Introduction
अपशिष्ट लाभ महत्व से मूल्यवान उत्पादों की वसूली बहुमूल्य संसाधनों वसूली के बिना दुर्लभ और इलाज बन के रूप में केवल एक लागत का प्रतिनिधित्व करता है। अपशिष्ट उत्पादन पाश एक बंद करने के लिए मदद कर सकता है ऊर्जा और बरामद किया जा सकता है कि पोषक तत्वों, और पोषक तत्वों की वसूली दोनों शामिल हैं। पोषक तत्वों की वसूली कम आम है, जबकि anaerobic पाचन के माध्यम से ऊर्जा की वसूली, एक अच्छी तरह से स्थापित प्रक्रिया है। ऐसे मूत्र और गोबर की खाद के रूप में तरल अपशिष्ट धाराओं से पोषक तत्वों की वसूली व्यापक रूप से struvite और अमोनिया 2,3 के प्रत्यक्ष स्ट्रिपिंग के उत्पादन के माध्यम से, जैसे, जांच की गई है। हालांकि, रासायनिक इसके लिए की जरूरत है इन प्रक्रियाओं 4 के एक नकारात्मक पहलू है। यहाँ हम पोटेशियम और अमोनियम सहित दोनों धाराओं कचरे से धनायनित पोषक तत्वों की वसूली के लिए एक तकनीक मौजूद है। इन पोषक तत्वों की धनायनित फार्म एक विद्युत प्रणाली में एक आयन चयनात्मक झिल्ली का उपयोग कर वसूली की अनुमति देता है। इस मामले में, electrochemicअल प्रणाली (ऑक्सीकरण जगह लेता है) एक anode चैम्बर के होते हैं, (कमी जगह लेता है) एक कैथोड कक्ष और डिब्बों को अलग करने के लिए एक आयन चयनात्मक झिल्ली। एक वोल्टेज कैथोड को एनोड से एक वर्तमान प्रवाह का उत्पादन करने के लिए सेल भर में लागू किया जाता है। इस वोल्टेज पानी ऑक्सीकरण और कमी प्रतिक्रियाओं ड्राइव करने के लिए एक बाहरी शक्ति के स्रोत के द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से anodic ऑक्सीकरण, जैसे, ऑर्गेनिक्स, कम बिजली की आवश्यकता होती है electroactive बैक्टीरिया, द्वारा उत्प्रेरित किया जा सकता है। प्रभारी संतुलन सर्किट को बंद करने और बनाए रखने के लिए, एक चार्ज प्रजातियों उत्पन्न प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के लिए इलेक्ट्रोड के बीच विस्थापित होना चाहिए। एक कटियन विनिमय झिल्ली (यूके) के पार कैथोड चैम्बर के लिए एनोड कक्ष से अमोनियम परिवहन इस प्रकार इलेक्ट्रॉनों 4,5 के प्रवाह की भरपाई कर सकते हैं।
यहाँ प्रस्तुत तकनीक न केवल अपशिष्ट धाराओं से अमोनियम निकालता है, लेकिन यह भी इसकी वसूली के लिए सक्षम बनाता है। कुल अमोनिया नाइट्रोजन (टैन) दोनों अम्मोनियों के संतुलन में मौजूद हैIUM (एनएच 4 +) और अमोनिया (एनएच 3), और पीएच और तापमान 6 पर निर्भर है। एनएच 4 कारण इसलिए कैथोड चेंबर में यूके भर में वर्तमान के द्वारा संचालित किया जा सकता है उच्च टैन एकाग्रता के लिए और एनोड कक्ष में तटस्थ पीएच और इस सकारात्मक आरोप लगाया प्रजातियों के पास प्रचुर मात्रा में उपलब्ध है। वर्तमान हाइड्रॉक्साइड आयनों और हाइड्रोजन गैस का उत्पादन करने के लिए अग्रणी, कैथोड में पानी की कमी ड्राइव। टैन संतुलन की वजह से कैथोड चैम्बर (> 10.0) में उच्च पीएच के लिए लगभग 100% एनएच 3 करने के लिए पाली। एनएच 3 आसानी से यह एक एसिड के घोल में फंस रहे हैं और ध्यान केंद्रित किया है जहां अवशोषण स्तंभ को अलग करना इकाई से हवा परिसंचरण के माध्यम से स्थानांतरित किया जा सकता है कि एक गैस है।
यह तकनीक खाद की तरह एन अमीर धाराओं के anaerobic पाचन के दौरान अमोनियम विषाक्तता को कम करने की क्षमता है, इस प्रकार, इन धाराओं कचरे से ऊर्जा वसूली में वृद्धि के साथ ही साथ, जबकिउबरने के पोषक तत्वों 4। अमोनियम विद्युत और bioelectrochemical निकासी भी ऐसे मूत्र जिससे एक WWTP 7 में पोषक तत्वों को हटाने के लिए लागत से बचने के रूप में एक उच्च टैन सामग्री के साथ अपशिष्ट धाराओं पर पोषक तत्वों की वसूली तकनीक के रूप में लागू किया जा सकता है।
हम एक मॉड्यूलर रिएक्टर का उपयोग के रूप में यहाँ प्रस्तुत प्रोटोकॉल, कई अलग अलग विद्युत और bioelectrochemical प्रयोगों के लिए एक आधार के रूप में सेवा कर सकते हैं। नीचे प्रोटोकॉल के रूप में समझाया इलेक्ट्रोड प्रकार, झिल्ली और फ्रेम मोटाई अलग जोड़ा जा सकता है। प्रोटोकॉल का मुख्य उद्देश्य एक इलेक्ट्रोलिसिस सेल का उपयोग कर विद्युत अमोनियम वसूली और जैव विद्युत अमोनियम वसूली की तुलना के लिए एक साधन प्रदान करना है। सिस्टम निष्कर्षण दक्षता, शक्ति इनपुट और reproducibility के संदर्भ में मूल्यांकन कर रहे हैं।
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Protocol
1. स्ट्रिपिंग और अवशोषण इकाइयों रिएक्टर कोडांतरण और जोड़ने
- रिएक्टर के निर्माण के लिए सभी आवश्यक सामग्री इकट्ठा: इलेक्ट्रोड, फ्रेम और घिसने (सामग्री की सूची देखें)। ध्यान से रिएक्टर कोडांतरण जबकि लीक से बचने के लिए एक ही आयाम करने के लिए सभी भागों में कटौती।
- रिएक्टर के डिब्बों में छेद ड्रिल पुरुष कनेक्टर के लिए एक पुरुष फिट करने के लिए। संदर्भ इलेक्ट्रोड फिट करने के लिए रिएक्टर के डिब्बों में से एक के पक्ष के बीच में एक अतिरिक्त छेद ड्रिल।
- अवशोषण स्तंभ के लिए 1, महाराष्ट्र 2 अतः 4 के एक शेयर की तैयारी। अमोनिया का भार अधिक समायोजित करने के लिए आवश्यक के रूप में इस एकाग्रता में वृद्धि।
- झिल्ली निर्माता के निर्देशों के अनुसार pretreated है कि सुनिश्चित करें। कार्बन 3 मिनट के लिए 2 मिमी CTAB (डिटर्जेंट) में यह भिगोने से इलेक्ट्रोड लगा कि pretreat। Demineralized पानी 8 के साथ महसूस किया कार्बन कुल्ला। एक पीआर की आवश्यकता नहीं है विद्युत रासायनिक प्रयोगों के लिए स्थिर एनोडetreatment।
- रिएक्टर के प्रकार के अनुसार क्रम में विभिन्न रिएक्टर भागों चुकी है। बायोरिएक्टर के लिए: Perspex endplate, रबर, स्टेनलेस स्टील के वर्तमान कलेक्टर, pretreated ग्रेफाइट, Perspex रिएक्टर डिब्बे, रबर, कटियन विनिमय झिल्ली, रबर, स्पेसर सामग्री, स्टेनलेस स्टील जाल इलेक्ट्रोड, रबर, Perspex रिएक्टर डिब्बे, रबर, Perspex endplate महसूस किया
- Perspex endplate, रबर, endplate के माध्यम से IROX एनोड, Perspex रिएक्टर डिब्बे, रबर, स्पेसर, रबर, कटियन विनिमय झिल्ली, रबर, स्पेसर सामग्री, स्टेनलेस स्टील जाल इलेक्ट्रोड, रबर, Perspex रिएक्टर इस प्रकार है: विद्युत सेल के लिए रिएक्टर भागों ढेर डिब्बे, रबर, Perspex endplate।
- रिएक्टर के कनेक्शन बंदरगाहों सील करने के लिए Teflon का प्रयोग करें। एक bioelectrochemical सेल, एक विद्युत सेल के मामले में कैथोड या एनोड के मामले में एनोड: काम कर इलेक्ट्रोड के रूप में एक ही डिब्बे में संदर्भ इलेक्ट्रोड रखें।
- पागल का प्रयोग करें औरबोल्ट रिएक्टर बंद करने के लिए। दबाव बराबर करने की विपरीत दिशा में बोल्ट कस लें। उंगली से तंग के रूप में रिएक्टर को बंद करने के लिए उपकरण का उपयोग न करें एक पूरी तरह से सील रिएक्टर सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त है।
