Elektrokimyasal ve Bioelectrochemically Kaynaklı Amonyum Kurtarma

Aşağıdaki deneyin genel amacı, elektrokimyasal veya biyo elektrokimyasal bir yaklaşım kullanarak nitrojen açısından zengin akışlardan besin maddelerinin geri kazanımını araştırmaktır. İlk yaklaşım, akışın bir elektrokimyasal sistemden geçirilmesiyle elde edilir, bu da suyun oksidasyonundan sonra amonyum yükünü anot tarafından bir iyon değişim membranı boyunca katot tarafına akıtmak için kullanılabilecek bir itici kuvvet oluşturur. İkinci adım olarak, katot tarafındaki yüksek pH, amonyumun uçucu amonyağa dönüşmesine neden olur.

İyon değişim membranının yüksek seçicilik seviyesi, saf bir amonyak hidrojen akışının oluşturulmasını sağlar. Daha sonra, kato, amonyağı asidik bir ortamda yakalamak için bir sıyırma ve absorpsiyon kolonundan dolaştırılır. Elektrokimyasal ekstraksiyon, anot üzerinde bir biyofilmin geliştirilmesinin, atık akışında bulunan organiklerin karbondioksit, proton ve elektronlara dönüştürülmesine izin verdiği biyo elektrokimyasal süreçlerle de yönlendirilebilir.

Bu, yine, anottan katoda bir amonyum akışı sağlayacaktır. Sonuçlar, her iki yaklaşımın da idrar gibi nitrojen açısından zengin akışlardan besinleri geri kazanabildiğini göstermektedir. Atık su arıtımında geleneksel nitrifikasyon denitrifikasyon yaklaşımı, atık sudaki amonyağı alır ve onu atmosfere geri dönen nitrojen gazına dönüştürür, böylece nitrojeni kaybederiz.

Yaklaşımımızın avantajı, amonyağı almamız ve onunla bir şeyler yapabilmemiz için temiz bir biçimde geri kazanmamızdır. Yeniden kullanabilir veya başka bir ürüne dönüştürebiliriz. Yaklaşımımızın ikinci bir avantajı da elektriği bir sürücü olarak kullanmamızdır.

Esasen temiz ve ucuz bir enerji kaynağıdır ve kimyasalların kullanımını önler. Prosedürü gösteren Sylvia Hilde Bain ve Steven Anderson olacak. Laboratuvarımdan her iki doktora öğrencisi de Bu prosedüre başlamadan önce, elektrotlar, çerçeveler ve kauçuklar dahil olmak üzere reaktörü inşa etmek için gerekli tüm malzemeleri toplar.

Membranın üreticinin talimatlarına göre ön işleme tabi tutulduğundan emin olduktan sonra, karbon keçe elektrodu iki milimolar asetil trimetil amonyum bromür veya ACTAB'ye üç dakika batırarak ön işleme tabi tutun. Ardından karbon keçe elektrodu demineralize su ile durulayın. Bunu takiben, farklı reaktör parçalarını reaktör tipine göre sırayla istifleyin.

Ardından elektrokimyasal hücre için reaktör parçalarını istifleyin. Reaktörü kapatmak için somun ve cıvata kullanın ve basıncı eşitlemek için karşı taraftaki cıvataları elle sıkın. Reaktörün bağlantı portlarını Teflon kullanarak kapatın.

Bağlantı noktasının uygun şekilde sıkıldığından emin olun. Referans elektrodu, çalışma elektroduyla aynı bölmeye yerleştirin. Ardından, sızıntı olup olmadığını test etmek için reaktörü suyla doldurun.

Sızıntı görülürse, cıvataların yeterince sıkılıp sıkılmadığını veya reaktörü monte ederken reaktör parçalarından birinin hareket edip etmediğini kontrol edin. Herhangi bir sızıntı tespit edilmezse, reaktördeki suyu boşaltın. Besleme ve devridaim pompalarını reaktöre ve hava pompasını sıyırma ve emme ünitelerine bağlayın.

Che halkalarını kaplamak için absorpsiyon kolonunu 250 mililitre bir molar sülfürik asit ile doldurun. Pompa açıldığında Airstream'in asidi iyi karıştırdığından emin olun. Analit ve katalit çözeltilerini hazırladıktan sonra, oksijeni uzaklaştırmak için analiti en az 30 dakika nitrojen gazı ile temizleyerek yıkayın.

Aşılama için, bir biyo anot da dahil olmak üzere aktif anaerobik biyoreaktörlerden 30 mililitrelik bir atık su karışımı hazırlayın. Karışımı bir şırıngada toplayın. Ardından, analit şişesine nitrojenle dolu bir gaz torbası bağlayın.

Oksijenin girmesine izin vermemek için basıncı sabit tutmak için. Anot ve katot bölmelerini ilgili çözeltileriyle aynı anda doldurulmuş bir şırınga kullanarak şırıngayı inokulumla orta şişeye boşaltarak aşı kaynağını analit hacmi ile karıştırın. Her iki reaktör bölmesi de dolduğunda, devridaim pompasını saatte yaklaşık altı litrelik bir devridaim hızında açın.

Bunu takiben, anot çalışma elektrodu olarak kullanarak potansiyel stat kablosunu üç elektrotla bağlayın. Krono aberrometri modunda potansiyel istatistiği açın. Potansiyel istatistik yazılımını kullanarak, sürekli beslemeye geçmek için gümüş, gümüş klorür referans elektroduna karşı negatif 200 milivoltluk sabit bir anot potansiyeli seçin.

