas antigas e novas. Remova os grampos e reinicie a bomba sempre que a alimentação for atualizada. Remover cinco ml de amostras líquidas do efluente e do efluente da substância a analisar e catalisar para a medição da condutividade, do teor de pH acetato e da concentração de amónio.

Além disso, remova uma amostra de três mililitros da coluna de absorção para monitorar o pH e para análise de nitrogênio amoniacal total ou tan. Quando o pH se aproximar de quatro, substitua o absorvente AB por uma solução nova de ácido sulfúrico molar para garantir alta eficiência de absorção. Se a estabilização da corrente não for causada por limitações de acetato, aumente a concentração de amônio na alimentação e aguarde a estabilização da corrente.

Para avaliar as eficiências de extração para extração eletroquímica, prepare um fluxo de águas residuais sintéticas como analito de acordo com a tabela a seguir. Adicione sulfato de amônio para atingir uma concentração final de cinco gramas de nitrogênio por litro. Após este interruptor na bomba de alimentação para encher os compartimentos do reator, reduza a velocidade da bomba para obter um tempo de permanência hidráulica de seis horas.

Assim que o reator estiver cheio, como antes, ligue a bomba de recirculação a uma taxa de seis litros por hora. Em seguida, remova uma amostra de cinco mililitros do fluente após iniciar a tira e a unidade de absorção. Ligue o stat potencial no modo cronometria usando o software de estatísticas potenciais.

Primeiro, aplique uma baixa densidade de corrente de cerca de 0,5 NPIs por metro quadrado por 24 horas para polarizar a membrana e determinar o fluxo de nitrogênio devido apenas à difusão. Quando o sistema estiver polarizado por 24 horas, aplique a densidade de corrente necessária para o experimento, geralmente variando de 10 amperes por metro quadrado a 50 amperes por metro quadrado. Quando o reator atingir o estado estacionário, coletar pelo menos três amostras de cinco mililitros ao longo de um curso de tempo do efluente do ânodo e do cátodo, bem como da coluna de absorção.

Os resultados do cronoporômetro mostram um gráfico típico para um reator contínuo. A mudança para operação contínua no sexto dia resultou em um aumento contínuo na produção atual até que um platô foi atingido em 3,5 amperes por metro quadrado entre o dia 12 e 16. A influência da temperatura diurna e noturna na produção atual é claramente visível.

Por exemplo, do dia 42 ao 46, a concentração de amônio na ração foi aumentada em várias etapas. O aumento da corrente foi associado a um aumento da condutividade da alimentação do ânodo, no qual a adição de bicarbonato de amônio aumentou a concentração de íons e, portanto, a condutividade. A tensão da célula para o sistema eletroquímico é maior do que para o biorreator.

Isso se deve principalmente ao maior potencial anódico necessário para a oxidação eletroquímica da água em oxigênio. O fluxo de nitrogênio para o biorreator é maior do que o sistema eletroquímico. Isso pode ser explicado pela menor alcalinidade da alimentação do sistema eletroquímico, resultando em um menor pH h.

Isso resultou em uma maior competição entre amônio e prótons para restaurar o equilíbrio de carga sobre a membrana. Essa técnica agora abre caminho para os engenheiros ambientais explorarem a recuperação eletroquímica biológica e não biológica de espécies carregadas de fluxos de resíduos, como o estado de digestão anaeróbica. Mais especificamente aqui, mostramos que uma abordagem biológica tem uma entrada de energia menor, mas pode sofrer de robustez um pouco menor e um tempo de inicialização mais longo.

A abordagem puramente eletroquímica pode fornecer essa robustez, mas terá um custo um pouco mais alto. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como configurar um sistema bioquímico para a recuperação de amônio de águas residuais. Você deve ser capaz de construir uma célula bioquímica robusta e sem vazamentos, e eles retiram uma unidade de absorção para recuperar a amônia.