- रिएक्टर में रिसाव से मुक्त है अगर परीक्षण करने के लिए पानी के साथ रिएक्टर भरें। लीक दिखाई देते हैं बोल्ट काफी कड़ा कर रहे हैं, तो चेक या रिएक्टर कोडांतरण जबकि रिएक्टर भागों में से एक में ले जाया गया है। कोई लीक का पता चला रहे हैं, तो रिएक्टर से पानी खाली है।
- आधे रास्ते कॉलम को भरने के लिए पट्टी और अवशोषण स्तंभ दोनों में Raschig छल्ले जोड़ें।
- सभी पंप के प्रवाह की दर जांचना। रिएक्टर और स्ट्रिपिंग और अवशोषण इकाइयों को हवा पंप (चित्रा 1) के लिए चारा और पुनःपरिसंचरण पंपों से कनेक्ट करें। जितना संभव हो उतना टयूबिंग की लंबाई कम से कम।
- एक महाराष्ट्र 2 अतः 4 के 250 मिलीलीटर के साथ अवशोषण कॉलम भरने, यह Raschig छल्ले को कवर करना चाहिए। पंप पर बंद है जब हवा धारा में अच्छी तरह से एसिड घोला जा सकता है कि सुनिश्चित करें। बढ़ाएँ या अलग करना कॉलम डिजाइन और वायु पंप क्षमता के आधार पर एसिड की मात्रा कम होती है।
अमोनियम निकासी को सक्षम करने bioelectrochemical प्रणाली के लिए चित्रा 1. रिएक्टर सेटअप। यहाँ प्रस्तुत प्रणाली सतत मोड में चल रही है। ठोस लाइनों तरल के प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं, बिंदीदार रेखा गैस प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
अमोनियम निकासी को सक्षम करने bioelectrochemical प्रणाली के लिए चित्रा 2. रिएक्टर सेटअप। यहाँ प्रस्तुत प्रणाली सतत मोड में चल रही है। ठोस लाइनों तरल के प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं, बिंदीदार रेखा गैस प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं।ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
Perspex रिएक्टर तख्ते की चित्रा 3. डिजाइन। प्रत्येक रिएक्टर दो endplate रिएक्टरों और दो रिएक्टर डिब्बों के शामिल है। सभी भागों 2 सेमी की मोटाई है। अन्य सामग्री के आकार के विषय में विवरण माल की सूची में पाया जा सकता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
2. Bioanode प्रेरित निकालना
- मीडिया की तैयारी।
- तालिका 1 9 में वर्णित है। बायोरिएक्टर के लिए anolyte तैयार करें एक नाइट्रोजन युक्त अपशिष्ट धारा नकल करने के लिए माध्यम में अमोनियम एकाग्रता में वृद्धि।
- मेडी स्टोर करने के लिएउम पूर्व कार्बन स्रोत संदूषण के माध्यम से समाप्त हो नहीं है सुनिश्चित करने के लिए मध्यम आटोक्लेव, उपयोग करने के लिए। 1 टेबल के अनुसार विटामिन और ट्रेस तत्वों को तैयार है और वाष्पदावी और मध्यम ठंडा करने के बाद जोड़ें।
- ऑक्सीजन दूर करने के लिए कम से कम 30 मिनट के लिए नाइट्रोजन गैस के साथ purging द्वारा मध्यम फ्लश। ऐसा करने के लिए माध्यम में एक ट्यूब या सुई डालने और नाइट्रोजन गैस धारा पर बारी।
- Catholyte के रूप में एक प्रवाहकीय समाधान तैयार है। इस मामले में, कास्टिक उत्पादन की अनुमति के लिए 0.1 एम NaCl का उपयोग करें।
| अवयव | राशि | ||
| ना 2 HPO 4 | 6 ग्राम / एल | ||
| के.एच. 2 पीओ 4 | 3 जी / एल | ||
| NaCl | 0.5 ग्राम / एल | ||
| एनएच 4 सीएल | 0.5 ग्राम / एल | ||
| MgSO 4 · 7H 2 हे | 0.1 ग्राम / एल | ||
| 2 CaCl · 2H 2 हे समाधान (14.6 ग्राम / एल) | 1 मिलीलीटर | ||
| सोडियम एसीटेट | 2 जी (स्टार्ट-अप के लिए) / एल | ||
| ट्रेस तत्वों | 1 मिलीलीटर | ||
| विटामिन समाधान | 1 मिलीलीटर | ||
| (1,000x) तत्वों का पता लगाने | जी / एल | विटामिन (1,000x) | जी / एल |
| CoCl 2 | 0.1 | बायोटिन | 0.004 |
| 2 ना मू 4 .2H 2 हे | 0.01 | फोलिक एसिड | 0।004 |
| एच 3 बो 3 | 0.01 | pyridoxine हाइड्रोक्लोराइड | 0.02 |
| मिलीग्राम 2 सीएल 2 .6H 2 हे | 3 | राइबोफ्लेविन | 0.01 |
| ZnCl 2 | 0.1 | थिअमिने हाइड्रोक्लोराइड | 0.01 |
| 2 CaCl .2H 2 हे | 0.1 | निकोटिनिक एसिड | 0.01 |
| NaCl | 1 | डीएल-कैल्शियम Pantothenate | 0.01 |
| nitrilotriacetic एसिड | 1.5 | विटामिन बी 12 | 0.0002 |
| AlCl 3 .6H 2 हे | 0.01 | पी -aminobenzoic एसिड | 0.01 |
| CuCl 2 | 0.01 | Lipoic (thioctic) एसिड | 0.01 |
| FeCl 2 | 0.1 Myo -inositol | 0.01 | |
| MnCl दो .2H 2 हे | 0.5 | choline क्लोराइड | 0.01 |
| KOH का उपयोग कर पीएच 6.5 समायोजित करें | Niacinamide | 0.01 | |
| pyridoxal हाइड्रोक्लोराइड | 0.01 | ||
| सोडियम ascorbate | 0.01 |
जैव एनोड संचालित अमोनियम निकासी के लिए तालिका 1. Anolyte रचना।
- बायोरिएक्टर की टीका
ध्यान दें: एक मिश्रित संस्कृति inoculum प्रयोग किया जाता है और रिएक्टर शर्तों विशिष्ट electroactive जीवों के लिए चुन लिए जाएँगे के रूप में बाँझ परिस्थितियों में काम करते हुए, इस बायोरिएक्टर के लिए आवश्यक नहीं है।- Inoculum तैयार करें। इस बायोरिएक्टर के लिए, एक किण्वक सहित सक्रिय अवायवीय बायोरिएक्टर से अपशिष्ट का एक 30 मिलीलीटर मिश्रण तैयारएक bioanode, एक anaerobic पाचक और / या कच्चे अपशिष्ट। एक सिरिंज में मिश्रण लीजिए।
- ऑक्सीजन में प्रवेश करने की अनुमति नहीं दे रहा है, जबकि स्थिर दबाव रखने के लिए anolyte बोतल के लिए 2 एन से भरा एक गैस बैग कनेक्ट करें। Anolyte की एक मात्रा के साथ inoculum के स्रोत मिश्रण (यहाँ, inoculum के स्रोत की 30 मिलीलीटर के लिए anolyte की 100 मिलीलीटर) मध्यम बोतल में inoculum साथ सिरिंज खाली करके। एनोड डिब्बे को भरने के लिए आवश्यक मात्रा प्राप्त करने के लिए सुनिश्चित करें।
- एक सिरिंज का उपयोग करना, उनके संबंधित समाधान के साथ एक साथ एनोड और कैथोड डिब्बे भरें। Anolyte समाधान ऑक्सीजन शुरू करने के बिना एक नमूना बंदरगाह के माध्यम से हटाया जा सकता है कि इतनी anolyte बोतल के लिए 2 एन से भरा एक गैस बैग कनेक्ट करें। स्थानान्तरण के बीच एक नल के साथ नमूना बंदरगाह को बंद करें।
नोट: दोनों रिएक्टर डिब्बों एक साथ भर रहे हैं कि यह सुनिश्चित करने के लिए एक सहयोगी के साथ मिलकर इस चरण को पूरा करें। - दोनों रिएक्टर डिब्बों भरा जाता है, पर बारीलगभग 6 एल / घंटा की एक पुनःपरिसंचरण दर पर पुनःपरिसंचरण पंप।
- इलेक्ट्रोड काम कर के रूप एनोड का उपयोग करते हुए, तीन इलेक्ट्रोड के साथ potentiostat केबल कनेक्ट करें। एनोड डिब्बे में संदर्भ इलेक्ट्रोड स्थिति।
- Potentiostat सॉफ्टवेयर का उपयोग कर chronoamperometry मोड में potentiostat पर स्विच करें। -200 एम वी बनाम एजी / AgCl की एक निश्चित एनोड संभावित चयन करें।
- अमोनियम निकासी के लिए एक सतत रिएक्टर रनिंग
