Celda de electrólisis microbiana

Una celda de electrólisis microbiana ( MEC ) es una tecnología relacionada con las celdas de combustible microbianas (MFC). Mientras que las MFC producen una corriente eléctrica a partir de la descomposición microbiana de compuestos orgánicos, las MEC invierten parcialmente el proceso para generar hidrógeno o metano a partir de materia orgánica mediante la aplicación de una corriente eléctrica. ^{[ 1 ]} Idealmente, la corriente eléctrica se produciría a partir de una fuente de energía renovable. El hidrógeno o metano producido puede utilizarse para generar electricidad mediante una celda de combustible PEM adicional o un motor de combustión interna.

Los sistemas MEC se basan en una serie de componentes:

Los microorganismos se adhieren al ánodo. La identidad de los microorganismos determina los productos y la eficiencia de la celda electroquímica microbiana (MEC).

Materiales : El material del ánodo en una MEC puede ser el mismo que en una MFC, como tela de carbono, papel de carbono, fieltro de grafito, gránulos de grafito o cepillos de grafito. El platino se puede usar como catalizador para reducir el sobrepotencial necesario para la producción de hidrógeno . El alto costo del platino está impulsando la investigación de biocátodos como alternativa. O como otra alternativa para el catalizador, se usaron placas de acero inoxidable como materiales de cátodo y ánodo. ^{[ 2 ]} Otros materiales incluyen membranas (aunque algunas MEC no tienen membrana), tuberías y sistemas de recolección de gas. ^{[ 3 ]}

Los microorganismos electrogénicos que consumen una fuente de energía (como el ácido acético ) liberan electrones y protones, creando un potencial eléctrico de hasta 0,3 voltios. En una celda de combustible microbiana (MFC) convencional, este voltaje se utiliza para generar energía eléctrica. En una celda electroquímica microbiana (MEC), se suministra un voltaje adicional a la celda desde una fuente externa. El voltaje combinado es suficiente para reducir los protones, produciendo hidrógeno gaseoso. Dado que parte de la energía para esta reducción proviene de la actividad bacteriana, la energía eléctrica total que debe suministrarse es menor que para la electrólisis del agua en ausencia de microbios. La producción de hidrógeno ha alcanzado hasta 3,12 m³ ^H₂ / m³ ^d con un voltaje de entrada de 0,8 voltios. La eficiencia de la producción de hidrógeno depende de las sustancias orgánicas utilizadas. _El ácido láctico y el ácido acético alcanzan una eficiencia del 82%, mientras que los valores para la celulosa o la glucosa sin pretratar se acercan al 63%. La eficiencia de la electrólisis normal del agua es del 60 al 70 por ciento. Dado que las celdas electroquímicas microbianas (MEC) convierten la biomasa no utilizable en hidrógeno utilizable, pueden producir un 144 % más de energía útil de la que consumen como energía eléctrica. Dependiendo de los organismos presentes en el cátodo, las MEC también pueden producir metano mediante un mecanismo similar.

Cálculos La recuperación total de hidrógeno se calculó como RH ₂ = C _E R _Cat . La eficiencia coulómbica es C _E =( n _CE / n _th ), donde n _th es el número de moles de hidrógeno que podrían producirse teóricamente y n _CE = C _P /(2 F ) es el número de moles de hidrógeno que podrían producirse a partir de la corriente medida, C _P es el total de culombios calculado integrando la corriente en función del tiempo, F es la constante de Faraday y 2 es el número de moles de electrones por mol de hidrógeno. La recuperación catódica de hidrógeno se calculó como R _Cat = n _H2 / n _CE , donde n _H2 es el total de moles de hidrógeno producidos. El rendimiento de hidrógeno ( Y _H2 ) se calculó como Y _H2 = n _H2 / n _s , donde n _s es la eliminación del sustrato calculada en función de la demanda química de oxígeno (22). ^{[ 4 ]}

Tanto el hidrógeno como el metano pueden utilizarse como alternativas a los combustibles fósiles en motores de combustión interna o para la generación de energía. Al igual que las celdas de combustible microbianas (MFC) o las plantas de producción de bioetanol , las celdas electroquímicas microbianas (MEC) tienen el potencial de convertir la materia orgánica residual en una valiosa fuente de energía. El hidrógeno también puede combinarse con el nitrógeno del aire para producir amoníaco, que puede utilizarse para fabricar fertilizantes de amonio. El amoníaco se ha propuesto como una alternativa práctica a los combustibles fósiles para motores de combustión interna. ^{[ 5 ]}

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