Aumento de la potencia de una ccm de sedimentos con un catodo de mno2/fc, modificando el ph, conductividad y MO

ELIZABETH ALEMAN GAMA

RESUMEN Una celda de combustible microbiana (CCM) o biocelda es un sistema bioelectroquímico que genera energía renovable y que simultáneamente degrada contaminantes ricos en materia orgánica mediante la actividad metabólica de bacterias anaerobias. Desafortunadamente, ocurren muchos accidentes de derrames de petróleo que causan gran impacto ambiental, contaminando grandes áreas de flora y fauna. Las CCMs han demostrado que pueden producir una energía útil y al mismo tiempo biodegradar suelos contaminados con petróleo. Tecnología de celdas de combustible microbiana fueron estudiadas para evaluar su desempeño en el aumento en la densidad de potencia en función a la conductividad del catolito con distintas concentraciones de Na2SO4 (0.05, 0.2, 0.5 y 0.8 M), variación del pH (8, 5, 4 y 2) y uso de un catalizador catódico de MnO2 depositado sobre fibra de carbono (FC). Se utilizaron sedimentos contaminados con petróleo (SCP) como materia orgánica (MO) y fuente natural de bacterias. En este estudio se construyeron 11 CCMs de sedimentos con una sola cámara en forma cilíndrica (d=10 cm y h=15 cm) con policloruro de vinilo (PVC). Se utilizaron como materiales de electrodo fibra de carbono (FC) como ánodo y cátodo con un diámetro de 10 cm (área de superficie proyectada de 78.56 cm2). Una CCM se evaluó con la MO principal denominada CCM- Control, a otras celdas se les adiciono además de la materia principal otra MO derivada del petróleo; queroseno y gasolina con distintas cargas de materia (3, 9 y 15 g) denominadas; CCM-3g Q, CCM-9g Q, CCM-15g Q, CCM-3g G, CCM-9g G y CCM-15g G. También se utilizaron dos tipos de MO más fáciles de degradar; chitin natural (cáscaras de camarón) y comercial (Sigma) con dos distintas cargas (3 y 8g), denominadas; CCM-3g CN, CCM-8g CN, CCM-3g CC y CCM- 8g CC, respectivamente, con el objetivo de evaluar la facilidad de las bacterias vi para la oxidación de la materia y su efecto en la producción de energía en función a la materia compleja como lo son los hidrocarburos de petróleo a una materia más simple (residuos de cascara de camarón), además del impacto en la concentración del sustrato. La síntesis del catalizador catódico de MnO2 soportado sobre FC se realizó mediante reacción redox directa a partir de una solución de permanganato de potasio (KMnO4) 0.1 M. Para evaluar el desempeño de las CCM se realizaron curvas de polarización variando la resistencia externa de 38 a 0.180 kΩ, los datos se registraron cada 20 segundos con un software de adquisición de datos LabVIEW y una tarjeta microcontroladora comercial (Arduino uno) conectadas a una PC. Posteriormente, se realizaron las curvas de densidad de potencia (DP). Se realizaron pruebas de voltametría de barrido lineal con un potencial de barrido de 5 mVs-¹, con el fin de observar la cinética de la reacción de reducción de oxigeno (RRO) utilizando el catalizador de MnO2/FC sintetizado en este estudio y se comparó con un catalizador comercial de platino; Pt/C ETEK D). Todas las pruebas se realizaron por duplicado. En la CCM-control se obtuvo una densidad de corriente y una densidad de potencia de 44.99 mA m-2 y 4.18 mW m-2, respectivamente. Los mejores resultados se obtuvieron trabajando a pH ácido de 2, a mayores concentraciones del catolito; 0.8 M y con catalizador de MnO2. La CCM-8g CN obtuvo mayor energía con 179.21 mWm-2 y una densidad de corriente de 351.93 mA m-2, 43 veces mayor que la Celda control. Posteriormente, en las mejores condiciones de operación, la CCM-3g Q (alimentada con queroseno como MO) duplicando el área del ánodo (0.0157 m2) produjo una densidad de corriente de 248.14 mA m-2 y una densidad de potencia de 183.78 mW m-2, mientras que, a pH 8.23 (catolito), cátodo sin catalizador y área del ánodo vii 0.00785 m2 se obtuvo una densidad de potencia de 1.76 mW m-2. Las CCMs alimentadas con gasolina como MO, mostraron el menor desempeño 9.07 mW m-2; 15.84 mA m-2, 19.78 mW m-2; 37.82 mA m-2, 12.53 mW m-2; 30.12 mA m- 2 para las celdas CCM-15gG; -9gG; -3gG, respectivamente. El análisis químico elemental y morfológico de la FC, catalizador de MnO2 y Pt/C se realizó mediante Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión Campo (FESEM). La caracterización cristalográfica del catalizador MnO2 se realizó mediante Difracción de Rayos X (DRX). Se realizó la extracción de DNA de la biopelicula del ánodo y parte del sedimento, y secuenciación del gen rRNA para el análisis de la diversidad microbiana.