नोट: biofilm रूप में विकसित, वर्तमान एसीटेट की खपत के साथ उत्पादन किया जाएगा। एसीटेट कमी का एक परिणाम के रूप में, वर्तमान (चित्रा 3 परिणाम अनुभाग देखें) छोड़ देंगे।- निरंतर खिलाने के लिए बदलने के लिए, एनोड और कैथोड के लिए फीड पंप पर स्विच। पंप गति हाइड्रोलिक निवास समय (एचआरटी) का निर्धारण करेगा। इधर, 6 घंटा की एक एचआरटी में रिएक्टर कार्य करते हैं।
- पट्टी और अवशोषण इकाई की हवा पंप पर स्विच करें। एक बंद लूप में हवा recirculate, या एक में प्रसारितपरिवेशी वायु का उपयोग कर खुला लूप। वायु प्रवाह विन्यास अवशोषण क्षमता को प्रभावित कर सकते हैं।
- प्रति सप्ताह मध्यम तीन बार ताज़ा। चरणों में वर्णित के रूप में ताजा anolyte और catholyte तैयार करें 2.1.1-2.1.4।
- इन चरणों के बाद, सहायक नदी लाइन पर एक क्लैंप डाल, फ़ीड पंप बंद करो, बंद दूध की बोतल के लिए 2 एन से भरा एक गैस बैग देते हैं पुरानी और नई बोतल स्विच और अंत clamps के हटाने के लिए और पंप को पुनः आरंभ।
- फ़ीड ताजा है हर बार, 5 मिलीलीटर चालकता, पीएच, एसीटेट सामग्री और अमोनियम एकाग्रता की माप के लिए anolyte और catholyte का प्रवाह और सहायक नदी के तरल के नमूने ले।
- फ़ीड बदल रहा है, जब भी पीएच और तन के विश्लेषण के लिए नजर रखने के लिए अवशोषण स्तंभ के 3 मिलीग्राम नमूना ले। पीएच 4 दृष्टिकोण है, जब उच्च अवशोषण क्षमता सुनिश्चित करने के लिए नए सिरे से एक एम सल्फ्यूरिक एसिड समाधान के साथ शोषक की जगह।
- वर्तमान पहला बढ़ाने के लिए और फिर एक पठार तक पहुंच जाएगा के रूप में, ऐस के उपाययह सुनिश्चित करने के लिए anolyte influent और प्रवाह में टेट सामग्री कार्बन सीमा की वजह से नहीं कर रहा है: 100 मिलीग्राम / एल से नीचे anolyte प्रवाह में एसीटेट सांद्रता कार्बन सीमा से संकेत मिलता है। उस मामले (तालिका 2) में फीड में एसीटेट एकाग्रता में वृद्धि।
- वर्तमान स्थिरीकरण एसीटेट सीमाओं की वजह से नहीं है, तो धीरे-धीरे फ़ीड में अमोनियम एकाग्रता बढ़ाने के लिए, और निकासी क्षमता (3 टेबल) का आकलन करने के क्रम में वर्तमान के स्थिरीकरण के लिए प्रतीक्षा करें।
नोट: अमोनियम एकाग्रता बढ़ जाती है के रूप में, अमोनिया विषाक्तता और उच्च चालकता biofilm चुनौती देंगे और वर्तमान अंततः एक परिणाम के रूप में छोड़ देंगे।
| टाइम | सोडियम एसीटेट की राशि एनोड फ़ीड (छ / एल) के लिए जोड़ा |
| 0 दिन - दिवस 35 | 2 |
| 3 | |
| दिवस 37 - दिवस 51 | 4 |
| दिवस 51 - दिवस 61 | 5 |
Bioanode संचालित अमोनियम निकासी के लिए anolyte में सोडियम एसीटेट की तालिका 2 एकाग्रता।
| टाइम | एनएच 4 HCO 3 की राशि एनोड फ़ीड (छ / एल) के लिए जोड़ा | अवस्था |
| 0 दिन - 16 दिन | 2.26 | मेँ |
| 16 दिन - दिवस 26 | 4.5 | द्वितीय |
| दिवस 26 - दिवस 33 | 9 | तृतीय |
| दिवस 33 - 40 दिन | 14.1 | चतुर्थ |
| दिवस 40 - दिवस 47 | 20 | वी | 25.4 | छठी |
| दिवस 54 - दिवस 63 | 31 | सातवीं |
टेबल bioanode संचालित अमोनियम निकासी के लिए anolyte में अमोनियम 3. एकाग्रता। चरणों वर्तमान घनत्व ग्राफ पर संकेत कर रहे हैं (चित्रा 2)।
3. विद्युत निकालना
- मीडिया की तैयारी
- । तालिका 4 4 के अनुसार anolyte के रूप में एक सिंथेटिक अपशिष्ट जल धारा को तैयार है 1, 3, या 5 ग्राम एन / एल के अंतिम एकाग्रता तक पहुँचने के लिए अमोनियम सल्फेट जोड़ें।
- Catholyte के लिए एक 0.1 एम NaCl समाधान तैयार है।
| अवयव | राशि |
| दो HPO 4 .2H 2 हे ना | 1.03 ग्राम / एल |
| के.एच. 2 पीओ 4 | 0.58 ग्राम / एल |
| MgSO 4 · 7H 2 हे | 0.1 ग्राम / एल |
| 2 CaCl .2H 2 हे | 0.02 ग्राम / एल |
| (एनएच) 4 2 अतः 4 | प्रयोग के आधार पर, 1/3/5 जी एन / एल अंतिम एकाग्रता प्राप्त करने के लिए |
विद्युत अमोनियम निकासी के लिए 4 तालिका 4 Anolyte रचना।
- अमोनियम निकासी के लिए एक सतत रिएक्टर रनिंग
- रिएक्टर डिब्बों को भरने के लिए फीड पंप पर स्विच। प्रक्रिया में तेजी लाने के लिए अस्थायी रूप से पंप की दर में वृद्धि।
- रिएक्टर भर जाता है एक बार 6 घंटा की एक एचआरटी प्राप्त करने के लिए पंप की गति को कम करें। 6 एल / घंटा की दर से पुनःपरिसंचरण पंप पर स्विच करें। सहायक नदी (5 एमएल) का एक नमूना ले लो।
नोट: प्रयोग भर में समय-समय पर प्रवाह दर को मापनेयह भिन्न नहीं है सुनिश्चित करने के लिए। - पट्टी और अवशोषण इकाई शुरू करो। इस इकाई के संचालन बायोरिएक्टर के समान ही है।
- Potentiostat सॉफ्टवेयर का उपयोग कर chronopotentiometry मोड में potentiostat पर स्विच करें। पहले झिल्ली फूट डालना और अकेले होने के कारण प्रसार करने के लिए नाइट्रोजन प्रवाह को निर्धारित करने के बारे में 0.5 ए / वर्ग मीटर के एक कम वर्तमान घनत्व लागू होते हैं।
- प्रणाली 24 घंटे के लिए ध्रुवीकरण किया गया है, प्रयोग के लिए आवश्यक वर्तमान घनत्व लागू होते हैं। आमतौर पर है 10 ए / वर्ग मीटर बड़े से 50 ए / वर्ग मीटर बड़े से लेकर विभिन्न घनत्व वर्तमान टेस्ट। वर्तमान घनत्व बढ़ाने से पहले एनोड और कैथोड अपशिष्टों, और अवशोषण कॉलम के नमूने लें।
नोट: 3 एचआरटी चक्रों के बाद रिएक्टर स्थिर राज्य दृष्टिकोण चाहिए। - रिएक्टर स्थिर अवस्था तक पहुँच गया है एक बार, एक समय के पाठ्यक्रम पर कम से कम 3 नमूने ले। एनोड और कैथोड अपशिष्ट, और अवशोषण स्तंभ (5 मिलीलीटर प्रत्येक) से नमूने ले लो। नमूना मात्रा, तारीख और समय लिख लें।
- यदि आवश्यक हो तो एनोड सहायक नदी की स्थिरता पर निर्भर करता है, एक नया एनोड सहायक नदी नमूना ले। असली गंदे पानी का इस्तेमाल किया जाता है जब ये जरूरी है।
- इस तरह लागू किया वर्तमान घनत्व और तन एकाग्रता के रूप में परीक्षण की स्थिति, बदलें। परिवर्तन के बाद, रिएक्टर के नमूने लेने से पहले कम से कम 3 HRTs के लिए को स्थिर करते हैं।
- अवशोषण स्तंभ का पीएच 4 दृष्टिकोण, ताजा 1 एम सल्फ्यूरिक एसिड समाधान के साथ शोषक की जगह।
4. नमूना विश्लेषण
- पीएच और नमूनों की चालकता अस्थिर अमोनिया की कमी के कारण अशुद्धियों को कम करना नमूने रूप में एक ही दिन उपाय। पर्याप्त रूप से calibrated पीएच और चालकता रखते जांच का उपयोग कर पीएच और चालकता उपाय।
- नमूना तुरंत मापा नहीं कर रहे हैं, टैन विश्लेषण (दोनों रिएक्टरों) और 4 डिग्री सेल्सियस पर फैटी एसिड विश्लेषण (बायोरिएक्टर) के लिए दुकान के नमूने हैं। 0.45 माइक्रोन फिल्टर के माध्यम से बायोरिएक्टर एनोड प्रवाह और सहायक नदी से फिल्टर के नमूने फिर से करने के लिएफैटी एसिड की रक्षा बायोमास कदम है और मदद करते हैं। एनएच 3 हानि को कम करने के क्रम में रिम के लिए सभी नमूना ट्यूब भरें।
