Modelado e investigación experimental del efecto de la fuente de carbono en el rendimiento de una pila de combustible microbiana tubular.

Jun 27, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11070 (2023) Citar este artículo

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Las pilas de combustible microbianas (MFC) tienen dos propósitos principales: producción de energía limpia y tratamiento de aguas residuales. Este estudio examina el impacto de diferentes fuentes de carbono en el rendimiento de MFC y desarrolla un modelo matemático para replicar la curva de polarización. El reactor biológico empleó tres tipos de fuentes de carbono: glucosa como alimento simple, celulosa microcristalina (MCC) y una suspensión del componente orgánico de desechos sólidos municipales (SOMSW) como alimento complejo. Los MFC funcionaron en modo de circuito abierto y cerrado. Los voltajes máximos de circuito abierto alcanzados fueron 695 mV para glucosa, 550 mV para MCC y 520 mV para SOMSW como sustratos. También se investigó la influencia del sustrato en el modo de circuito cerrado, lo que dio como resultado densidades de potencia máximas de 172 mW/m2, 55,5 mW/m2 y 47,9 mW/m2 para glucosa, MCC y SOMSW como sustratos, respectivamente. En la segunda sección, se desarrolló un modelo matemático para representar la curva de polarización considerando las pérdidas de voltaje, es decir, pérdida de activación, óhmica y de concentración, con un error relativo promedio (ARE) de menos del 10%. Los modelos matemáticos demostraron que la pérdida de voltaje por activación aumentó con la complejidad del sustrato y alcanzó su valor máximo cuando se utilizó SOMSW como sustrato.

En las últimas décadas, la demanda mundial de energía ha experimentado un aumento sustancial, impulsado principalmente por el crecimiento demográfico y los avances industriales. Actualmente, la mayoría de las necesidades energéticas se satisfacen dependiendo en gran medida de recursos finitos de combustibles fósiles como el gas, el petróleo y el carbón. A medida que el consumo de energía continúa aumentando, ha habido una competencia cada vez mayor entre los científicos para descubrir una alternativa energética renovable, respetuosa con el medio ambiente y confiable. Es imperativo abordar estas preocupaciones, ya que las fuentes de combustibles fósiles no sólo son finitas sino también ambientalmente insostenibles. Además de los desafíos relacionados con la energía, las crecientes aprensiones respecto de la emisión de gases de efecto invernadero, particularmente CO2, han generado un mayor escrutinio1. Por lo tanto, se han dirigido amplios esfuerzos de investigación a la exploración de combustibles alternativos, como la energía nuclear y renovable, para mitigar la dependencia mundial de los combustibles fósiles. El énfasis está en identificar opciones energéticas respetuosas con el medio ambiente que dependan de fuentes renovables2,3,4. Si bien se ha considerado la energía nuclear como una alternativa, su disponibilidad de recursos es limitada y la eliminación eficaz de residuos sigue siendo un desafío importante5. Como resultado, las fuentes de energía renovables que ofrecen una descarga de residuos mínima o nula han atraído una atención significativa dentro de la comunidad científica.

Las pilas de combustible microbianas (MFC) son un tipo distinto de pila de combustible que emplea microorganismos como biocatalizadores, convirtiendo la materia orgánica en electricidad al facilitar la transferencia de electrones y protones. A diferencia de las pilas de combustible convencionales que dependen de costosos catalizadores, las MFC utilizan microorganismos dentro de la cámara del ánodo. Los electrones generados por estos microorganismos llegan al electrodo del ánodo, ya sea a través de un mediador o mediante transformación directa mediante nanocables o biopelículas, antes de ser transferidos a la superficie del cátodo a través de un circuito externo. En el caso de los MFC de cámara única sin membrana (SCMFC), los protones atraviesan el anolito para llegar al electrodo catódico. En el cátodo, las moléculas de oxígeno se reducen, lo que da como resultado la producción de agua1. Sin embargo, a pesar de los beneficios potenciales de los MFC, varios desafíos críticos impiden su aplicación generalizada en escenarios del mundo real. Estos desafíos incluyen la eficiencia de la generación de electricidad, los costos de materiales asociados con electrodos y separadores, la necesidad de simplicidad y viabilidad en el diseño y operación, así como los costos de mantenimiento y la viabilidad general. Para superar estas barreras, la adopción de MFC se ha considerado una alternativa prometedora a la producción de energía tradicional basada en combustibles fósiles. En consecuencia, durante las últimas dos décadas se han dedicado esfuerzos sustanciales para abordar uno o más de estos desafíos y mejorar la aplicabilidad práctica de los MFC. Se han estudiado diferentes condiciones de funcionamiento6,7,8 y materiales de ánodo y cátodo separados9,10, ánodo o electrodo catódico modificado11, proceso de flujo (discontinuo y continuo)2 y tipo microbiano12,13,14,15,16 para lograr una alta producción de energía. en los MFC. Se utilizaron material de electrodo de ánodo de bajo costo (por ejemplo, malla de acero inoxidable17), el separador (por ejemplo, tela de lona18) y biocátodo (electrodo catódico sin catalizador metálico19) para disminuir el costo inicial en los MFC. Se estudiaron diferentes estructuras de MFC20,21 para diseñar MFC con estructuras simples y de fácil mantenimiento. Hasta ahora, se han utilizado dos tipos de MFC tubulares, el flujo ascendente (vertical)22 y el horizontal20. Los MFC tubulares se pueden utilizar en aplicaciones reales de producción de electricidad y tratamiento de aguas residuales para facilitar el mantenimiento y las características estructurales (por ejemplo, sin callejones sin salida en modo continuo). Incluso en el caso de los tipos tubulares, el coste de producción de electricidad sigue siendo elevado e injustificable, lo que hasta ahora ha limitado su aplicación.