ABSTRACT A microbial fuel cell (MCC) or biocell is a bioelectrochemical system that generates renewable energy and simultaneously degrades pollutants rich in organic matter through the metabolic activity of anaerobic bacteria. Unfortunately, many oil spill accidents occur that cause great environmental impact, contaminating large areas of flora and fauna. CCMs have shown that they can produce useful energy while biodegrading oil-contaminated soils. Microbial fuel cell technology was studied to evaluate its performance in the increase in power density as a function of the conductivity of the catholyte with different concentrations of Na2SO4 (0.05, 0.2, 0.5 and 0.8 M), pH variation (8, 5 , 4 and 2) and use of a cathodic MnO2 catalyst deposited on carbon fiber (FC). Petroleum-contaminated sediments were used as organic matter (OM) and a natural source of bacteria. In this study, 11 MCCs with a single cylindrical chamber (d = 10 cm and h = 15 cm) were constructed with polyvinyl chloride (PVC). Carbon fiber (FC) as the anode and cathode with a diameter of 10 cm (projected surface area of 78.56 cm2) were used as electrode materials. A CCM was evaluated with the main MO called CCM-Control, other cells were added in addition to the main matter other MO derived from oil; kerosene and gasoline with different loads of matter (3, 9 and 15 g) called; CCM-3g Q, CCM-9g Q, CCM-15g Q, CCM-3g G, CCM-9g G, and CCM-15g G. Two types of OM that are easier to degrade were also used; natural chitin (shrimp shells) and commercial (Sigma) with two different loads (3 and 8g), called; CCM-3g CN, CCM-8g CN, CCM-3g CC and CCM-8g CC, respectively, with the aim of evaluating the ease of bacteria for the oxidation of matter and its effect on energy production based on the complex matter such as petroleum ix hydrocarbons to a simpler matter (shrimp shell residues; chitin), in addition to the impact on the concentration of the substrate. The synthesis of the MnO2 cathodic catalyst supported on FC was performed by direct redox reaction from a solution of potassium permanganate (KMnO4) 0.1 M. To evaluate the performance of the CCM, polarization curves were made varying the external resistance from 38 to 0.180 kΩ, the data was recorded every 20 seconds with a LabVIEW data acquisition software and a commercial microcontroller card (Arduino uno) connected to a PC. Subsequently, the power density curves (PD) were made. Linear scan voltammetry tests with a scan potential of 5 mVs-¹ were performed in order to observe the kinetics of the oxygen reduction reaction (RRO) using the MnO2 catalyst synthesized in this study and compared with a commercial platinum catalyst; Pt/ C E-TEK D). All tests were performed in duplicate. In the CCM-control a current density and a power density of 44.99 mA m-2 and 4.18 mW m-2 were obtained, respectively. The best results were obtained by working at acid pH of 2, at higher concentrations of the catholyte; 0.8 M and with MnO2 catalyst. The CCM-8g CN obtained higher energy with 179.21 mW m-2 and a current density of 351.93 mA m-2, 43 times higher than the Control Cell. Subsequently, under the best operating conditions, the CCM- 3g Q (fed with kerosene as MO) doubling the area of the anode (0.00157 m2) produced a current density of 248.14 mA m-2 and a power density of 183.78 mW m-2 while, at pH 8.23 (catholyte), cathode without catalyst and anode area 0.0078.56 m2, a power density of 1.76 mW m-2 was obtained. The CCMs fed with gasoline as MO, showed the lowest performance 9.07 mW m-2; 15.84 mA x m-2, 19.78 mW m-2; 37.82 mA m-2, 12.53 mW m-2; 30.12 mA m-2 for cells CCM- 15gG; -9gG; -3gG, respectively. DNA extraction from the anode biofilm and part of the sediment was performed, and rRNA gene sequencing for the analysis of microbial diversity. Elemental and morphological chemical analysis of the CF, MnO2 catalyst and Pt/C was performed using a Field Emission Scanning Electron microscopy (FESEM). The crystallographic characterization of the MnO2 catalyst was carried out by X-ray Diffraction (XRD).

Tipo de documento: Tesis de doctorado

Formato: Adobe PDF

Audiencia: Investigadores

Idioma: Español

Área de conocimiento: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Campo disciplinar: CIENCIAS TECNOLÓGICAS

Nivel de acceso: Acceso Abierto