Микробная опреснительная камера
Микробная опреснительная ячейка (MDC) — это биологическая электрохимическая система, которая реализует использование электроактивных бактерий для опреснения воды на месте , обеспечивая ресурс естественного градиента анода и катода электроактивных бактерий и, таким образом, создавая внутренний суперконденсатор . Доступные запасы воды стали эндемическими во всем мире, поскольку только 0,3% запасов воды на Земле можно использовать для потребления человеком, а более 99% изолируется океанами, ледниками, солоноватой водой и биомассой. [1] Современные применения электрокоагуляции , такие как микробные опресняющие камеры, способны опреснять и стерилизовать ранее недоступную воду, чтобы сделать ее пригодной для безопасного водоснабжения. Микробные клетки опреснения произошли от микробных топливных элементов, отличаясь тем, что больше не требуют использования медиатора и вместо этого полагаются на заряженные компоненты внутреннего ила для питания процесса опреснения. [2] Таким образом, микробным опреснительным клеткам не требуются дополнительные бактерии для обеспечения катаболизма субстрата во время окисления биопленки на анодной стороне конденсатора. MDC и другие биоэлектрические системы предпочтительнее обратного осмоса , нанофильтрации и других систем опреснения из-за более низких затрат, энергии и воздействия на окружающую среду, связанных с биоэлектрическими системами. [3]
Структура МДЦ
[ редактировать ]MDC устроен аналогично микробному топливному элементу и состоит из двухкамеры с двумя электродами, анодом и катодом, а также как третья камера, разделенная анионообменной мембраной (АЕМ) и катионообменной мембраной (КЕМ), так и периферийный, внешний контур, отвечающий за аэробные и анаэробные процессы при каждый соответствующий электрод. Органические вещества из осадка размножаются в анодной камере и создают биопленку, генерирующую электрический ток. Таким образом, биопленка начинает окислять загрязняющие вещества в осадке, строго прилипая к аноду, высвобождая как электроны, так и протоны из биоотстоя, создавая ток атомов, которые собираются электродами посредством транспортирования по цепи. [4] Электрический ток создается за счет разности потенциалов, возникающей между анодом и катодом из-за аэробной природы катодной камеры. [5]
Приложения
[ редактировать ]Опреснение морской воды
[ редактировать ]МДК используются при опреснении морской воды, в первую очередь действуя в качестве предшественника электродиализа (ЭД) из-за неэффективности удаления солености из-за биообрастания и образования накипи на мембране из-за сложного ионного состава. Исследования показывают, что эффективность систем MDC снижается в течение 5000 часов из-за отложения на мембране, такого как накопление кальция и калия, увеличения омического сопротивления и снижения ионного обмена через мембрану. Однако при использовании MDC в качестве предшественника электродиализа результаты показывают, что системное время сокращается на 25%, а затраты энергии снижаются на 45,3%. [6] Снижение внешнего сопротивления увеличивает эффективность опреснения до 74%, как это было продемонстрировано в микробных опреснительных камерах с восходящим потоком (UMDC), но увеличивает отложения на ионообменных мембранах за счет накопления кальция и магния, что приводит к более высокому внутреннему омическому сопротивлению и снижению общее опреснение морской воды. При применении осмотического MFC (OsMFC) в сочетании с UMDC в качестве первоначальной предварительной обработки для удаления твердых частиц и опреснения воды потребность в кислороде на 85% и примерно на 97% солей была снижена после вторичной обработки. Последующая обработка традиционными системами BES, такими как электродиализ, может функционировать как более эффективная система опреснения, обеспечивая потребности в энергии за счет выходной энергии, полученной в результате предварительной обработки MDC. [6]
Опреснение солоноватой воды
[ редактировать ]Поскольку МДК обладают низкой электропроводностью в камере обессоливания и к системе не прикладывается дополнительная энергия, для улучшения проводимости, уменьшения внутреннего сопротивления и ускорения процесса опреснения солоноватой воды применяются электронно-проводящие смолы. [7] Солоноватые воды имеют низкую соленость и большое количество растворенных твердых веществ, что приводит к трудностям в поддержании сильных электрических токов из-за повышенного внутреннего сопротивления в клетке. MDC также испытывают проблемы с насыщением ионов в анодной камере, с которыми можно бороться, используя микробную емкостную камеру опреснения (MCDC). MCDC аналогичны MDC, за исключением модификации катионной мембраны путем добавления активированной углеродной ткани, обеспечивающей свободный обмен протонами в обеих камерах клетки и повышающей эффективность опреснения. [8]