Estudiar el efecto del tipo de alimento (desde alimentos simples hasta complejos) sobre la eficiencia del MFC puede llevar a identificar un diseño adecuado para eliminar los desafíos duraderos de esta tecnología y ayudar a su comercialización. La pérdida de alto voltaje en comparación con los tipos comerciales es una de las debilidades más críticas de los MFC. Los modelos matemáticos pueden identificar las principales fuentes de pérdida de voltaje. En la literatura no se ha prestado suficiente atención a los cambios estructurales en la alimentación y al modelado simultáneo de resultados.

Este estudio de investigación tiene como objetivo investigar de manera integral la influencia del sustrato en el rendimiento de las celdas de combustible microbianas de cámara única tubulares (SCMFC, por sus siglas en inglés) tubulares sin mediadores y membranas. El estudio utiliza dos tipos diferentes de fuentes de carbono, a saber, fuentes sintéticas (glucosa y celulosa microcristalina) y una alimentación industrial que consiste en una suspensión derivada de la fracción orgánica de residuos sólidos municipales (SOMSW), para evaluar el efecto del sustrato en el rendimiento de MFC. La evaluación del rendimiento abarca varios aspectos, incluidos parámetros eléctricos como el voltaje de circuito abierto (OCV) y la densidad de potencia en modo de circuito cerrado, así como diferentes condiciones biológicas como los niveles de pH y las concentraciones de ácidos grasos volátiles (AGV). Luego, los resultados obtenidos se comparan con la literatura existente para proporcionar un análisis completo. Además, se emplea un modelo matemático para calcular las pérdidas de voltaje dentro del sistema, lo que arroja luz sobre los mecanismos subyacentes que afectan el rendimiento de las SCMFC tubulares sin mediador y de membrana.

El SCMFC tubular sin membrana se construyó con un tubo de plexiglás (diámetro interior: 6 cm, diámetro exterior: 8 cm y longitud: 17 cm) y un volumen de 485 ml23,24. El electrodo de ánodo se fabricó con una malla de acero inoxidable de 24 × 6 cm. El recubrimiento de grafito se realizó pulverizando pintura de grafito sobre la superficie de la malla de acero inoxidable17. Se utilizó ropa de carbono (E-TEK, EE. UU., 64 cm2) como electrodo catódico y se modificó su superficie para lograr aproximadamente 25,26 0,5 mg-Pt/cm2 y 30 wt. % Carga Nación. El electrodo anódico se fija sobre una placa de plexiglás y se encuentra en el centro del compartimento anódico. El electrodo catódico se colocó sobre una placa porosa protectora y se ubicó a ambos lados del electrodo anódico en la pared del tubo, como se muestra en la Fig. 1. Los electrodos anódico y catódico se conectaron eléctricamente mediante un cable de cobre.

Sección transversal de la cámara del ánodo, 1: electrodo de ánodo, 2: placa porosa protectora, 3: electrodo de cátodo.

En el verano, se recogieron residuos sólidos municipales (RSU) del vertedero de Isfahán (32,71, 51,69, Isfahán, Irán). Se separaron metales y materiales inorgánicos de los RSU. Luego, se secó la fracción orgánica de RSU (OMSW). Después de eso, el OMSW se molió y tamizó hasta obtener un tamaño de partícula de entre 833 y 177 µm.

