Recuperación de amonio electroquímicamente y Bioelectrochemically inducido
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
La recuperación de productos valiosos a partir de aguas residuales gana importancia como recursos valiosos vuelven escasos y tratamiento sin recuperación representa sólo un costo. Las aguas residuales contienen tanto la energía y los nutrientes que se pueden recuperar, y la recuperación de nutrientes puede ayudar a cerrar el ciclo de producción 1. La recuperación de energía a través de la digestión anaerobia es un proceso bien establecido, mientras que la recuperación de nutrientes es menos común. La recuperación de los nutrientes de los flujos de residuos líquidos tales como orina y estiércol ha sido ampliamente investigado, por ejemplo, a través de la producción de estruvita y despojo directo de 2,3 amoníaco. Sin embargo, la necesidad de la adición de productos químicos es una desventaja de estos procedimientos 4. Aquí presentamos una técnica para la recuperación de nutrientes catiónicos de los flujos de residuos, incluyendo potasio y amonio. La forma catiónica de estos nutrientes permite la recuperación usando una membrana selectiva de iones en un sistema electroquímico. En este caso, el electrochemical sistema consta de una cámara de ánodo (donde tiene lugar la oxidación), una cámara de cátodo (donde la reducción se lleva a cabo) y una membrana selectiva de iones para separar los compartimentos. Se aplica un voltaje a través de la célula para producir un flujo de corriente del ánodo al cátodo. Esta tensión puede ser generada por una fuente de alimentación externa para conducir la oxidación del agua y las reacciones de reducción. Alternativamente, la oxidación anódica, por ejemplo, de compuestos orgánicos, puede ser catalizada por bacterias electroactivos, que requieren menos energía. Para cerrar el circuito y mantener el equilibrio de carga, una especie cargada deben migrar entre los electrodos por cada electrón generado. Transporte de amonio de la cámara anódica a la cámara de cátodo a través de una membrana de intercambio catiónico (CEM) puede compensar así el flujo de electrones de 4,5.
La técnica que aquí se presenta no sólo elimina de amonio de los flujos de residuos, sino que también permite su recuperación. Existe nitrógeno amoniacal total (TAN) en equilibrio de ambos ammonio (NH 4 +) y amoníaco (NH 3), y es dependiente de pH y de la temperatura 6. NH 4 + es abundante debido a la alta concentración de TAN y cerca de pH neutro en la cámara de ánodo y esta especie con carga positiva, por lo tanto puede ser impulsado por la corriente a través de la CEM en la cámara catódica. La corriente impulsa la reducción de agua en el cátodo, lo que lleva a la producción de iones de hidróxido y el gas hidrógeno. El equilibrio TAN desplaza a casi el 100% de NH 3 debido a la alta pH en la cámara de cátodo (> 10,0). NH 3 es un gas que se puede transferir fácilmente a través de la circulación de aire de la unidad de separación de la columna de absorción donde queda atrapado y se concentró en una solución ácida.
Esta tecnología tiene el potencial de disminuir la toxicidad de amonio durante la digestión anaerobia de los flujos rico en N como el estiércol, aumentando así la recuperación de energía a partir de estos flujos de residuos, mientras que simultáneamentenutrientes se recuperan 4. Extracción electroquímica y bioelectrochemical de amonio también puede ser aplicado como técnica de recuperación de nutrientes en las corrientes de desechos con un alto contenido de TAN tal como la orina evitando de este modo los costes para la eliminación de nutrientes en una PTAR 7.
El protocolo que se presenta aquí puede servir como una base para muchos diferentes experimentos electroquímicos y bioelectrochemical, como se utiliza un reactor modular. Diferentes tipos de electrodos, membranas y grosores de bastidor se pueden combinar como se explica en el protocolo a continuación. El objetivo principal del protocolo es proporcionar un medio para la comparación de la recuperación de amonio electroquímica y la recuperación de amonio-bio electroquímica usando una célula de electrólisis. Los sistemas se evalúan en términos de eficiencia de la extracción, la entrada de energía y la reproducibilidad.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este manuscrito ofrece las herramientas necesarias para configurar un bioelectrochemical y una célula electroquímica para la recuperación de amonio. Los cálculos presentados en la sección de resultados proporcionan los parámetros para la evaluación del rendimiento del sistema. Los sistemas biológicos y electroquímicas son similares en configuración y función. La principal diferencia entre los dos sistemas es la elección de una corriente fija de la célula electroquímica frente a un potencial del ánodo fijo…
Disclosures
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 |
References
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