Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
We demonstrate the extraction of ammonium from an ammonium-rich stream using an electrochemical and a bioelectrochemical system. The reactor setup, operation and data analysis are discussed.
Streams such as urine and manure can contain high levels of ammonium, which could be recovered for reuse in agriculture or chemistry. The extraction of ammonium from an ammonium-rich stream is demonstrated using an electrochemical and a bioelectrochemical system. Both systems are controlled by a potentiostat to either fix the current (for the electrochemical cell) or fix the potential of the working electrode (for the bioelectrochemical cell). In the bioelectrochemical cell, electroactive bacteria catalyze the anodic reaction, whereas in the electrochemical cell the potentiostat applies a higher voltage to produce a current. The current and consequent restoration of the charge balance across the cell allow the transport of cations, such as ammonium, across a cation exchange membrane from the anolyte to the catholyte. The high pH of the catholyte leads to formation of ammonia, which can be stripped from the medium and captured in an acid solution, thus enabling the recovery of a valuable nutrient. The flux of ammonium across the membrane is characterized at different anolyte ammonium concentrations and currents for both the abiotic and biotic reactor systems. Both systems are compared based on current and removal efficiencies for ammonium, as well as the energy input required to drive ammonium transfer across the cation exchange membrane. Finally, a comparative analysis considering key aspects such as reliability, electrode cost, and rate is made.
This video article and protocol provide the necessary information to conduct electrochemical and bioelectrochemical ammonia recovery experiments. The reactor setup for the two cases is explained, as well as the reactor operation. We elaborate on data analysis for both reactor types and on the advantages and disadvantages of bioelectrochemical and electrochemical systems.
Восстановление ценных продуктов из сточных вод приобретает особое значение как ценные ресурсы истощаются и лечение без восстановления представляет собой лишь стоимость. Сточные воды содержит энергию и питательные вещества, которые могут быть восстановлены, и восстановление питательных веществ может помочь, чтобы закрыть производство петлю 1. Восстановление энергии через анаэробного сбраживания является хорошо установленный процесс, в то время как восстановление питательных веществ реже. Восстановление питательных веществ из потоков жидких отходов, таких как моча и навоз было широко изучено, например, за счет производства струвита и прямой зачистки аммиака 2,3. Тем не менее, потребность в химическом того является недостатком этих процессов 4. Здесь мы представляем технику для восстановления катионных питательных веществ из отходов, в том числе как калий и аммоний. Катионной форме этих питательных веществ позволяет восстановить с помощью ионоселективных мембран в электрохимической системе. В этом случае, electrochemicаль система состоит из анодной камеры (где происходит окисление), катодную камеру (где происходит восстановление) и ионов мембрана для разделения отсеков. Напряжение, приложенное к ячейке для получения тока от анода к катоду. Это напряжение может быть сгенерирован с помощью внешнего источника питания, чтобы ездить окисление воды и реакции восстановления. Альтернативно анодное окисление, например, из органических, может быть, катализируемой электроактивных бактерий, требующих меньше энергии. Чтобы закрыть контур и поддерживать баланс заряда, и заряженные частицы должны мигрировать между электродами для каждого электрона, генерируемого. Аммоний транспорт из анодной камеры в катодную камеру через катионообменную мембрану (CEM), таким образом, компенсировать поток электронов 4,5.
Техника, представленная здесь, не только удаляет аммоний из отходов, но и позволяет его восстановления. Общий азот аммиака (TAN) существует в равновесии как Аммонаий (NH + 4) и аммиак (NH 3), и зависит от рН и температуры 6. NH + 4 имеется в изобилии из-за высокой концентрации TAN и близким к нейтральному рН в анодной камере и положительно заряженных этого вида, следовательно, можно управлять током через СЕМ в катодную камеру. В настоящее время управляет уменьшение воды на катоде, что приводит к получению гидроксид-ионов и газообразного водорода. TAN равновесие смещается почти до 100% NH 3 в связи с высоким рН в катодной камере (> 10,0). NH 3 представляет собой газ, который может быть легко переведен с помощью циркуляции воздуха из десорбера в абсорбционную колонну, где он удерживается и концентрировали в растворе кислоты.
Эта технология имеет потенциал, чтобы уменьшить токсичность аммония во время анаэробного сбраживания N богатых потоков, как навоз, тем самым увеличивая извлечение энергии из этих отходов, в то же времявыздоравливающие питательные вещества 4. Электрохимическое и биоэлектрохимических извлечение аммония также могут быть применены в качестве питательных веществ для восстановления техники на отходов с высоким содержанием TAN, таких как моча, таким образом, избежать затрат на удаление питательных веществ в КОС 7.
Протокол, представленные здесь, могут служить в качестве основы для различных электрохимических и биоэлектрохимических экспериментов, как мы используем модульного реактора. Различные типы электродов, мембран и толщины рамы могут быть объединены, как описано в приведенной ниже протоколом. Основной целью протокола является создание средства для сравнения электрохимического восстановления аммония и био-электрохимическое восстановление аммония с использованием электролизера. Системы оцениваться с точки зрения эффективности добычи, потребляемой мощности и воспроизводимости.