- मानक भाप आसवन विधि या भूरे 10 को मापने के लिए किसी भी अन्य विश्वसनीय विधि द्वारा टैन के रूप में नाइट्रोजन उपाय।
- ऐसे आयन क्रोमैटोग्राफी या गैस क्रोमैटोग्राफी 11 के रूप में किसी भी विश्वसनीय विधि द्वारा एसीटेट के रूप में फैटी एसिड होता है, उपाय।
5. डेटा विश्लेषण और गणना
- सॉफ्टवेयर से potentiostat डेटा फ़ाइल निर्यात और यह एक स्प्रेडशीट कार्यक्रम के लिए आयात करते हैं। विद्युत चर डेटा बिंदुओं की संख्या कम होती है और उन्हें साजिश रचने जब घटता सुचारू करने के लिए प्रति घंटे के औसत की गणना।
- गणना के लिए किसी एक डेटा फ़ाइल में सभी मापा डेटा (पीएच, अमोनियम, VFA) ले लीजिए। गणना के परिणाम अनुभाग में चर्चा कर रहे हैं।
- बायोरिएक्टर द्वारा मौजूदा उत्पादन की गणना। यह सबसे अच्छा समीकरण 1 (इस प्रकार के रूप में गणना की है जो वर्तमान घनत्व, के रूप में प्रस्तुत किया जाता है12):
1 समीकरण
वर्तमान की सघनता, मैं पूर्ण चालू, और इलेक्ट्रोड के एक अनुमान की सतह क्षेत्र के रूप में जे साथ। कुछ सॉफ्टवेयर में इस प्रयोग की शुरुआत से पहले एनोड की सतह क्षेत्र में प्रवेश द्वारा स्वचालित रूप से गणना करना संभव है। - अमोनियम निकासी से संबंधित मापदंडों की गणना
- नाइट्रोजन प्रवाह की गणना। फिर एक वर्तमान घनत्व (मैं एन) के रूप में व्यक्त झिल्ली सतह क्षेत्र के लिए नाइट्रोजन प्रवाह (जी एन / वर्ग मीटर बड़ा / डी) मानक के अनुसार। सीई की गणना करने के लिए इस मान का उपयोग करें (समीकरण 2, 3, और 4):
2 समीकरण
जहां सी एक, (जी एन / एल) तथा सी एक, बाहर (जी एन / एल) मापा अमोनियम सांद्रता में और एनोड डिब्बे से बाहर आ रहे हैं में,क्रमशः। क्यू (एल / डी) एनोड प्रवाह की दर है और एक (एम 2) (अनुमानित एनोड और कैथोड सतह क्षेत्र के बराबर) झिल्ली सतह क्षेत्र है। - वर्तमान के घनत्व (मैं एन, ए / वर्ग मीटर) के रूप में नाइट्रोजन प्रवाह वर्तमान:
समीकरण 3
Z NH4 + जहां (-) एनएच 4 + का आरोप है, एफ फैराडे निरंतर (96,485 सी / मोल) और एम नाइट्रोजन की आणविक वजन (14 जी / मोल)। - वर्तमान कार्यकुशलता (सीई,%) के रूप में गणना:
समीकरण 4
मैं एप्लाइड (ए / वर्ग मीटर) लागू किया (विद्युत निकासी) या मापा (bioelectrochemical निकासी) वर्तमान घनत्व है, जहां। - सैद्धांतिक नाइट्रोजन प्रवाह की गणना। अधिकतम सैद्धांतिक नाइट्रोजन गणनाएक दिया के लिए प्रवाह (जे एन, मैक्स, जी एन / वर्ग मीटर बड़ा / डी) के रूप में वर्तमान और झिल्ली सतह क्षेत्र (5 समीकरण) लागू:
5 समीकरण - नाइट्रोजन हटाने की क्षमता (आरई,%) की गणना। हटाने की क्षमता के रूप में anolyte से निकाल दिया जाता है कि अमोनियम का प्रतिशत का संदर्भ लें। एनोड influent और प्रवाह टैन सांद्रता (समीकरण 6) से गणना।
समीकरण 6 - एक दिया बहने टैन लोड करने के लिए अधिकतम सैद्धांतिक नाइट्रोजन हटाने की क्षमता (आरई मैक्स,%) की गणना और वर्तमान (समीकरण 7) लागू:
समीकरण 7
जहां जम्मू एन लागू (जी एन एम -2 डी - 1) एक नाइट्रोजन प्रवाह के रूप में व्यक्त लागू किया वर्तमान घनत्व है।
- नाइट्रोजन प्रवाह की गणना। फिर एक वर्तमान घनत्व (मैं एन) के रूप में व्यक्त झिल्ली सतह क्षेत्र के लिए नाइट्रोजन प्रवाह (जी एन / वर्ग मीटर बड़ा / डी) मानक के अनुसार। सीई की गणना करने के लिए इस मान का उपयोग करें (समीकरण 2, 3, और 4):
- (समीकरण 8) के रूप में गैस / तरल अनुपात की गणना:
समीकरण 8 - अवशोषण स्तंभ का अधिक से अधिक क्षमता की गणना। (अधिकतम सैद्धांतिक नाइट्रोजन प्रवाह जे Nmax, नदी में तन की एकाग्रता (mol / एल), आपरेशन टी, झिल्ली सतह क्षेत्र एक होने का समय, और शोषक वी की मात्रा से अवशोषण स्तंभ के लिए अधिकतम सैद्धांतिक एन भार गणना समीकरण 9):
समीकरण 9 - अलग करना दक्षता एसई (%) (समीकरण 10) की गणना:
60; समीकरण 10 - कटियन विनिमय झिल्ली के माध्यम से अमोनियम निकासी के लिए ऊर्जा इनपुट की गणना (समीकरण 11) (ई एन, / kWh किलो एन के रूप में व्यक्त):
समीकरण 11
एनोड और कैथोड के बीच ΔV मापा संभावित अंतर के साथ। बायोरिएक्टर के मामले में, ΔV पूरी रन के लिए औसतन लिया जाता है विद्युत रिएक्टर के लिए, नमूना अवधि के लिए औसत के रूप में गणना की गई।
1 समीकरण 
2 समीकरण 
समीकरण 3 
समीकरण 4 
5 समीकरण 
समीकरण 6 
समीकरण 7 
समीकरण 8 
समीकरण 9 
60; समीकरण 10 
समीकरण 11 Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Chronoamperometry बायोरिएक्टर से यह परिणाम
chronoamperometry परिणाम, 1 समीकरण के अनुसार गणना, (चित्रा 4) एक सतत रिएक्टर के लिए एक विशिष्ट ग्राफ दिखा। प्रयोग के शुरू में, एनोड और कैथोड recirculation मोड में संचालित किया गया। इससे को विकसित करने के लिए एक biofilm और वर्तमान उत्पादन की शुरुआत की अनुमति देता है। आपरेशन के 5 दिनों के बाद, वर्तमान घनत्व मौजूदा उत्पादन में कमी के बाद अधिकतम पर पहुंच गया। इस biofilm वर्तमान उत्पादन के लिए एक कार्बन / इलेक्ट्रॉन स्रोत (जैसे, एसीटेट) का अभाव है कि एक संकेत है। एक पठार दिन 12 और 16. एक पठार अमोनियम पर पर्याप्त डेटा प्राप्त करने के लिए जरूरी हो गया था के बीच 3.5 ए / वर्ग मीटर बड़ा पर पहुँच गया था जब तक दिन 6 पर सतत संचालन करने के लिए बदलने के लिए, 6 घंटा की एक एचआरटी का उपयोग करते हुए, वर्तमान उत्पादन में लगातार वृद्धि हुई एक निश्चित वर्तमान घनत्व के लिए निष्कर्षण।
अमोनियम एकाग्रता मैंएन फ़ीड कई कदम (2 टेबल) में बढ़ा था। हर कदम अंततः 27 ए / m² में एक औसत वर्तमान पहुंच गया है कि वर्तमान घनत्व की वृद्धि हुई। यह मौजूदा वृद्धि अमोनियम बाइकार्बोनेट के अलावा आयनों की एकाग्रता और इस तरह चालकता वृद्धि हुई जिसमें एनोड फ़ीड, की एक वृद्धि की चालकता से जुड़ा हुआ था। एक उच्च चालकता ओमिक प्रतिरोध कम हो जाती है और इस प्रकार बायोरिएक्टर से वर्तमान उत्पादन 13 Chronoamperometry परिणामों के पक्ष में
chronoamperometry परिणाम, 1 समीकरण के अनुसार गणना, (चित्रा 4) एक सतत रिएक्टर के लिए एक विशिष्ट ग्राफ दिखा। प्रयोग के शुरू में, एनोड और कैथोड recirculation मोड में संचालित किया गया। इससे को विकसित करने के लिए एक biofilm और वर्तमान उत्पादन की शुरुआत की अनुमति देता है। आपरेशन के 5 दिनों के बाद, वर्तमान घनत्व मौजूदा उत्पादन में कमी के बाद अधिकतम पर पहुंच गया। यह एक इंडिका हैbiofilm एक कार्बन / इलेक्ट्रॉन स्रोत का अभाव है, tion (जैसे, एसीटेट) वर्तमान उत्पादन करने के लिए। एक पठार दिन 12 और 16. एक पठार अमोनियम पर पर्याप्त डेटा प्राप्त करने के लिए जरूरी हो गया था के बीच 3.5 ए / वर्ग मीटर बड़ा पर पहुँच गया था जब तक दिन 6 पर सतत संचालन करने के लिए बदलने के लिए, 6 घंटा की एक एचआरटी का उपयोग करते हुए, वर्तमान उत्पादन में लगातार वृद्धि हुई एक निश्चित वर्तमान घनत्व के लिए निष्कर्षण।