Los OMSW estuvieron compuestos principalmente por almidón 56,0 ± 0,6%, lípidos 6,0 ± 0,1%, proteínas 8,1 ± 0,4%, pectina 9,2 ± 0,8% y lignocelulosas 20,7 ± 0,5%. La solución de OMSW y celulosa microcristalina (MCC) se agitó y se calentó a 80–90 °C durante aproximadamente una hora en una placa caliente (MS300HS-Misung Scientific) para obtener una suspensión adecuada, luego se enfrió y se usó como sustrato. Como fuente de microorganismos se utilizaron rectores de tratamiento anaeróbico de la planta de tratamiento de aguas residuales de Isfahan con sólidos totales (TS) de 4,53 ± 0,13 % y sólidos volátiles totales (TVS) de 2,18 ± 0,12 %. Los SCMFC se llenaron con una mezcla de microorganismos y solución de aguas residuales sintéticas (fuente de carbono 1 g/L, KCl 0,13 g/L, Na2HPO4 4,1 g/L, NaH2PO4 2,55 g/L, NH4Cl 0,31 g/L solución mineral 12 mL/L y solución vitamínica 5 mL/L) con una proporción de 2:8. Cuando el voltaje de salida descendió a valores de aproximadamente la mitad del último voltaje máximo, el anolito se reemplazó con un sustrato nuevo [solución de glucosa (1 g/L), MCC y SOMSW (2,5 g/L)]. El pH y la temperatura de los alimentos se establecieron en 8,5 ± 0,1 y 23 ± 2 °C, respectivamente.

El pH del anolito se midió con un medidor de pH (SL 901, SANA, Irán) basado en el método estándar APHA 4500. La concentración de glucosa se analizó mediante el método de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) con un detector de índice de refracción (RI) (Jasco International Co., Tokio, Japón) complementado con una columna de intercambio iónico (Aminex HPX-87H, Bio-Rad, Richmond, California, EE.UU.). La glucosa se analizó mediante una columna de intercambio iónico (Aminex HPX-87P, Bio-Rad, Richmond, CA, EE. UU.) con 0,6 ml/min de agua desionizada como eluyente a 80 °C.

La morfología de la biopelícula formada en el electrodo de ánodo se investigó mediante un microscopio electrónico de barrido (Philips, XL30 SEM). El voltaje se midió usando un multímetro y se registró en una tarjeta de memoria mediante una placa convertidora de analógico a digital (ADC) cada 10 minutos. Se utilizó una serie de resistencias externas de 100 kΩ a 10 Ω para producir una curva de polarización. La resistencia externa se cambió cuando el voltaje de salida alcanzó su valor estable (aproximadamente 6 h en cada resistencia externa).

La densidad de corriente Id (mA/m2) se calculó mediante la ley de Ohm (Id = V/(Rex*Acat)). V (mV), Rext, (Ω) y ACat (m2) son el voltaje, la resistencia externa y el área de superficie del electrodo catódico, respectivamente. La densidad de potencia, Pd (mW/m2), se calculó mediante la ecuación. (1).

La eficiencia coulómbica (CE) se calculó utilizando la siguiente ecuación:

donde I (mA) es la corriente, F es la constante de Faraday (96.500 C/mol), M es el peso molecular (glucosa 180,16 g/mol y oxígeno 32 g/mol), b es el número de electrones intercambiados por mol (glucosa y oxígeno 24 y 4 e−, respectivamente), VAn (L) es el volumen de anolito, ∆C/(g/L) es el cambio general en la concentración durante la duración del análisis y tb es el tiempo de análisis.

Las principales reacciones anódicas y catódicas ocurrieron en una pila de combustible microbiana.

La reacción anódica con polímeros (moléculas grandes (MCC y SOMSW)) difiere de la glucosa como alimento. Las moléculas grandes deben descomponerse (proteínas y polisacáridos) en moléculas simples (ácidos grasos volátiles)27 y, después de eso, los sustratos simples se convierten en electricidad.

En el primer ciclo (duración del arranque), tres SCMFC se operaron en modo de circuito abierto (OCM). Al inicio del proceso, en SCMFC con glucosa como sustrato, se observaron tres pasos ascendentes para OCV. En el primer paso, OCV aumentó rápidamente de 294 a 507 mV durante 20 min (tasa de aumento = 0,639 V/h), luego la tasa de aumento disminuyó a 12,65 mV/h (de 507 a 642 mV), y en el último paso , OCV aumentó a 695 mV durante 16,5 h. La tendencia creciente de OCV continuó hasta que se logró un factor limitante (la capacidad máxima de los microorganismos, la disminución del pH o la temperatura). Después de eso, se inició la fase estacionaria y el valor de OCV fluctuó entre 536 y 665 mV. La misma tendencia del OCV con la temperatura se observó en la fase estacionaria; El OCV disminuyó (de 693 a 536 mV) al disminuir la temperatura (de 23 a 20,5 °C). Además, un aumento de la temperatura a 23,5 °C aumentó el OCV a 664 mV. Se alcanzó un valor máximo de OCV de 693 mV en MFC con glucosa (MFC-G) como sustrato. La misma tendencia se observó en tres SCMFC en modo OCM. Se obtuvieron valores máximos de OCV de 550 y 520 mV para los sistemas MFC-MCC y MFC-SOMSW.

Se utilizó una resistencia externa de 100 Ω como consumidor de electricidad en modo de circuito cerrado (CCM). La densidad de potencia producida en los MFC se presenta en la Fig. 2. En consecuencia, la fase ascendente en CCM tuvo tres regiones cuando se utilizó glucosa como fuente de carbono. Sin embargo, la fase creciente tuvo diferentes tendencias de voltaje en OCM y CCM. En la primera región, la densidad de corriente aumentó de 131 a 317 mA/m2 durante 25 h, luego permaneció casi constante con una pequeña variación entre 317 y 293 mA/m2 durante 48 h. Finalmente, la densidad de corriente alcanzó 517 mA/m2 (densidad de potencia 171 mW/m2) durante 15 h. Se han definido dos mecanismos (que parecen ser responsables de los tres pasos mencionados) para convertir la glucosa en electricidad por parte de microorganismos, directos e indirectos (glucosa convertida en productos intermedios como AGV y producto intermedio convertido en electricidad). Una parte del sustrato se convierte directamente en electricidad cambiando la fuente de alimentación; en consecuencia, la densidad de corriente aumenta (primer paso). Otra parte del sustrato se convirtió en productos intermedios. Luego se produjo electricidad utilizando una porción de los productos intermedios como sustrato (el último paso de la fase ascendente). Se encontró que la respuesta del MFC a la inyección de alimento depende de la complejidad del alimento. El reemplazo de la alimentación provocó un retraso en el refuerzo del voltaje de salida (como retroalimentación para la inyección de alimentación) en los casos MFC-MCC y MFC-SOMSW. Este retraso puede atribuirse a la etapa de conversión de moléculas grandes (polímeros) en productos medianos. Posteriormente, estos productos intermedios son consumidos por bacterias electrogénicas y convertidos en electricidad. El tamaño de los polímeros en SOMSW fue mayor que el de MCC. Un mayor peso molecular requirió más tiempo para descomponer los polímeros en SOMSW y, en consecuencia, se esperaba un mayor tiempo de retraso para MFC-SOMSW en comparación con MFC-MCC. Los principales resultados se muestran en la Tabla 1.

Densidad de corriente producida en MFC con una resistencia externa de 100 Ω.

En el análisis diario se observó una disminución en el pH del anolito de 8,5 a 6,5, 7,4 y 7,5 en MFC con glucosa, MCC y SOMSW, respectivamente, en la cámara del ánodo. En la cámara anódica, el dióxido de carbono producido se disolvió en el anolito y luego se convirtió en ácido carbónico. Las variaciones de pH pueden atribuirse a los AGV y la producción de ácido carbónico en el anolito. Algunos microorganismos consumen glucosa y producen AGV y otros intermediarios (paso de acidogénesis), mientras que otros utilizan AGV en su metabolismo para generar electricidad o metano. Al inicio del ciclo (alta concentración de sustrato), la tasa de producción de AGV fue mayor que la tasa de consumo, lo que resultó en la acumulación (producción neta positiva) de AGV. Sin embargo, la concentración de los alimentos disminuyó gradualmente, lo que llevó a valores negativos para la producción neta de AGV. La eliminación y las eficiencias coulómbicas (CE) de glucosa (calculadas mediante la ecuación 2) fueron 97 ± 1 y 18 ± 0,1%, respectivamente. Además, se obtuvo una remoción de DQO del 74% (después de diez días) y CE del 8,43% en MFC con SOMSW. Los resultados (eliminación de DQO, densidad de potencia máxima y CE) mostraron que el tratamiento de residuos mediante MFC y la producción directa de electricidad podría considerarse un proceso alternativo a los métodos típicos.

Las curvas de polarización producidas por la evolución del OCV y el voltaje a través de resistencias externas se muestran en la Fig. 3. Según la Fig. 3, la curva de polarización indicó tres regiones: activación, óhmica y pérdida de concentración28. La primera región de la curva de polarización es la pérdida de activación. En esta región se observó una fuerte disminución del voltaje. La energía de activación correspondiente a las reacciones del cátodo y del ánodo provocó la pérdida de activación. En la segunda parte de la curva de polarización, el voltaje disminuyó casi linealmente al aumentar la corriente. La última región de la curva de polarización es la pérdida de concentración. La pendiente de la parte óhmica en la curva de polarización y la resistencia externa óptima se utilizaron para calcular la resistencia interna, como se muestra en la Tabla 1. Según la Tabla 1, las resistencias internas en MFC-G, MFC-MCC y MFC-SOMSW fueron 130, 280 y 332 Ω, respectivamente, lo que indica que la resistencia interna aumentó al aumentar la complejidad del sustrato. La mayor resistencia interna se observó utilizando MFC-SOMSW, lo que puede deberse a la complejidad de SOMSW en comparación con otros sustratos.

Curva de polarización de SCMFC (tensión: eje izquierdo y densidad de potencia: eje derecho).

Como se mencionó anteriormente, según la Ec. (3)28,29,30, el voltaje real en los FC se perdió con tres sobretensiones en relación con el OCV de la siguiente manera:

En la ecuación. (3) ηact, ηohmic y ηconc se refieren a la activación de la reacción del ánodo y el cátodo (Tafel Eq.), óhmica (pérdida debido a resistencia interna como la resistencia del anolito, la distancia entre electrodos, etc.) y pérdida de voltaje de concentración, definida por segundo, tercer , y cuarto término en el lado derecho de la ecuación. (4), respectivamente. En la ecuación. (4), S (m2), a (V), i0 (mA/m2), il (mA/m2) y Rohmic (kΩ) son área de superficie, pendiente de Tafel, densidad de corriente de intercambio, corriente máxima alcanzable y resistencia óhmica. resistencia, respectivamente. La ecuación (4) ayudó a modelar la curva de polarización. Se ajustaron cinco parámetros de ajuste, incluidos a, i0, Rohmic, C e il, sobre los datos experimentales (producidos en MFC con diferentes sustratos), lo que resultó en errores relativos inferiores al 10% y R2 superiores a 0,98. Los resultados del modelado se muestran en la Tabla 2.

Los resultados del modelado de MFC con glucosa como sustrato y la porción de cada pérdida en la caída de voltaje se presentaron en la Fig. 4, y se observó una buena concordancia entre los datos calculados y experimentales. El porcentaje de pérdida de activación en la caída de voltaje general en MFC-G, MFC-MCC y MFC-SOMSW fue de 9,7, 56,6 y 78%, respectivamente. Por lo tanto, se puede concluir que la porción de la pérdida de activación aumentó al aumentar la complejidad del sustrato. Por lo tanto, en aplicaciones reales de MFC en el tratamiento de residuos industriales, la fuente de la pérdida de activación (cinética de reacción electroquímica) debe determinarse y mantenerse bajo control. La densidad de corriente de intercambio para cualquiera de los procesos naturales debe ser alta, lo que significa que una mayor densidad de corriente de intercambio conduce a una menor caída de voltaje29. Según los resultados del modelado, el valor estimado de la secuencia de densidad de corriente de intercambio fue MFC-G > MFC-MCC > MFC-SOMSW. Por lo tanto, una mayor pérdida de activación en MFC-SOMSW puede deberse a la menor densidad de corriente de intercambio.

Voltaje calculado (línea continua) y experimental (círculos abiertos).

Se investigaron las morfologías de la biopelícula formada en el electrodo de ánodo mediante gráficos SEM.

En la Fig. 5 se muestran los gráficos SEM de la malla de acero inoxidable, el grafito recubierto sobre la malla de acero inoxidable y el electrodo de ánodo después de la formación de la biopelícula. En consecuencia, el área de superficie del electrodo de ánodo aumentó al formar la biopelícula. Considerando la Fig. 5c, d, la apariencia de los huecos en la capa de biopelícula es obvia. Se descubrió que estos vacíos podrían ser útiles de dos maneras: (1) refuerzo de la transferencia de masa del anolito a granel a la biopelícula (mediante la formación de canales de agua que ayudan a la transferencia de sustrato a las capas inferiores de la biopelícula), (2) transferencia de productos, especialmente de protones a anolito.

Gráficos SEM. (a) Malla de acero inoxidable, (b) grafito recubierto sobre malla de acero inoxidable, (c) electrodo de ánodo después de la formación de biopelícula con aumento de 1000, (d) electrodo de ánodo después de la formación de biopelícula con aumento de 4000.

Los resultados del estudio actual y la literatura (modo por lotes, sustrato similar y forma celular similar (tubular)) se comparan en la Tabla 3. La glucosa se ha utilizado como sustrato en muchos estudios. Sin embargo, la mayor parte de estos estudios se centró en materiales o modificación de electrodos31. Según la Tabla 3, en el mismo orden de volumen de la cámara de ánodo, la CE de MFC-G en el presente estudio aumentó más de tres veces y la densidad de potencia aumentó un 50% en comparación con el valor promedio de CE32 y densidad de potencia2 en la literatura. El costo de la membrana fue aproximadamente el 30% del costo inicial de los MFC, mientras que la técnica de mezcla (mezcla con el agitador magnético o recirculación) o el mediador en los MFC en modo discontinuo implicó una parte significativa del costo operativo. A pesar de la disminución significativa en el costo total (costo inicial y costo operativo), el desempeño adecuado del MFC tubular se debió principalmente a una adecuada superficie de contacto entre el electrodo anódico y los microorganismos sedimentados.