Hidrolik bir konutta anot ve katot için besleme pompasını açın. Altı saatlik süre, şeridin ve emme ünitesinin hava pompasını açın. Ardından havayı kapalı bir döngüde yeniden dolaştırın.

Ortamı, metinde açıklandığı gibi taze analit ve katalit ile haftada üç kez yenileyin. Kapalı besleme şişesine nitrojenle dolu bir gaz torbası takın. Besleme pompasını durdurun ve atık su hattına bir kelepçe takın.

Ardından eski ve yeni şişeleri değiştirin. Kelepçeleri çıkarın ve besleme her yenilendiğinde pompayı yeniden başlatın. İletkenlik, pH asetat içeriği ve amonyum konsantrasyonunun ölçümü için analit ve katalitin atık suyu ve atık suyundan beş mililitre sıvı numuneyi çıkarın.

Ek olarak, pH'ı izlemek ve toplam amonyum nitrojeni veya tan analizi için absorpsiyon kolonunun üç mililitrelik bir örneğini çıkarın. PH dörde yaklaştığında, yüksek emilim verimliliği sağlamak için AB emicisini taze bir molar sülfürik asit çözeltisi ile değiştirin. Akım stabilizasyonu asetat sınırlamalarından kaynaklanmıyorsa, beslemedeki amonyum konsantrasyonunu arttırın ve akımın stabilizasyonunu bekleyin.

Elektrokimyasal ekstraksiyon için ekstraksiyon verimliliklerini değerlendirmek için, aşağıdaki tabloya göre analit olarak sentetik bir atık su akışı hazırlayın. Litre başına beş gram nitrojen nihai konsantrasyonuna ulaşmak için amonyum sülfat ekleyin. Reaktör bölmelerini doldurmak için besleme pompasını bu şekilde açtıktan sonra, altı saatlik bir hidrolik kalma süresi elde etmek için pompa hızını azaltın.

Reaktör doldurulduktan sonra, daha önce olduğu gibi, devridaim pompasını saatte altı litre hızında açın. Ardından, şeridi ve absorpsiyon ünitesini başlattıktan sonra beş mililitrelik bir sıvı numunesini çıkarın. Potansiyel istatistik yazılımını kullanarak kronometri modunda potansiyel istatistiği açın.

İlk olarak, zarı polarize etmek ve tek başına difüzyondan kaynaklanan nitrojen akışını belirlemek için 24 saat boyunca metre kare başına yaklaşık 0,5 NPI'lik düşük bir akım yoğunluğu uygulayın. Sistem 24 saat boyunca polarize edildiğinde, deney için gerekli olan akım yoğunluğunu, genellikle metrekare başına 10 amper iskele ile metre kare başına 50 amper iskele arasında değişen şekilde uygulayın. Reaktör kararlı duruma ulaştığında, anot ve katot atık suyundan ve ayrıca absorpsiyon kolonundan bir zaman seyri boyunca en az üç beş mililitre numune alın.

Krono porometre sonuçları, sürekli bir reaktör için tipik bir grafik gösterir. Altıncı günde sürekli çalışmaya geçiş, 12. ve 16. günler arasında metre kare başına 3,5 amper'lik bir platoya ulaşılana kadar mevcut üretimde sürekli bir artışa neden oldu. Gündüz ve gece sıcaklığının mevcut üretim üzerindeki etkisi açıkça görülmektedir.

Örneğin, 42. günden 46. güne kadar, yemdeki amonyum konsantrasyonu birkaç adımda arttırıldı. Akım artışı, amonyum bikarbonat ilavesinin iyon konsantrasyonunu ve dolayısıyla iletkenliği arttırdığı anot beslemesinin artan iletkenliği ile bağlantılıydı. Elektrokimyasal sistem için hücre voltajı biyoreaktörden daha yüksektir.

Bu, esas olarak suyun oksijene elektrokimyasal oksidasyonu için gerekli olan daha yüksek anot potansiyelinden kaynaklanmaktadır. Biyoreaktör için azot akışı, elektrokimyasal sistemden daha yüksektir. Bu, elektrokimyasal sistemin beslemesinin daha düşük alkalinitesi ile açıklanabilir, bu da daha düşük bir analitik pH h ile sonuçlanır.

Bu, zar üzerindeki yük dengesini yeniden sağlamak için amonyum ve protonlar arasında daha yüksek bir rekabete neden oldu. Bu teknik şimdi çevre mühendislerinin, anaerobik sindirim durumu gibi atık akışlarından yüklü türlerin biyolojik ve biyolojik olmayan elektrokimyasal geri kazanımını keşfetmelerinin yolunu açıyor. Daha spesifik olarak burada, biyolojik bir yaklaşımın daha düşük bir enerji girdisine sahip olduğunu, ancak biraz daha düşük sağlamlık ve daha uzun bir başlatma süresinden muzdarip olabileceğini gösterdik.

Tamamen elektrokimyasal yaklaşım bu sağlamlığı sağlayabilir, ancak biraz daha yüksek bir maliyetle gelecektir. Bu videoyu izledikten sonra, atık sudan amonyum geri kazanımı için biyokimyasal bir sistemin nasıl kurulacağını iyi anlamış olmalısınız. Sağlam ve sızıntısız bir biyokimyasal hücre inşa edebilmelisiniz ve amonyağı geri kazanmak için bir absorpsiyon ünitesini soyarlar.