1. Сборка реактора и подключение на вскрышные работы и поглощения единиц
Рисунок 1. Установка Реактор для биоэлектрохимических системы, позволяющей извлечение аммония. Система, представленная здесь работает в непрерывном режиме. Сплошные линии представляют поток жидкости, пунктирные линии представляют поток газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2. Установка Реактор для биоэлектрохимических системы, позволяющей извлечение аммония. Система, представленная здесь работает в непрерывном режиме. Сплошные линии представляют поток жидкости, пунктирные линии представляют поток газа.ww.jove.com/files/ftp_upload/52405/52405fig2large.jpg "TARGET =" _ пустое "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3. конструкции реактора кадров Perspex. Каждый реактор состоит из двух шайбами реакторов и 2 реакторных отсеков. Все части имеют толщину 2 см. Подробная информация о численности других материалов можно найти в списке материалов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.
2. Bioanode Driven Добыча
Компонент | Количество | ||
Na 2 HPO 4 | 6 г / л | ||
KH 2 PO 4 | 3 г / л | ||
NaCl | 0,5 г / л | ||
NH 4 Cl | 0,5 г / л | ||
MgSO 4 · 7H 2 O | 0,1 г / л | ||
CaCl 2 · 2H 2 O раствор (14,6 г / л) | 1 мл | ||
Ацетат натрия | 2 г / л (для запуска) | ||
Рассеянные элементы | 1 мл | ||
Витамин решение | 1 мл | ||
Микроэлементы (1,000x) | г / л | Витамины (1,000x) | г / л |
CoCl 2 | 0,1 | биотин | 0,004 |
Na 2 MoO 4 · 2H 2 O | 0,01 | фолиевая кислота | 0.004 |
H 3 BO 3 | 0,01 | пиридоксина гидрохлорид | 0,02 |
Mg 2 Cl 2 · 6H 2 O | 3 | рибофлавин | 0,01 |
ZnCl 2 | 0,1 | тиамин гидрохлорид | 0,01 |
CaCl 2 · 2H 2 O | 0,1 | никотиновая кислота | 0,01 |
NaCl | 1 | Пантотенат DL-кальция | 0,01 |
нитрилотриуксусная кислоты | 1,5 | Vit B12 | 0,0002 |
AlCl 3 · 6H 2 O | 0,01 | р аминобензойной кислоты | 0,01 |
CuCl 2 | 0,01 | липоевая (тиоктовой) кислоты | 0,01 |
FeCl 2 | 0,1 | мио -inositol | 0,01 |
MnCl 2 · 2H 2 O | 0,5 | холина хлорид | 0,01 |
Отрегулируйте до рН 6,5 с помощью КОН | ниацинамид | 0,01 | |
пиридоксаль гидрохлорид | 0,01 | ||
аскорбат натрия | 0,01 |
Таблица 1. Анолит композиция для био-анод приводом добычи селитры.
Время | Количество ацетата натрия добавляют в корм анода (г / л) |
День 0 - день 35 | 2 |
День 35 - День 37 | 3 |
День 37 - День 51 | 4 |
День 51 - День 61 | 5 |
Таблица 2. Концентрации ацетата натрия в анолита для bioanode приводом экстракции аммония.
Время | Количество NH 4 HCO 3 добавляется в корма анода (г / л) | Фаза |
День 0 - день 16 | 2.26 | Я |
День 16 - День 26 | 4,5 | II |
День 26 - День 33 | 9 | III |
День 33 - День 40 | 14,1 | IV |
День 40 - День 47 | 20 | V |
День 47 - День 54 | 25,4 | VI |
День 54 - День 63 | 31 | VII |
Таблица 3. Концентрация аммония в анолита для bioanode приводом экстракции аммония. Фазы указано на графике плотности тока (фиг.2).
3. Электрохимический Добыча
Компонент | Количество |
Na 2 HPO 4 · 2H 2 O | 1,03 г / л |
KH 2 PO 4 | 0,58 г / л |
MgSO 4 · 7H 2 O | 0,1 г / л |
CaCl 2 · 2H 2 O | 0,02 г / л |
(NH 4) 2 SO 4 | В зависимости от эксперимента, чтобы получить 1/3/5 г N / L конечной концентрации |
Таблица 4. Анолит композиция для извлечения электрохимический аммония 4.
4. Анализ проб
5. Анализ данных и расчеты
Хроноамперометрии приводит из биореактора
Результаты хроноамперометрии, рассчитывают по уравнению 1, показывают типичный график для непрерывного реактора (фиг.4). В начале эксперимента, анод и катод были работать в режиме рециркуляции. Это позволяет б...
Эта рукопись предоставляет необходимые инструменты для настройки биоэлектрохимических и электрохимическую ячейку для восстановления аммония. Расчеты, представленные в разделе результатов обеспечивают параметры для оценки производительности системы. Биологические и электрохимич?...
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the BOF grant for SG from Ghent University. AL is supported by the Rutgers University NSF Fuels-IGERT. SA is supported by the European Union Framework Programme 7 project “ProEthanol 2G.” SA and KR are supported by Ghent University Multidisciplinary Research Partnership (MRP)—Biotechnology for a sustainable economy (01 MRA 510W). JD is supported by an IOF Advanced grant (F2012/IOF-Advanced/094). KR is supported by by the ERC Starter Grant “Electrotalk”. The authors thank Tim Lacoere for designing the TOC art figure, Robin Declerck for building the strip and absorption columns and Kun Guo for providing the inoculum source.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
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: 0,5mm | 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены