حذف نیترات از آب های زیرزمینی توسط تولید برق و نیتروژن دهی هتروتروفی
نکات برجسته
یک سیستم بیوالکتروشیمیایی برای حذف نیترات از آب های زیرزمینی ساخته شده است.
نیترات، توسط یک پتانسیل الکتریکی از آب های زیرزمینی به سمت یک آند حرکت می کند.
نیترات، توسط نیتروژن دهی هتروتروفی به گاز هیدروژن تقلیل می یابد.
سیستم کنونی ، نیترات را هم از آب های زیرزمینی سنتزشده و هم واقعی حذف می کند.
چکیده
هدف از انجام این تحقیق، توسعه یک نگرش جدید برای حذف درجا ی نیترات از آب های زیرزمینی با استفاده از یک سیستم بیوالکتروشیمیایی می باشد. این سیستم، از بیوالکتریسیته تولیدشده توسط ترکیبات ارگانیک برای انتقال نیترات از آب های زیرزمینی به سمت آند، استفاده می کند و نیترات را توسط هیدروژن دهی هتروتروفی به گاز هیدروژن تبدیل می کند. این تحقیق آزمایشگاهی در مقیاس کوچک، حذف موثر نیترات را از آب های زیرزمینی سنتزشده و همچنین آب های زیرزمینی واقعی را نشان داد. دریافته شد که اعمال یک پتانسیل الکتریکی، حذف نیترات را بهبود می بخشد و حداکثر نرخ حذف نیترات 208.2 ± 13.3 g NO3−-N m−3d−1 در ولتاژ 0.8 ولت به دست آمد. اگرچه شرایط مدار باز(بدون تولید الکتریسیته) همچنان نرخ حذف نیترات 158.5 ± 4.2 g m−3d−1 را به دلیل تبادل یون فراهم می کند، تولید الکتریسیته می تواند مانع تبادل یون شود و از ورود یون های ناخواسته ی دیگر به آب های زیرزمینی جلوگیری می کند. نرخ حذف نیترات یک رابطه ی خطی با غلظت اولیه ی نیترات در آب های زیرزمینی دارد. سیستم بیوالکتروشیمیایی(BES)، از آب های زیرزمینی واقعی، چگالی جریان بیشتر 33.4 A m−3 و همچنین بار الکتریکی کلی بیشتری( 244.7 ± 9.1 C) نسبت به آب های زیرزمینی سنتزشده تولید می کند، احتمالاً به این دلیل که سایر یون ها در آب های زیرزمینی واقعی، حرکت یون ها را برای کمک به تولید الکتریسیته ترقی بخشیده اند.توسعه ی بیشتر این سیستم نیازمند درنظرگرفتن چالش های کلیدی در راه حل تغذیه ی آند، رقابت یونی و پایداری طولانی مدت می باشد.
4.نتایج
این تحقیق امکانپذیر بودن استفاده از یک سیستم بیوالکتروشیمیایی در مقیاس آزمایشگاهی را برای حذف نیترات از آب زیرزمینی نشان داد. BES به طور موثری نیترات را به خارج از آب زیرزمینی توسط تولید الکتریسیته جذب کرد و آن را به گاز نیتروژن در محفظه ی آند از طریق هیدروژن دهی هتروتروفی تقلیل داد. اعمال یک نیروی الکتریکی خارجی، حذف نیترات را بهبود بخشید و دریافته شد که 0.8 ولت، بیشترین نرخ حذف نیترات را نتیجه می دهد. علاوه بر تولید الکتریسیته، تبادل یونی، مکانیزم عمده ی دیگر انتقال نیترات به آند BES بود و بین انتقال الکتریسیته محور و تبادل یونی محور رقابتی وجود داشت که فرایند الکتریسیته محور مانع فرایند تبادل یونی می شد. فرایند تبادل یونی همچنین توسط غلظت یونی در آنولیت تحت تآثیر قرار گرفت. نرخ حذف نیترات به صورت خطی با افزایش غلظت نیترات در آب زیرزمینی افزایش یافت. BES همچنین به حذف موفقیت آمیز نیترات از آب زیرزمینی نمونه برداری شده از یک چاه در ایالت ویسکانسین دست یافت. توسعه های بیشتر BES برای حذف درجای نیترات از آب زیرزمینی باید چالش هایی از جمله انتخاب بسترهای آند، رقابت بین نیترات و سایر آنیون ها، کارایی طولانی مدت سیستم، افزایش مقیاس راکتور و ارزیابی اقتصادی این روش را در نظر بگیرد.