Денитрификация подземных вод
[ редактировать ]
Увеличение развития сельского хозяйства связано с тенденцией повышения концентрации азота в окружающей почве и составе грунтовых вод из-за стока удобрений и побочных продуктов сельского хозяйства. Разработка погружной микробной ячейки опреснения-денитрификации (SMDDC) для удаления азота и солей из подземных вод снижает потребность в дополнительных соединениях, действующих в качестве доноров электронов, и вместо этого производит как чистую энергию, так и чистую, опресненную и денитрифицированную воду. [9] В отличие от типичной модели MDC, SMDDC исключает среднюю камеру обессоливания, а вместо этого содержит только анодную и катодную камеры, разделенные поликарбонатной пластиной и параллельные внешним AEM и CEM соответственно. Нитрат вводится через АЭМ в анодную камеру через синтетические грунтовые воды, затем распространяется в виде стоков через внешний контур в катодную камеру, в которой нитрат восстанавливается до азота катодом и притоком натрия. Резервуар подачи сточных вод перекачивает воду в анодную камеру для последующего окисления осадка анодной биопленкой. Подобно исходной конфигурации MDC, SMDDC также включает в себя внешнюю цепь, в которой электроны, таким образом, освобождаются от процесса окисления осадка и направляются через замкнутую внешнюю цепь в катодную камеру. Таким образом, токсичное и патогенное содержимое сточных вод отделяется одновременно с денитрификацией грунтовых вод, в результате чего образуется вода, которая отфильтровывается и превращается в пригодные для использования сточные воды. Наибольшее удаление нитратов наблюдалось при подаче внешнего напряжения (0,8 В), транспортирующего ионы в анодную камеру и восстанавливающего нитраты путем гетеротрофной денитрификации. [10]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кимберли, Маллен. «Информация о воде Земли» . Национальная ассоциация подземных вод . ЦПГ . Проверено 5 апреля 2018 г.
- ^ Кармалин София, А; Бхаламбаал, В.М.; Лима, Эдер С; Тирунавуккарасу, М (2016). «Технология микробных опреснительных ячеек: вклад в устойчивый процесс очистки сточных вод, текущее состояние и будущие применения». Журнал экологической химической инженерии . 4 (3): 3468–3478. doi : 10.1016/j.jece.2016.07.024 .
- ^ Севда, Сураджбхан; Юань, Хэян; Он, Чжэнь; Абу-Риш, Ибрагим М (2015). «Микробные опреснительные камеры как универсальная технология: функции, оптимизация и перспективы». Опреснение . 371 : 9–17. doi : 10.1016/j.desal.2015.05.021 .
- ^ Форрестол, Кейси; Сюй, Пей; Дженкинс, Питер Э; Рен, Чжиюн (2012). «Микробная опреснительная ячейка с емкостной адсорбцией для контроля миграции ионов». Биоресурсные технологии . 120 : 332–336. doi : 10.1016/j.biortech.2012.06.044 . ПМИД 22784594 .
- ^ Голизаде, Абдолмаджид; Эбрахими, Али Асгар; Салмани, Мохаммад Хосейн; Эрампуш, Мохаммад Хасан (2017). «Микробная ячейка для опреснения воды с озоновым катодом; инновационный вариант для производства биоэлектричества и опреснения воды». Хемосфера . 188 : 470–477. Бибкод : 2017Chmsp.188..470G . doi : 10.1016/j.chemSphere.2017.09.009 . ПМИД 28898779 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, Бо; Он, Чжэнь (2012). «Производство, использование и экономия энергии в системе биоэлектрохимического опреснения». РСК Прогресс . 2 (28): 10673. Бибкод : 2012RSCAd...210673Z . дои : 10.1039/C2RA21779A .
- ^ Морель, Александр; Цзо, Куйчан; Ся, Сюэ; Вэй, Цзиньчэн; Ло, Си; Лян, Пэн; Хуан, Ся (2012). «Микробные опреснительные камеры, заполненные ионообменной смолой для повышения скорости опреснения воды». Биоресурсные технологии . 118 : 43–48. doi : 10.1016/j.biortech.2012.04.093 . ПМИД 22695145 .
- ^ Форрестол, Кейси; Сюй, Пей; Рен, Чжиюн (2012). «Устойчивое опреснение с использованием микробной емкостной камеры опреснения». Энергетика и экология . 5 (5): 7161. doi : 10.1039/C2EE21121A .
- ^ Чжан, Ифэн; Ангелидаки, Ирини (2013). «Новый метод удаления нитратов из грунтовых вод in situ с использованием погружной микробной камеры опреснения-денитрификации (SMDDC)» . Исследования воды . 47 (5): 1827–1836. Бибкод : 2013WatRe..47.1827Z . дои : 10.1016/j.watres.2013.01.005 . ПМИД 23375601 .
- ^ Тонг, Иран; Он, Чжэнь (2013). «Удаление нитратов из подземных вод за счет выработки электроэнергии и гетеротрофной денитрификации в биоэлектрохимической системе». Журнал опасных материалов . 262 : 614–619. дои : 10.1016/j.jhazmat.2013.09.008 . ПМИД 24096001 .