फ़ीड में अमोनियम एकाग्रता कई कदम (तालिका 2) में वृद्धि की गई थी। हर कदम अंततः 27 ए / m² में एक औसत वर्तमान पहुंच गया है कि वर्तमान घनत्व की वृद्धि हुई। यह मौजूदा वृद्धि अमोनियम बाइकार्बोनेट के अलावा आयनों की एकाग्रता और इस तरह चालकता वृद्धि हुई जिसमें एनोड फ़ीड, की एक वृद्धि की चालकता से जुड़ा हुआ था। एक उच्च चालकता ओमिक प्रतिरोध कम हो जाती है और इस प्रकार वर्तमान उत्पादन 13 पक्ष में है।
एसीटेट माप पूरी तरह हटाने से पता चलाइस अवधि के दौरान 37. करने के लिए दिन में 27 से anodic biofilm द्वारा कार्बन स्रोत के बावजूद, biofilm द्वारा उत्पादित वर्तमान घनत्व मध्यम परिवर्तन करने से पहले कम किया है। मध्यम बाँझ परिस्थितियों में नहीं रखा गया था, फ़ीड में एसीटेट एकाग्रता की वजह से दूध की बोतल में गैर electroactive सूक्ष्मजीवों द्वारा खपत को समय के साथ गिरा दिया। वर्तमान घनत्व के रूप में जल्द ही मध्यम मंगाया गया था के रूप में फिर से वृद्धि हुई है। इस biofilm द्वारा मौजूदा उत्पादन फ़ीड में कार्बन स्रोत एकाग्रता द्वारा सीमित किया गया था कि संकेत दिया। एसीटेट एकाग्रता में कई बढ़ जाती टेस्ट (तालिका 2) की दूसरी छमाही के लिए कार्बन सीमा को रोकने के लिए आवश्यक थे।
Bioelectrochemical प्रणाली के लिए समय के साथ वर्तमान घनत्व 4. चित्रा। दिन 6 पर सतत मोड के लिए परिवर्तन करने के बाद, वर्तमान में वृद्धि मनाया जा सकता है। एACH चरण (द्वितीय - सप्तम) वर्तमान में वृद्धि के परिणामस्वरूप जो अमोनियम फ़ीड एकाग्रता में वृद्धि को दर्शाता है।
सेल संभावित
सेल संभावित एनोड और कैथोड क्षमता के बीच अंतर के आधार पर गणना की है, इलेक्ट्रोड पर overpotentials और Ohmic प्रतिरोध। सेल संभावित विद्युत सेल ड्राइव करने के लिए आवश्यक कुल बिजली से संबंधित है। इस विषय पर समीकरणों और विस्तार के लिए, हम Clauwaert और सह कार्यकर्ता 13 से समीक्षा कागज को देखें।
जैविक अमोनियम निकासी के मामले में, एनोड संभावित -200 एम वी बनाम एजी / AgCl पर तय की गई थी और biofilm वर्तमान उत्पादन किया। एक परिणाम के रूप में कैथोड संभावित biofilm द्वारा उत्पादित वर्तमान को बनाए रखने के क्रम में विविध। इस मामले में, सेल भर में विरोध कैथोड संभावित प्रभावित किया। 16 दिन पर जैविक प्रणाली के सेल संभावित मैं करने के लिए शुरूवर्तमान में कोई वृद्धि मनाया गया और एनोड संभावित एजी बनाम -200 एम वी / AgCl पर तय बने रहे हालांकि ncrease। यह या एनोड और झिल्ली के बीच गरीब मिश्रण की वजह से diffusional सीमाओं (झिल्ली पर स्केलिंग, उदाहरण के लिए) झिल्ली प्रतिरोध का परिणाम हो सकता है, जो प्रणाली में एक वृद्धि प्रतिरोध, का एक परिणाम था। रिएक्टर ध्यान से खाली कर दिया और खोला, और झिल्ली बदल दिया गया था किया गया। एनोड मिश्रण में सुधार करने की झिल्ली से आगे दूर रखा गया था। एनोड डिब्बे में पहले हटा दिया गया था कि anolyte के साथ फिर से भरा हुआ था। इस आपरेशन के एजी / AgCl बनाम -700 एम वी के आसपास कैथोड संभावित स्थिर साथ, निरंतर प्रयोग (0.5 वी) के शुरू में के रूप में एक ही स्तर के लिए सेल संभावित बहाल।
अजैव विद्युत निकासी के प्रयोगों में, सेल संभावित इसी तरह overpotentials और ohmic प्रतिरोध सहित bioelectrochemical निकासी, के लिए के रूप में गणना की है। दोनों एनोड और ग athode संभावित विविधताओं के अधीन थे। विद्युत प्रणाली के लिए सेल वोल्टेज बायोरिएक्टर (तालिका 5) के लिए की तुलना में अधिक है। यह ऑक्सीजन के लिए पानी की विद्युत ऑक्सीकरण के लिए आवश्यक उच्च एनोड क्षमता के कारण मुख्य रूप से है। परीक्षण किया स्थितियों के लिए विशिष्ट एनोड और कैथोड क्षमता Desloover एट अल। चार से वर्णित हैं।
| वर्तमान घनत्व | Bioanode (वी) | विद्युत प्रणाली (वी) |
| 0 ए / वर्ग मीटर बड़ा | एन / ए | एन / ए |
| 10 ए / वर्ग मीटर बड़ा | 1.69 ± 0.05 | 2.73 ± 0.06 |
| 20 ए / वर्ग मीटर बड़ा | 2.20 ± 0.11 | 2.99 ± 0.08 |
| 30 ए / वर्ग मीटर बड़ा | 2.32 ± 0.14 | 3.35 ± 0.21 |
अमोनियम निष्कर्षण और अलग करना
पिछले दो वर्गों में प्रस्तुत विद्युत मापदंडों कटियन विनिमय झिल्ली के माध्यम से अमोनियम निकासी की क्षमता का निर्धारण कारक है कि कर रहे हैं। निम्नलिखित मानकों जैविक और अजैविक प्रणाली का प्रदर्शन की तुलना करने के क्रम में गणना की जाती हैअमोनियम निकासी के मामले में एस।
नाइट्रोजन प्रवाह (जे एन) और निकासी की मौजूदा क्षमता (सीई)
अमोनियम आयनों सेल पर आरोप संतुलन बहाल करने के लिए कटियन विनिमय झिल्ली के पार। प्रत्येक इलेक्ट्रॉन एनोड पर जारी किया जा रहा है, एक सकारात्मक प्रभारी कैथोड डिब्बे में एनोड से विस्थापित किया जाना चाहिए। अमोनियम प्रभारी संतुलन के लिए 100% बहाल हैं, एक 100% की वर्तमान दक्षता प्राप्त होगा।
बायोरिएक्टर के लिए नाइट्रोजन प्रवाह विद्युत प्रणाली (चित्रा 5) से अधिक है। यह एक कम anolyte पीएच में जिसके परिणामस्वरूप, विद्युत प्रणाली की फ़ीड के निचले क्षारीयता के द्वारा समझाया जा सकता है। यह झिल्ली पर आरोप संतुलन बहाल करने के लिए अमोनियम और प्रोटॉन के बीच एक उच्च प्रतिस्पर्धा में हुई।
चित्रा 5. विभिन्न घनत्व वर्तमान के लिए विद्युत प्रणाली के लिए नाइट्रोजन प्रवाह की तुलना में बायोरिएक्टर के लिए नाइट्रोजन प्रवाह बायोरिएक्टर के लिए प्रवाह एनोड सहायक नदी में तन एकाग्रता की एक श्रृंखला के लिए गणना की है।; विद्युत व्यवस्था के लिए प्रवाह केवल 5 ग्राम एन / एल की एकाग्रता लिए दिया जाता है। विद्युत प्रणाली के लिए त्रुटि सलाखों के प्रतीकों से छोटे हैं।
स्ट्रिपिंग दक्षता
तरल पुनःपरिसंचरण दर और वायु पंप प्रदर्शन उच्च अलग करना दक्षता प्राप्त करने के लिए समायोजित किया जा सकता है। एक खुली या बंद हवा परिसंचरण पाश की पसंद भी अलग करना दक्षता पर असर पड़ेगा। अवशोषण क्षमता अधिक है और सभी राष्ट्रीय राजमार्ग तीन गैस एसिड के माध्यम से इसके पारित होने के दौरान फंस गया है जब एक खुली हवा धारा अनुकूल है। खुली हवा प्रणाली अलग करना कॉलम के माध्यम से जा हवा जिसके परिणामस्वरूप, अमोनिया से मुक्त है कि यह सुनिश्चित करता हैगैसीय राष्ट्रीय राजमार्ग से 3 को भंग कर राष्ट्रीय राजमार्ग 3 की रूपांतरण के लिए एक उच्च प्रेरणा शक्ति में। एक कम अवशोषण क्षमता के मामले में बंद व्यवस्था अमोनिया घाटे को रोकने जाएगा। Le chatelier 14 के सिद्धांत द्वारा व्यक्त के रूप में गैस के प्रवाह में कब्जा अमोनिया गैस, स्ट्रिपिंग प्रक्रिया thermodynamically अनुकूल बनाने के लिए एक एसिड समाधान में समाहित किया जाना चाहिए। शोषक शुरू की पीएच इस अमोनिया protonate के लिए उपलब्ध नहीं रह प्रोटॉन हैं कि वहाँ इंगित करता है, क्योंकि यह जगह होना चाहिए वृद्धि करने के लिए है। अवशोषण की क्षमता पहले ही होने का अनुमान किया जा सकता है। एच 2 के हर तिल के लिए ऐसा 4, एनएच तीन से एन के दो मोल लिया जा सकता है।