Highlights
• A bioelectrochemical system is developed for nitrate removal from groundwater.
• Nitrate is moved from groundwater into an anode driven by an electric potential.
• Nitrate is reduced to nitrogen gas via heterotrophic denitrification.
• The present system remove nitrate from both synthetic and actual groundwater.
Abstract
This research aims to develop a new approach for in situ nitrate removal from groundwater by using a bioelectrochemical system (BES). The BES employs bioelectricity generated from organic compounds to drive nitrate moving from groundwater into the anode and reduces nitrate to nitrogen gas by heterotrophic denitrification. This laboratory study of a bench-scale BES demonstrated effective nitrate removal from both synthetic and actual groundwater. It was found that applying an electrical potential improved the nitrate removal and the highest nitrate removal rate of 208.2 ± 13.3 g NO3−-N m−3 d−1 was achieved at 0.8 V. Although the open circuit condition (no electricity generation) still resulted in a nitrate removal rate of 158.5 ± 4.2 g m−3 d−1 due to ion exchange, electricity production could inhibit ion exchange and prevent introducing other undesired ions into groundwater. The nitrate removal rate exhibited a linear relationship with the initial nitrate concentration in groundwater. The BES produced a higher current density of 33.4 A m−3 and a higher total coulomb of 244.7 ± 9.1 C from the actual groundwater than the synthetic groundwater, likely because other ions in the actual groundwater promoted ion movement to assist electricity generation. Further development of this BES will need to address several key challenges in anode feeding solution, ion competition, and long-term stability.
4. Conclusions
This study has demonstrated the feasibility of using a bench-scale bioelectrochemical system to remove nitrate from groundwater. The BES effectively attracted nitrate out of groundwater driven by electricity generation and reduced it to nitrogen gas in the anode compartment via heterotrophic denitrification. Applying an external electric force improved the nitrate removal, and it was found that 0.8V resulted in the highest nitrate removal rate. In addition to electricity generation, ion exchange was another majormechanismofnitratemigrationinto theBES anode, andthere was competition between electricity-driven and ion exchangedriven nitrate movement, in which an electricity-driven process could inhibit the ion exchange process. The ion exchange process was also affected by the ionic concentration in the anolyte. The nitrate removal rate linearly increased with the increasing nitrate concentration in groundwater. The BES also achieved successful nitrate removal from actual groundwater sampled from a well in the state of Wisconsin. Further development of the BES for in situ nitrate removal from groundwater must consider the challenges such as the selection of anode substrates, the competition between nitrate and other anions, the long-term system performance, the reactor scaling up, and the economic evaluation of this approach.
(جهت بزرگ نمایی روی عکس کلیک نمایید)
نکات برجسته
چکیده گرافیکی
چکیده
1.مقدمه
2. مواد و روش ها
2.1. ساخت سیستم بیوالکتروشیمیایی
2.2. عملیات سیستم بیوالکتروشیمیایی
2.3 اندازه گیری و آنالیز
3. نتایج و بررسی
3.1 اثرات شرایط عملیاتی
3.2 اثرات تبادل
3.3. اثرات غلظت های نیترات
3.4. حذف نیترات از آب زیرزمینی واقعی
3.5 چشم اندازها
4.نتایج
highlights
Graphical abstract
Abstract
1. Introduction
2. Materials and methods
2.1. BES construction
2.2. BES operation
2.3. Measurement and analysis
3. Results and discussion
3.1. Effects of operating conditions
3.2. Effects of ion exchange
3.3. Effect of nitrate concentrations
3.4. Nitrate removal from actual groundwater
3.5. Perspectives
4. Conclusions
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه