שחזור אמוניום מושרה Electrochemically וBioelectrochemically
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
שחזור של מוצרים יקרי ערך מחשיבות רווחי שפכים כמשאבים יקרי ערך נעשים נדירים וטיפול ללא התאוששות מייצג רק עלות. שפכים מכילים גם אנרגיה וחומרים מזינים שיכול להיות התאוששו, והתאוששות תזונתית יכול לעזור לסגור את ייצור הלולאה 1. שחזור של אנרגיה באמצעות עיכול אנאירובי הוא תהליך מבוסס היטב, ואילו התאוששות של חומרים מזינים היא פחות נפוצה. שחזור של חומרים מזינים מזרמי פסולת נוזליים כגון שתן וגללים נחקר באופן נרחב, למשל, באמצעות הייצור של struvite והפשטה ישירה של 2,3 אמוניה. עם זאת, הצורך בתוספת כימית הוא חסרונם של התהליכים אלה 4. כאן אנו מציגים טכניקה לשחזור של חומרים מזינים קטיוני מזרמי פסולת, כולל שני אשלגן ואמוניום. טופס קטיוני של חומרים מזינים אלו מאפשר התאוששות באמצעות קרום בררני יון במערכת אלקטרו-כימית. במקרה זה, electrochemicמערכת מורכבת מאל תא האנודה (בי החמצון מתרחש), תא קתודה (שבו ההפחתה מתרחשת) וקרום בררני יון להפריד התאים. מתח חשמלי על פני התא לייצר תזרים שוטף מהאנודה לקתודה. מתח זה יכול להיות שנוצר על ידי מקור מתח חיצוני לנהוג חמצון מים ותגובות הפחתה. לחלופין חמצון anodic, למשל, של חומרים אורגניים, ניתן היה זרז על ידי חיידקי electroactive, דורשים פחות כוח. כדי לסגור את המעגל ולשמור על איזון תשלום, מינים טעונים חייבים לנדוד בין האלקטרודות לכל אלקטרון שנוצר. תחבורת אמוניום מתא האנודה לקתודת התא על פני קרום חילופי קטיון (CEM) ולכן יכולה לפצות את השטף של אלקטרונים 4,5.
הטכניקה המוצגת כאן מסירה לא רק אמוניום מזרמי פסולת, אלא גם מאפשרת ההתאוששות שלה. חנקן אמוניה סה"כ (TAN) קיים בשיווי המשקל של שני עמוןium (NH 4 +) ואמוניה (NH 3), והוא תלוי בpH וטמפרטורה 6. NH 4 + הוא בשפע זמין בשל ריכוז גבוה TAN וליד pH הניטרלי בתא האנודה ומינים טעונים חיובי זה ולכן יכול להיות מונע על ידי נוכחי על פני CEM לתוך תא הקתודה. הנוכחי מניע את הירידה של מים על הקתודה, שמוביל לייצור של יוני הידרוקסיד וגז מימן. שיווי משקל TAN עובר לכמעט 100% NH 3 עקב הגבוה pH בתא הקתודה (> 10.0). NH 3 הוא גז שניתן להעביר בקלות באמצעות זרימת אוויר מיחידת הפשטה לעמודת הספיגה שבו הוא כלואים ומרוכז בתמיסת חומצה.
טכנולוגיה זו יש פוטנציאל להפחתת רעילות אמוניום במהלך עיכול אנאירובי של זרמי N-עשיר כמו זבל, וכך להגדיל את התאוששות האנרגיה מזרמי פסולת אלה, ובמקבילחומרים מזינים מתאוששים 4. חילוץ אלקטרוכימי וbioelectrochemical של אמוניום יכול להיות מיושם גם כטכניקה לשחזור מזין בזרמי פסולת עם תוכן TAN גבוה כגון שתן ובכך להימנע עלויות להסרת חומרים מזינים בWWTP 7.
הפרוטוקול המובא כאן יכול לשמש כבסיס לניסויים אלקטרוכימיים וbioelectrochemical רבים ושונים, כפי שאנו משתמשים כור מודולרי. ניתן לשלב סוגים שונים אלקטרודה, קרומים ועוביי מסגרת כפי שהוסבר בפרוטוקול בהמשך. המטרה העיקרית של הפרוטוקול היא לספק אמצעי להשוואה של התאוששות אמוניום אלקטרוכימיים והתאוששות אמוניום ביו-אלקטרו-כימי באמצעות תא אלקטרוליזה. המערכות מוערכות במונחים של יעילות מיצוי, קלט כוח ושחזור.
Protocol
Representative Results
Discussion
כתב יד זה מספק את הכלים הדרושים כדי להקים bioelectrochemical ותא אלקטרוכימי להתאוששות אמוניום. החישובים שהוצגו בסעיף התוצאות מספקים פרמטרים להערכה של ביצועי המערכת. המערכות הביולוגיות ואלקטרוכימיים דומות בהתקנה ובתפקוד. ההבדל העיקרי בין שתי המערכות הוא הבחירה של נוכחי קבו?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
Referências
- 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).
- Rice, E. W., Greenberg, A. E., Clesceri, L. S., Eaton, A. D. . Standard Methods For The Examination Of Water And Wastewater. , (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. , (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).