दक्षता स्ट्रिपिंग (एसई,%) एनोड से हटा अमोनिया नाइट्रोजन के आधार पर गणना की है, और (बाहर सी सीएटी) कैथोड प्रवाह एकाग्रता। इन evapora के अधीन हैं के रूप में मापा टैन का उपयोग कर विधियों अवशोषण स्तंभ को सूचित से इस विधि में ज्यादा सटीक हैtion के / वर्षा। यह समीकरण 10 anolyte और catholyte के बराबर प्रवाह दरों के लिए ही मान्य है कि नोट के लिए महत्वपूर्ण है।
जैविक और अजैविक सिस्टम की कुल मिलाकर तुलना
बायोरिएक्टर anolyte 5.1 जी एन / एल की एकाग्रता, 27 ए / वर्ग मीटर के एक वर्तमान घनत्व और 5 ग्राम एन / एल की एकाग्रता में जिसके परिणामस्वरूप: बायोरिएक्टर और विद्युत प्रणाली परीक्षण के सबसे इसी तरह की स्थितियों के लिए तुलना कर रहे हैं विद्युत प्रणाली (तालिका 6) के मामले में 30 ए / वर्ग मीटर के एक आवेदन वर्तमान घनत्व के साथ संयुक्त।
| पैरामीटर | Bioanode | विद्युत प्रणाली |
| मौजूदा क्षमता (%) | 67.1 ± 0.28 | 38 ± 0.6 |
| हटाने की क्षमता (%) | 51 ±0.5 | 41 ± 2 |
| नाइट्रोजन प्रवाह (जी एन / वर्ग मीटर बड़ा / डी) | 226 ± 1 | 143 ± 7 |
| सेल वोल्टेज (वी) | 2.12 ± 0.09 | 3.35 ± 0.21 |
| ऊर्जा इनपुट (/ kWh किलो एन हटाया) | 6.04 ± 1.78 | 16.8 ± 1.4 |
| Anolyte पीएच | 7.39 ± 0.13 | 1.56 ± 0.14 |
| Catholyte पीएच | 12.53 ± 0.07 | 12.92 ± 0.08 |
6 तालिका बायोरिएक्टर और विद्युत प्रणाली के समग्र तुलना। बायोरिएक्टर 27 ए / m² में एक औसत वर्तमान घनत्व, जिसके परिणामस्वरूप में 5.1 छ n / एल फ़ीड एकाग्रता में स्थिर राज्य पर परिचालन किया गया। विद्युत प्रणाली 5 ग्राम / एल की एक नाइट्रोजन फ़ीड एकाग्रता के लिए 30 ए / वर्ग मीटर बड़ा पर चलाने की गई थी।
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Discussion
इस पांडुलिपि एक bioelectrochemical और अमोनियम वसूली के लिए एक विद्युत सेल स्थापित करने के लिए आवश्यक उपकरण उपलब्ध कराता। परिणाम अनुभाग में प्रस्तुत गणना प्रणाली के प्रदर्शन के मूल्यांकन के लिए मापदंडों प्रदान करते हैं। जैविक और विद्युत प्रणालियों सेटअप और समारोह में इसी तरह के हैं। दो प्रणालियों के बीच मुख्य अंतर bioelectrochemical स्थापना के लिए एक निश्चित एनोड संभावित बनाम विद्युत सेल के लिए एक निश्चित वर्तमान की पसंद है। अजैव स्थापना के लिए तय मौजूदा इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं ड्राइव करने के लिए आवश्यक है और यह भी इस प्रकार स्थिर राज्य की स्थिति के लिए अग्रणी थोक चरण में प्रक्रियाओं के नियमन के लिए अनुमति देता है की अनुमति देता है। दूसरी तरफ bioelectrochemical प्रणाली के लिए, -200 एमवी बनाम एजी / AgCl की एक निश्चित एनोड संभावित इलेक्ट्रोड से 15 इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को सक्षम करने के लिए चुना गया था। दो डिब्बे विद्युत सेल एक electrica द्वारा संचालित एक झिल्ली से अधिक अमोनियम की निकासी की अनुमति देता हैएल वर्तमान। प्रत्येक प्रणाली दूसरे के ऊपर कुछ लाभ प्रस्तुत करता है। सिस्टम के साथ संभावित समस्याओं में से कुछ में वर्णित हैं।
bioelectrochemical प्रणाली प्रणाली की लागत के संबंध के साथ कई लाभ प्रदान करता है। ग्रेफाइट की लागत एनोड विद्युत प्रणाली में इस्तेमाल किया स्थिर एनोड के लिए लागत की तुलना में बहुत कम है महसूस किया। एक 1 वर्ग मीटर के इलेक्ट्रोड सतह के लिए, एनोड की पूंजी लागत m² में प्रति 1,000 डॉलर के लिए $ 100 से, 10 का एक पहलू से कमी आई है। bioelectrochemical प्रणाली के परिचालन लागत भी कम। एक bioanode रिएक्टर में, वर्तमान विद्युत रिएक्टर की तुलना में biofilm द्वारा एक बहुत कम एनोड क्षमता से कम उत्पादन किया जाता है, इसलिए आवश्यक सेल वोल्टेज एक bioelectrochemical सेटअप में बहुत कम है। एक ही शर्तों के तहत काम bioanode के लिए ऊर्जा इनपुट 6.04 / kWh किलो एन अतिरिक्त करने के लिए आधी से अधिक है, जबकि विद्युत सेल में निकासी, के.जी. एन निकाले / 16.8 kWh का एक ऊर्जा इनपुट की आवश्यकताcted। काफी बायोरिएक्टर की परिचालन लागत को कम कर देता है, जो पानी की विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण, विरोध के रूप में electroactive बैक्टीरिया एक कम क्षमता पर anodic प्रतिक्रिया उत्प्रेरित। ऐसे पंपों के लिए बिजली और अलग करना और अवशोषण के रूप में अन्य परिचालन लागत शामिल नहीं हैं, लेकिन दोनों प्रणालियों के लिए समान होने के लिए प्रत्याशित हैं। एक माइक्रोबियल ईंधन सेल (एम एफ सी) के बजाय एक माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल का उपयोग करते समय एक भी कम ऊर्जा इनपुट प्राप्त की है। किसी ऐसे के साथ प्राप्त की कम निकासी दरों आकर्षक MEC 16 के मामले में विद्युत ऊर्जा का निवेश करते हैं।
लागत bioelectrochemical प्रणाली पक्ष में है, जबकि परिचालन स्थिरता और reproducibility विद्युत सेल की एक फायदा। एक जैविक प्रणाली रूप में, electroactive biofilm वातावरण के लिए संवेदनशील है और आसानी से बाधित हो किया जा सकता है। biofilm पीएच में परिवर्तन, विषाक्त यौगिकों और तापमान में परिवर्तन की एकाग्रता के प्रति संवेदनशील है। प्रभावोंटी अच्छी तरह से ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के दौरान तटस्थ मूल्य के आसपास पीएच बनाए रखने के लिए बफर किया जाना चाहिए। विद्युत प्रणाली के लिए मामला था anolyte पर्याप्त बफर नहीं है, तो एनोड प्रतिक्रिया एक पीएच कमी को लागू करेंगे। यह असली अपशिष्ट जल के उपचार के लिए जैविक प्रणाली का उपयोग करते समय पता करने के लिए एक महत्वपूर्ण बिंदु है। तापमान का प्रभाव स्पष्ट रूप से यहाँ प्रस्तुत bioelectrochemical परीक्षा में दिखाई थी। यह जीवाणु कैनेटीक्स पर तापमान के प्रभाव को छोड़ने के लिए एक तापमान नियंत्रित वातावरण में रिएक्टर स्थान के लिए सबसे अच्छा है, लेकिन इस तापमान में उतार-चढ़ाव chronoamperometry को प्रभावित करने के लिए मनाया जा सकता है, जहां यहाँ प्रस्तुत bioelectrochemical परीक्षण, में मामला नहीं था। रात के बीच दैनिक विविधताओं दिन 42 और 46 के बीच में विशेष रूप से (ठंड, मौजूदा कम) और दिन (गर्म है, वर्तमान उच्च) ग्राफ में देखा जा सकता है (चित्रा 4), जैसे कार्बन स्रोत की कम उपलब्धता के रूप में कोई अन्य कारकों में बाधा थे जब बैक्टीरियल activअल्पसंख्यक 13,17।
