Understanding Ammonium Transport in Bioelectrochemical Systems towards its Recovery

电解 化学 离子 离子交换 扩散 无机化学 离子运输机 级联 化学工程 电极 热力学 色谱法 有机化学 工程类 物理 物理化学 电解质
作者
Ying Liu,Mohan Qin,Shuai Luo,Zhen He,Rui Qiao
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1) 被引量:67
标识
DOI:10.1038/srep22547
摘要

Abstract We report an integrated experimental and simulation study of ammonia recovery using microbial electrolysis cells (MECs). The transport of various species during the batch-mode operation of an MEC was examined experimentally and the results were used to validate the mathematical model for such an operation. It was found that, while the generated electrical current through the system tends to acidify (or basify) the anolyte (or catholyte), their effects are buffered by a cascade of chemical groups such as the NH 3 /NH 4 + group, leading to relatively stable pH values in both anolyte and catholyte. The transport of NH 4 + ions accounts for ~90% of the total current, thus quantitatively confirming that the NH 4 + ions serve as effective proton shuttles during MEC operations. Analysis further indicated that, because of the Donnan equilibrium at cation exchange membrane-anolyte/catholyte interfaces, the Na + ion in the anolyte actually facilitates the transport of NH 4 + ions during the early stage of a batch cycle and they compete with the NH 4 + ions weakly at later time. These insights, along with a new and simple method for predicting the strength of ammonia diffusion from the catholyte toward the anolyte, will help effective design and operation of bioeletrochemical system-based ammonia recovery systems.
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