En general, la caída del rendimiento eléctrico (corriente y densidad de potencia) es un inconveniente importante en la ampliación de los MFC. Además, los cambios estructurales, como una mayor separación entre los electrodos (mayor resistencia interna) en la fabricación a gran escala, son un obstáculo importante. Además, el tratamiento de residuos debe realizarse a gran escala (más de 1000 m3/día o tonelada/día), lo que requiere un diseño a gran escala de los MFC. La comparación de los resultados de la investigación actual y el MFC tubular a pequeña escala presentado en la literatura reveló una ampliación exitosa. Además, la densidad de potencia producida fue aproximadamente igual a la densidad de potencia mejor informada en MFC tubular con membrana35. Además, en el caso de MFC-SOMSW (el MFC más grande de la literatura), produjo un aumento de energía superior al 50%37.

La investigación realizada investigó exhaustivamente el rendimiento eléctrico y biológico de las pilas de combustible microbianas (MFC) que utilizan diferentes sustratos. En particular, el MFC-G mostró un rendimiento eléctrico superior en comparación con los otros MFC estudiados. La densidad de potencia máxima alcanzada en MFC-G fue de 171 mW/m2, aproximadamente tres veces mayor que la de MFC-MCC y MFC-SOMSW. Estos resultados eléctricos indican que los MFC pueden servir como alternativas viables a los procesos convencionales de tratamiento de residuos, incluso cuando operan con sustratos complejos como los polímeros naturales que se encuentran en la suspensión de la porción orgánica de los residuos sólidos municipales. Además, el análisis de modelado reveló que la creciente complejidad del sustrato conducía a un aumento en la pérdida de activación. Los resultados del modelado indicaron que la proporción de pérdida de activación con respecto a la pérdida total en MFC-G, MFC-MCC y MFC-SOMSW fue del 8,9%, 49% y 52,2%, respectivamente. Esto implica que casi la mitad de la pérdida total en los MFC que operan con alimentaciones complejas puede atribuirse a la pérdida de activación. Estos hallazgos proporcionan información valiosa sobre el rendimiento y la optimización de los MFC cuando se utilizan diferentes sustratos. Contribuyen a la comprensión de los factores que influyen en las pérdidas de activación en los MFC, lo que puede ayudar en el desarrollo de estrategias para mejorar la eficiencia y el rendimiento generales en el futuro.

Los datos están disponibles con el permiso de [Milad Kadivarian]. Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente, [Milad Kadivarian], previa solicitud razonable.

Logan, BE pilas de combustible microbianas 1–11 (Wiley, 2007).

Reservar Google Académico

Rahimnejad, M., Ghoreyshi, AA, Najafpour, G. y Jafary, T. Generación de energía a partir de sustrato orgánico en operaciones de celdas de combustible microbianas de flujo continuo y por lotes. Aplica. Energía 88, 3999–4004. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.04.017 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Bay, MS, Eslami, F. & Karimi, K. La relación entre las características estructurales de los materiales lignocelulósicos y el rendimiento de la producción de etanol. Diseños 6, 119 (2022).

Artículo de Google Scholar

Bay, MS, Karimi, K. & Mirmohamadsadeghi, S. Mejora de los impactos ambientales y socioeconómicos de la producción de etanol a partir de paja de arroz. Conversión de biomasa. Biorrefinería 11, 1909-1920. https://doi.org/10.1007/s13399-019-00573-4 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Lewis, NS y Nocera, DG Impulsando el planeta: desafíos químicos en la utilización de la energía solar. Proc. Nacional. Acad. Ciencia. 103, 15729 (2006).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Behera, M., Murthy, SSR y Ghangrekar, MM Efecto de la temperatura de funcionamiento en el rendimiento de la pila de combustible microbiana. Ciencia del agua. Tecnología. 64, 917–922. https://doi.org/10.2166/wst.2011.704 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhang, P. y col. Acelerar la puesta en marcha de pilas de combustible microbianas mediante una fácil aclimatación microbiana. Biorrecurso. Tecnología. Rep. 8, 100347. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2019.100347 (2019).

Artículo de Google Scholar

Gajda, I., Greenman, J., Melhuish, C. & Ieropoulos, IA Producción de electricidad y desinfectantes a partir de aguas residuales: pila de combustible microbiana como electrolizador autoalimentado. Ciencia. Rep. 6, 25571. https://doi.org/10.1038/srep25571 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Santoro, C. et al. Alta actividad catalítica y resistividad a contaminantes utilizando un catalizador catódico de Fe-AAPyr para aplicaciones de pilas de combustible microbianas. Ciencia. Rep. 5, 16596. https://doi.org/10.1038/srep16596 (2015).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Khan, ME, Khan, MM, Min, B.-K. & Cho, MH La banda prohibida asistida por pilas de combustible microbianas redujo el TiO2 para actividades fotocatalíticas inducidas por luz visible y generación de energía. Ciencia. Rep. 8, 1723. https://doi.org/10.1038/s41598-018-19617-2 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, G. y col. Nanopartículas de núcleo-cubierta de Au-Pd como catalizadores catódicos para aplicaciones de pilas de combustible microbianas. Ciencia. Rep. 6, 35252. https://doi.org/10.1038/srep35252 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Guo, H. y col. La eliminación de aceite y las características de los cambios en la composición de bacterias basadas en el sistema bioelectroquímico de lodos oleosos. Ciencia. Rep. 10, 15474. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72405-9 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kao, H.-J., Balasubramaniam, A., Chen, C.-C. y Huang, C.-M. Los electrones extracelulares transferidos del probiótico de miel Bacillus circulans inhiben el acné vulgar inflamatorio. Ciencia. Rep. 12, 19217. https://doi.org/10.1038/s41598-022-23848-9 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Luo, S., Guo, WH, Nealson, K., Feng, X. & He, Z. Análisis de la vía 13C para el papel del formato en la generación de electricidad mediante Shewanella oneidensis MR-1 utilizando lactato en pilas de combustible microbianas. Ciencia. Rep. 6, 20941. https://doi.org/10.1038/srep20941 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nath, D. & Ghangrekar, MM Los metabolitos secundarios de las plantas indujeron el flujo de electrones en una pila de combustible microbiana: investigación desde la escala de laboratorio a campo. Ciencia. Rep. 10, 17185. https://doi.org/10.1038/s41598-020-74092-y (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shrestha, N. y col. Electricidad a partir de sustratos lignocelulósicos por especies termófilas de Geobacillus. Ciencia. Rep. 10, 17047. https://doi.org/10.1038/s41598-020-72866-y (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mahdi Mardanpour, M., Nasr Esfahany, M., Behzad, T. y Sedaqatvand, R. Celda de combustible microbiana de cámara única con ánodo en espiral para el tratamiento de aguas residuales lácteas. Biosens. Bioelectrón. 38, 264–269. https://doi.org/10.1016/j.bios.2012.05.046 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Zhuang, L., Zhou, S., Wang, Y., Liu, C. y Geng, S. Conjunto de cátodo de tela sin membrana (CCA) para pilas de combustible microbianas escalables. Biosens. Bioelectrón. 24, 3652–3656. https://doi.org/10.1016/j.bios.2009.05.032 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Roustazadeh Sheikhyousefi, P. et al. Investigación de diferentes configuraciones de pilas de combustible microbianas para el tratamiento de agua producida en yacimientos petrolíferos. Aplica. Energía 192, 457–465. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.10.057 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Kim, JR, Premier, GC, Hawkes, FR, Dinsdale, RM y Guwy, AJ Desarrollo de una pila de combustible microbiana tubular (MFC) que emplea un cátodo de conjunto de electrodo de membrana. J. Fuentes de energía 187, 393–399. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.11.020 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Santoro, C. et al. Pila de pilas de combustible microbianas de cerámica: generación de energía en modo estándar y supercapacitivo. Ciencia. Rep. 8, 3281. https://doi.org/10.1038/s41598-018-21404-y (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Usted, S. et al. Una celda de combustible microbiana de cátodo de aire tubular sin membrana de gránulos de grafito para generación de energía en condiciones operativas continuas. J. Fuentes de energía 173, 172-177. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.07.063 (2007).

Artículo CAS Google Scholar

Kadivarian, M., Dadkhah, AA y Esfahany, MN Efecto de la estructura celular y el pretratamiento térmico de los microorganismos sobre el rendimiento de una pila de combustible microbiana. Ciencia del agua. Tecnología. https://doi.org/10.2166/wst.2019.174 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Kadivarian, M., Dadkhah, AA y Nasr Esfahany, M. Tratamiento de aguas residuales oleosas mediante una celda de combustible microbiana de flujo continuo y paquetes de celdas con conexiones de flujo en serie y paralelo. Bioelectroquímica 134, 107535. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2020.107535 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Cheng, S., Liu, H. & Logan, BE Densidades de potencia utilizando diferentes catalizadores catódicos (Pt y CoTMPP) y aglutinantes poliméricos (Nafion y PTFE) en pilas de combustible microbianas de cámara única. Reinar. Ciencia. Tecnología. 40, 364–369. https://doi.org/10.1021/es0512071 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Cheng, S., Liu, H. y Logan, BE Aumento del rendimiento de las pilas de combustible microbianas de una sola cámara utilizando una estructura catódica mejorada. Electroquímica. Comunitario. 8, 489–494. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2006.01.010 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, C., Su, H., Baeyens, J. y Tan, T. Revisión de la digestión anaeróbica de residuos de alimentos para la producción de biogás. Renovar. Sostener. Energía Rev. 38, 383–392. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.05.038 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Wen, Q., Wu, Y., Cao, D., Zhao, L. y Sun, Q. Generación de electricidad y modelado de pilas de combustible microbianas a partir de aguas residuales continuas de cervecerías. Biorrecurso. Tecnología. 100, 4171–4175. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.02.058 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kadivarian, M. & Karamzadeh, M. Modelado electroquímico del rendimiento de las pilas de combustible microbianas en diferentes condiciones estructurales y operativas. Biosistema de bioprocesos. Ing. https://doi.org/10.1007/s00449-019-02235-1 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Radeef, AY & Ismail, ZZ Modelo de polarización de celda de combustible microbiana para el tratamiento de aguas residuales reales del procesamiento de papas fritas asociadas con la generación de energía. J. Electroanal. Química. 836, 176–181. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.02.001 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Hindatu, Y., Annuar, MSM y Gumel, AM Mini-revisión: Modificación del ánodo para mejorar el rendimiento de la pila de combustible microbiana. Renovar. Sostener. Energía Rev. 73, 236–248. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.138 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Vamshi Krishna, K. y Venkata Mohan, S. Enriquecimiento selectivo de bacterias electrogénicas para aplicaciones de pilas de combustible: enumeración de la dinámica microbiana utilizando la plataforma MiSeq. Biorrecurso. Tecnología. 213, 146-154. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.03.117 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Mateo, S., Cañizares, P., Rodrigo, MA & Fernandez-Morales, FJ Fuerza impulsora del rendimiento electroquímico de pilas de combustible microbianas alimentadas con diferentes sustratos. Quimiosfera 207, 313–319. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.05.100 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Thygesen, A., Poulsen, FW, Min, B., Angelidaki, I. y Thomsen, AB El efecto de diferentes sustratos y ácidos húmicos en la generación de energía en el funcionamiento de pilas de combustible microbianas. Biorrecurso. Tecnología. 100, 1186-1191. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.07.067 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Rismani-Yazdi, H. et al. Efecto de la resistencia externa sobre la diversidad bacteriana y el metabolismo en pilas de combustible microbianas alimentadas con celulosa. Biorrecurso. Tecnología. 102, 278–283. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.05.012 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Rismani-Yazdi, H. et al. Supresión de la metanogénesis en pilas de combustible microbianas alimentadas con celulosa en relación con el rendimiento, la formación de metabolitos y la población microbiana. Biorrecurso. Tecnología. 129, 281–288. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.10.137 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

El-Chakhtoura, J. et al. Generación de electricidad y estructura de la comunidad microbiana de pilas de combustible microbianas de cátodo de aire alimentadas con la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos e inoculadas con diferentes semillas. Biomasa Bioenergía 67, 24–31. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2014.04.020 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Karluvalı, A., Köroğlu, EO, Manav, N., Çetinkaya, AY y Özkaya, B. Generación de electricidad a partir de fracción orgánica de desechos sólidos municipales en celdas de combustible microbianas tubulares. Sep. Purif. Tecnología. 156, 502–511. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.10.042 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Koók, L., Rózsenberszki, T., Nemestóthy, N., Bélafi-Bakó, K. & Bakonyi, P. Tratamiento bioelectroquímico de licor residual municipal en pilas de combustible microbianas para la valorización energética. J. Limpio. Pinchar. 112, págs. 4406–4412. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.06.116 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán, Teherán, Irán

Masoud Karamzadeh

Departamento de Ingeniería Química, Universidad Tecnológica de Isfahan, Isfahan, 84156-83111, Irán

Milad Kadivarian y Peyman Mahmoodi

Departamento de Ingeniería Química, Universidad Tecnológica de Babol Noshirvani, Babol, Irán

Seyedeh Sajedeh Asefi y Amirhossein Taghipour

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Correspondencia con Milad Kadivarian.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Karamzadeh, M., Kadivarian, M., Mahmoodi, P. et al. Modelado e investigación experimental del efecto de la fuente de carbono en el rendimiento de una pila de combustible microbiana tubular. Representante científico 13, 11070 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38215-5

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Recibido: 24 de diciembre de 2022

Aceptado: 05 de julio de 2023

Publicado: 08 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38215-5

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