एक और नुकसान जैविक प्रणाली एक लंबी स्टार्टअप समय की आवश्यकता है। biofilm इलेक्ट्रोड पर कुछ ही दिनों में विकसित करता है, लेकिन इस तरह के टैन एकाग्रता के रूप में फ़ीड विशेषताओं में परिवर्तन माइक्रोबियल biofilm के लिए तनाव को कम करने के क्रम में धीरे-धीरे लागू किया जाना चाहिए। हमारी प्रणाली में, विद्युत प्रणाली केवल स्थिर परिचालन की स्थिति तक पहुँचने के लिए ध्रुवीकरण और 3 HRTs के 24 घंटा की आवश्यकता है।
एक विद्युत प्रणाली संचालन मानकों पर नियंत्रण का एक बड़ा डिग्री की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, वर्तमान घनत्व उत्पाद वसूली और बिजली इनपुट 4 के बीच एक इष्टतम अनुपात प्राप्त करने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। एक bioelectrochemical व्यवस्था के लिए वर्तमान उत्पादन वर्तमान में राज्य--कला में नियंत्रित नहीं किया जा सकता है, जबकि यहाँ प्रस्तुत उन लोगों की तुलना में उच्च घनत्व वर्तमान (30 अधिक ए / वर्गमीटर), प्रयोग किया जा सकता है। कार्बन स्रोत सीमित हैं, या अतिरिक्त कार्बन उपलब्ध कराने वीं की मौजूदा उत्पादन को बदल सकते हैंई जैविक प्रणाली है, लेकिन अधिक कारकों इस प्रकार यह मुश्किल प्रक्रिया पैरामीटर अनुकूलन करने के लिए कर रही है, biofilm द्वारा मौजूदा उत्पादन को प्रभावित परिणाम खंड में चर्चा के रूप में।
ऊपर वर्णित तत्व एक दिया बहने के लिए एक रिएक्टर के मूल्यांकन के लिए एक आधार प्रदान करते हैं, और एक bioelectrochemical या विद्युत प्रणाली से चुना जाना चाहिए कि क्या निर्धारित करने के साथ मदद कर सकते हैं। हम इस अनुदेशात्मक के वीडियो अमोनियम निकासी के लिए एक सरल विद्युत या bioelectrochemical प्रणाली संचालित करने के लिए आवश्यक उपकरण उपलब्ध कराता है कि उम्मीद है।
प्रयोगात्मक आपरेशन के दौरान समस्या निवारण
कई कारकों के एक विद्युत सेल का प्रदर्शन प्रभावित करते हैं। bioelectrochemical प्रणाली अशांति के लिए और भी अधिक संवेदनशील है। रिएक्टर आपरेशन में सबसे आम समस्या है यहाँ चर्चा कर रहे हैं, लेकिन अन्य समस्याएँ हो सकती हैं। रिएक्टर आपरेशन सबसे आसानी से Y अनुमति देगा समस्याओं के साथ हाथ पर और टकराव सीखा हैकहां अगले समय में अधिक आसानी से संचालित करने के लिए। Bioelectrochemical सिस्टम के बारे में अन्य पहलुओं Gimkeiwicz और Harnisch 18 से जौव वीडियो लेख में से निपटा रहे हैं।
सामग्री के आकार
अन्य रिएक्टर आकार अमोनियम निकासी के लिए संभव हो रहे हैं। उदाहरण के लिए, रिएक्टर डिब्बे 5 एक्स 20 सेमी ² के भीतरी आयामों के साथ, बजाय वर्ग के आयताकार जा सकता है। सबसे महत्वपूर्ण पहलू सभी तत्वों को ठीक से फिट होना चाहिए। घिसने हमेशा रिएक्टर डिब्बे फ्रेम के बाहर की ओर कवर किया जाना चाहिए। झिल्ली विनिमय सतह क्षेत्र से भी बड़ा कटौती की जानी चाहिए। 8 एक्स 8 सेमी ² रिएक्टर 13 X 13 सेमी ² के लिए एक उपयुक्त आकार है। ग्रेफाइट के लिए एक ही खातों लगा। bioanode के लिए स्टेनलेस स्टील के वर्तमान कलेक्टर anolyte के साथ सीधे संपर्क में होने के लिए नहीं क्रम में 13 सेमी x 13 सेमी और 11 सेमी x 11 सेमी की आंतरिक आयाम के बाहरी आयाम है।
Potentiostat पूर्व रिएक्टर प्रयोग के शुरू करने के लिए एक डमी सेल परीक्षण निष्पादित द्वारा potentiostat के समुचित कार्य के आश्वासन देता हूं।
Ohmic प्रतिरोध
नकारात्मक उच्च मूल्यों पर सेल संभावित प्रभावित करेगा प्रणाली है, जो की ohmic प्रतिरोध पर कड़ी नजर रखें। (मैं) आयन एक्सचेंज झिल्ली के खराब, इलेक्ट्रोड के बीच (द्वितीय) भी एक महान अंतरिक्ष (iii) गरीब इलेक्ट्रोड कनेक्शन (iv) कम इलेक्ट्रोलाइट: सिस्टम की ohmic प्रतिरोध का एक अचानक वृद्धि हुई समस्याओं की एक किस्म का संकेत हो सकता है चालकता, या (v) के अपर्याप्त मिश्रण। ओमिक प्रतिरोध की भारी वृद्धि potentiostat द्वारा दिया जाना है कि आवश्यक अनुपालन वोल्टेज की जाँच करके बहुत जल्दी पता लगाया जा सकता है। इस (> 10 वी) उच्च भी हो जाता है तो इस उपकरण पर निर्भर है, हालांकि potentiostat सॉफ्टवेयर प्रोग्राम, प्रयोग बीच में होगा।
झिल्ली दूषण और एससीएलिंग असली गंदे पानी की वजह से इस तरह के सीए 2 + और 2 मिलीग्राम +, और 19 सामग्री उच्च ठोस रूप बीवालेन्त फैटायनों की उपस्थिति के लिए anolyte के रूप में प्रयोग किया जाता है, खासकर जब समय के साथ उम्मीद की जा सकती। इस प्रणाली को कम कुशल प्रतिपादन, एक बढ़ा ओमिक प्रतिरोध और एक उच्च सेल वोल्टेज को बढ़ावा मिलेगा।
संदर्भ इलेक्ट्रोड
संदर्भ इलेक्ट्रोड प्रणाली सही तय क्षमता पर चलाया जा रहा है विश्वास दिलाता हूं कि एक स्थिर संदर्भ इलेक्ट्रोड (जैसे, कैलौमेल इलेक्ट्रोड) के लिए साप्ताहिक रिश्तेदार जाँच की जानी चाहिए। गैस बुलबुले संदर्भ इलेक्ट्रोड के पास फंस नहीं किया जा सकता है कि इस तरह से प्रणाली में संदर्भ इलेक्ट्रोड प्लेस (नहीं शीर्ष करने के लिए, रिएक्टर की ओर से कनेक्ट)।
ऑक्सीजन घुसपैठ
Biofilm ऑक्सीजन के प्रति संवेदनशील है, ऑक्सीजन घुसपैठ पर हर समय बचा जाना चाहिए। सहायक नदी पोत और एनोड डिब्बे flus होना चाहिएरिएक्टर के शुरू के दौरान नाइट्रोजन गैस के साथ hed। प्रयोग चल रहा है जबकि एक कम वर्तमान घनत्व इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के बजाय एनोड इलेक्ट्रोड के रूप में ओ 2 के उपयोग का संकेत हो सकता है। हवा लीक का पता लगाने के लिए सभी कनेक्शनों और ट्यूबिंग (विशेष रूप से पंप ट्यूबिंग) की जाँच। ऑक्सीजन घुसपैठ resazurin का उपयोग करके पता लगाया जा सकता है, हालांकि इस परिसर इलेक्ट्रोड सक्रिय biofilm 20 के साथ हस्तक्षेप कर सकता है।
स्ट्रिपिंग और अवशोषण क्षमता
उच्च अलग करना दक्षता कैथोड प्रवाह से अमोनिया नुकसान से बचने के लिए और साथ ही एनोड डिब्बे को भंग कर एनएच 3 के पीछे-प्रसार से बचने के लिए बनाए रखा जाना चाहिए। इसलिए, 1000 (जी / एल) के तरल अनुपात करने के लिए एक न्यूनतम गैस की सलाह दी है। Raschig के छल्ले के उपयोग अलग करना दौरान तरल / गैस स्थानांतरण के पक्ष आवश्यक है। अवशोषण क्षमता अलग करना गैस में एनएच तीन में से एक कम एकाग्रता बनाए रखने के लिए उच्च किया जाना चाहिए। absorptio का पीएचएन स्तंभ 4 से नीचे रखा जाना चाहिए।
अपर्याप्त गैस recirculation
