Development and optimization of microbial fuel cells

Abstract

Η μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου (MΚΚ) είναι ένα ηλεκτροχημικό σύστημα σχεδιασμένο για την επεξεργασία λυμάτων, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η χημική ενέργεια που περιέχεται σε ένα οργανικό απόβλητο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ηλεκτροχημικά ενεργών μικροοργανισμών. Οι ΜΚΚ αποτελούνται από μια άνοδο όπου ο δότης ηλεκτρονίων (οργανικά λύματα) οξειδώνεται και μια κάθοδο όπου ένας δέκτης ηλεκτρονίων ανάγεται. Οι διατάξεις ΜΚΚ μπορούν να χωριστούν με βάση την παρουσία ενός θαλάμου καθόδου σε MFC διπλού θαλάμου και ενός θαλάμου. Σε αυτή την διατριβή, κατασκευάστηκαν και λειτουργήθηκαν ΜΚΚ ενός θαλάμου, τεσσάρων καθοδικών ηλεκτροδίων (αναγωγή οξυγόνου), χρησιμοποιώντας μια ποικιλία οικονομικά αποδοτικών υλικών. Αρχικά, διεξήχθησαν πειράματα χρησιμοποιώντας συνθετικό απόβλητο γλυκόζης, προκειμένου να συγκριθεί η απόδοση των διαφορετικών συνδυασμών υλικών. Η υψηλότερη πυκνότητα ισχύος που επιτεύχθηκε από μια ΜΚΚ ενός θαλάμου ήταν 14,2 W/m³, με κόκκους γραφίτη και μια ράβδο γραφίτη ως άνοδο και τέσσερα ηλεκτρόδια καθόδου (Plexiglas – Gore-Tex – MnO2). Αξιοσημείωτα αποτελέσματα λήφθηκαν από την ΜΚΚ που λειτούργησε με κεραμεικά ηλεκτρόδια καθόδου (Mullite – MnO2) και κόκκους γραφίτη με ράβδο γραφίτη ως άνοδο, με μέγιστη ισχύ 5,5 W/m³.Στη συνέχεια, οι κυψελίδες ενός θαλάμου που πέτυχαν την καλύτερη απόδοση όσον αφορά την πυκνότητα ρεύματος και την αποτελεσματική επεξεργασία των λυμάτων, λειτούργησαν με διαφορετικά υποστρώματα που προέρχονται από οικιακά απορρίμματα τροφίμων. Η επίδραση κάθε πρώτης ύλης στη λειτουργία των ΜΚΚ διερευνήθηκε, χρησιμοποιώντας εκχύλισμα FORBI (Βιομάζα υπολειμμάτων τροφίμων), συμπυκνωμένους ατμούς από αποξηραμένα οικιακά απορρίμματα τροφίμων (συμπύκνωμα), λύματα αντιδραστήρων αναερόβιας χώνευσης (εκροή) και ορό γάλακτος (που προέρχεται από διαδικασία σκοτεινής ζύμωσης). Οι ΜΚΚ ενός θαλάμου λειτούργησαν σε συνθήκες διαλείποντος έργου και συνεχούς λειτουργίας.Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν ΜΚΚ διπλού θαλάμου για τη διερεύνηση της ανάκτησης βαρέων μετάλλων. Σε αυτή την εργασία εξετάστηκε η ενσωμάτωση της τεχνολογίας ΜΚΚ στην ανάκτηση βαρέων μετάλλων από φωτοβολταϊκά πάνελ (PVP) τέλους κύκλου ζωής (EoL). Μετά από μια προτεινόμενη διαδικασία ανακύκλωσης EoL PVP, η οποία περιελάμβανε μηχανική, θερμική και χημική επεξεργασία των PVP, δημιουργήθηκε ένα χημικό εκχύλισμα που περιέχει τα βαρέα μέταλλα της ηλιακής κυψέλης PVP / λεπτού υμενίου. Αρχικά δοκιμάστηκαν συνθετικά διαλύματα καθόδου που περιείχαν άργυρο και ίνδιο. Στη συνέχεια, το χημικό εκχύλισμα που προέρχεται από 2ης γενιάς EoL PVP χρησιμοποιήθηκε στην κάθοδο MFC, για τη μελέτη της ανάκτησης μετάλλων. Η ανάκτηση αργύρου ήταν υψηλή στις περιπτώσεις που μελετήθηκαν (>93%), με εναποθέσεις αργύρου στο ηλεκτρόδιο της καθόδου και ιζήματα στον θάλαμο της καθόδου. Επιπροσθέτως, η μέγιστη πυκνότητα ισχύος που λήφθηκε ήταν 0,8 W/m³ που αντιστοιχεί σε ρυθμό αναγωγής αργύρου 2,65 g Ag/h/m². Η ανάκτηση του ινδίου έως και 96% επιτεύχθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων με συνθετικά λύματα με ινδίου, με μέγιστη πυκνότητα ισχύος 0,17 W/m³. Από την άλλη πλευρά, κατά την ανάκτηση ινδίου από το χημικό εκχύλισμα PVP EoL 2ης γενιάς, καταγράφηκε υψηλότερη ισχύς εξόδου (3,5 W/m³), με εναποθέσεις ινδίου (οξείδια) στο ηλεκτρόδιο της καθόδου, που αντιστοιχεί σε ανάκτηση 87%. Για να εξεταστεί περαιτέρω η απόδοση των ΜΚΚ αναπτύχθηκε ένα μοντέλο 2D που προσομοιώνει τη λειτουργία μιας MΚΚ διπλού θαλάμου. Η τεχνολογία ΜΚΚ διερευνήθηκε πειραματικά και υπολογιστικά προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση αυτού του ευεργετικού και φιλικού προς το περιβάλλον τρόπου επεξεργασίας των λυμάτων.

Key findings

• ▸MFCs with graphite beads and a graphite rod as anode and four cathodic electrodes (Plexiglas – Gore-Tex – MnO2) achieved the highest power density.
• ▸Ceramic cathodic electrodes (Mullite – MnO2) showed notable results in MFC operation.
• ▸The highest power density achieved was 14.2 W/m³.

Keywords

Identifiers

DOI

10.12681/eadd/54102

Journal

Unknown journal

Year

2023