# Ammoniak en energie uit afvalwater

Wereldwijd wordt jaarlijks ongeveer 1,0·108 ton ammoniak (NH3) geproduceerd om stikstofrijke verbindingen te maken voor kunstmest. In fabrieken wordt hiervoor aardgas gebruikt als energiebron en als bron van waterstofatomen.
Het totaalproces kan worden gezien als een reactie van methaan met zuurstof, water en stikstof. Als reactieproducten ontstaan koolstofdioxide en ammoniak. In het proces wordt gemiddeld een mol methaan ingevoerd per mol N2. Het water wordt als vloeistof in het proces ingevoerd.

De kunstmest levert de stikstofverbindingen die noodzakelijk zijn voor een goede groei van gewassen.

In een Nederlandse onderzoeksgroep is onderzocht of het mogelijk is om ammoniak uit urine te winnen met een brandstofcel. In verse urine is de meeste stikstof gebonden als ureum. Wanneer urine in afvalwater terechtkomt, wordt het ureum door micro-organismen gehydrolyseerd tot
ammoniak en koolzuur (H2CO3). In het onderzoek is urine gemengd met afvalwater. Bij de gebruikte pH van het mengsel is het uit ureum gevormde ammoniak volledig omgezet tot NH4+.
In figuur 1 is de gebruikte brandstofcel schematisch weergegeven.

\

De negatieve elektrode is bedekt met een dunne laag micro-organismen (biofilm) die organische verbindingen afbreken. De elektronen die hierbij vrijkomen gaan via een externe stroomkring naar de positieve elektrode. Aan de positieve elektrode verloopt de onderstaande halfreactie:
O2 + 2 H2O + 4 e– --> 4 OH–
In afvalwater zijn onder andere ethanoaat-ionen aanwezig.

De positieve elektrode is poreus, zodat de in het afvalwater en de urine aanwezige positieve ionen erdoorheen kunnen bewegen. Wanneer tijdens stroomlevering uitsluitend ionen zoals Na+ en K+ het membraan en de poreuze elektrode passeren, stijgt de pH in het waterlaagje op de positieve elektrode. Wanneer tijdens stroomlevering uitsluitend NH4+ en H+ door het membraan gaan, blijft de pH in het waterlaagje op de positieve elektrode gelijk.

Wanneer NH4+ door het membraan gaat, wordt dit in het waterlaagje omgezet tot NH3. Op de positieve elektrode is slechts een dun laagje water aanwezig, zodat de gevormde ammoniak snel uit het water ontwijkt en door de luchtstroom wordt meegevoerd.
Om de zo gevormde ammoniak om te zetten tot een stof die in kunstmest kan worden verwerkt, wordt de uitgaande luchtstroom door een oplossing geleid. In veel soorten kunstmest is ammoniumnitraat verwerkt.

De onderzoekers wilden bepalen welk deel van het ladingstransport door het membraan van de brandstofcel plaatsvond via NH4+.
Hiertoe hebben de onderzoekers op regelmatige tijdstippen de hoeveelheid ammoniak bepaald die zich in de luchtstroom bevond.

In figuur 2 is het resultaat van de metingen aan het ladingstransport door NH4+ weergegeven.

uitlegfilmpje ammoniak en energie uit afvalwater vraag 21 t/m 28 https://www.youtube.com/watch?v=JiN2w1Ccuso