गैस recirculation पंप (झिल्ली वैक्यूम पंप, VWR) और इसलिए गैस प्रवाह की दर की शक्ति की वजह से नमी और स्केलिंग के प्रभाव के समय के साथ कम हो सकती। वैक्यूम पंप के प्रवेश करने से पहले एक पानी के जाल स्थापित करें और नियमित रूप से रोकने के लिए और इस स्केलिंग को निकालने के लिए पंप की झिल्ली सिर साफ।
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Carbon Felt 3.18 mm Thick | Alfa Aesar | ALFA43199 | Used as bioanode, 110 mm x 110 mm |
| Ti electrode coated with Ir MMO | Magneto Special Anodes (The Netherlands) | Used as stable anode for electrochemical tests | |
| Stainless steel mesh | Solana (Belgium) | RVS 554/64: material AISI 316L, mesh width: 564 micron, wire thickness: 140 micron, mesh number: 36,6 | Used as cathode, 110 mm x 110 mm |
| Stainless steel plate | Solana (Belgium) | inox 304 sheet, thickness: 0.5 mm | Used as current collector for the bioanode |
| Ag/AgCl Reference Electrode | Bio-Logic (France) | A-012167 RE-1B | |
| Potentiostat (VSP Multipotentiostat) | Bio-Logic (France) | ||
| EC Lab | Bio-Logic (France) | software for performing electrochemistry measurements | |
| Cation Exchange Membrane | Membranes International (USA) | Ultrex CMI-7000 | Pretreated according to the manufacturers' instructions |
| Turbulence Promotor mesh | ElectroCell Europe A/S (Tarm, Denmark) | EPC20432-PP-2 | spacer material, 110 mm x 110 mm |
| Connectors | Serto | 1,281,161,120 | Other sizes possible, dependant on tubing type and size of holes in frames |
| Strip and absorption column | In house design | ||
| Tubing | Masterflex | HV-06404-16 | |
| Gas bag | Keika Ventures | Kynar gas bag with Roberts valve | |
| Rashig Rings | Glasatelier Saillart (Belgium) | Raschig rings 4 x 4 mm | Put inside the strip and absorption column to improve the air/liquid contact. Available with many suppliers |
| Rubber sheet | Cut to fit on the perspex frames | ||
| Perspex reactor frames | Vlaeminck, Beernem | In-house design, see tab "reactor frames" in this file |
References
- Verstraete, W., Van de Caveye, P., Diamantis, V. Maximum use of resources present in domestic "used water". Bioresource Technology. 100 (23), 5537-5545 (2009).
- Lei, X., Sugiura, N., Feng, C., Maekawa, T. Pretreatment of anaerobic digestion effluent with ammonia stripping and biogas purification. Journal of Hazardous Materials. 145 (3), 391-397 (2007).
- Siegrist, H. Nitrogen removal from digester supernatant-comparison of chemical and biological methods. Water Science and Technology. 34 (1), 399-406 (1996).
- Desloover, J., Abate Woldeyohannis, A., Verstraete, W., Boon, N., Rabaey, K. Electrochemical Resource Recovery from Digestate to Prevent Ammonia Toxicity during Anaerobic Digestion. Environmental Science & Technology. 46 (21), 12209-12216 (2012).
- Kim, J. R., Zuo, Y., Regan, J. M., Logan, B. E. Analysis of ammonia loss mechanisms in microbial fuel cells treating animal wastewater. Biotechnology and Bioengineering. 99 (5), 1120-1127 (2008).
- Emerson, K., Russo, R. C., Lund, R. E., Thurston, R. V. Aqueous ammonia equilibrium calculations: effect of pH and temperature. Journal of the Fisheries Board of Canada. 32 (12), 2379-2383 (1975).
- Kuntke, P., Sleutels, T. H. J. A., Saakes, M., Buisman, C. J. N. Hydrogen production and ammonium recovery from urine by a Microbial Electrolysis Cell. International Journal of Hydrogen Energy. 39 (10), 4771-4778 (2014).
- Guo, K., et al. Surfactant treatment of carbon felt enhances anodic microbial electrocatalysis in bioelectrochemical systems. Electrochemistry Communications. 39, 1-4 (2014).
- Guo, K., Chen, X., Freguia, S., Donose, B. C. Spontaneous modification of carbon surface with neutral red from its diazonium salts for bioelectrochemical systems. Biosensors and Bioelectronics. 47, 184-189 (2013).
- Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. , American Public Health Association. (1992).
- Andersen, S. J., et al. Electrolytic Membrane Extraction Enables Production of Fine Chemicals from Biorefinery Sidestreams. Environmental Science & Technology. 48 (12), 7135-7142 (2014).
- Harnisch, F., Rabaey, K. The Diversity of Techniques to Study Electrochemically Active Biofilms Highlights the Need for Standardization. Chemsuschem. 5 (6), 1027-1038 (2012).
- Clauwaert, P., et al. Minimizing losses in bio-electrochemical systems: the road to applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 79 (6), 901-913 (2008).
- Atkins, P., De Paula, J. Elements of Physical Chemistry. , Oxford University Press. Oxford, UK. (2012).
- Aelterman, P., Freguia, S., Keller, J., Verstraete, W., Rabaey, K. The anode potential regulates bacterial activity in microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology. 78 (3), 409-418 (2008).
- Kuntke, P., et al. Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell. Water Research. 46 (8), 2627-2636 (2012).
- Liu, H., Cheng, S., Logan, B. E. Power Generation in Fed-Batch Microbial Fuel Cells as a Function of Ionic Strength. Temperature, and Reactor Configuration. Environmental Science & Technology. 39 (14), 5488-5493 (2005).
- Gimkiewicz, C., Harnisch, F. Waste Water Derived Electroactive Microbial Biofilms: Growth, Maintenance, and Basic Characterization. JoVE. (82), e50800 (2013).
- Ping, Q., Cohen, B., Dosoretz, C., He, Z. Long-term investigation of fouling of cation and anion exchange membranes in microbial desalination cells. Desalination. 325, 48-55 (2013).
- Guerin, T., Mondido, M., McClenn, B., Peasley, B. Application of resazurin for estimating abundance of contaminant-degrading micro-organisms. Letters in Applied Microbiology. 32 (5), 340-345 (2001).
