Mikrobiológiai üzemanyagcella Microbial Fuel Cell - MFC. felhasználási lehetőségei

Átírás

1 Szennyezés elimináció és kapcsolt elektromos energia termelés mikrobiológiai üzemanyagcellában Mikrobiológiai üzemanyagcella Microbial Fuel Cell - MFC Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata r. Tardy Gábor Márk egyetemi adjunktus Lóka Máté, Lóránt Bálint biomérnök MSc hallgatók Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék A mikrobiológiai üzemanyagcella (Microbial Fuel Cell - MFC) egy speciális bioreaktor, amiben a szerves anyagok oidációjából nyert elektronokat az ún. eoelektrogén mikroorganizmusok egy szilárd vezető felületre (anód) transzportálják. Az MFC-ben a szerves anyagok biodegradációjából közvetlenül elektromos energia nyerhető. Anódtér Szigorúan anaerob. Az eoelektrogének a koenzimek regenerációjából származó elektronokat az anód felületére transzportálják. Katódtér Aerob. Az anódtértől egy speciális, protonokra szelektív ioncserélő membránnal van elválasztva. Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei A kutatás célja Alacsony feszültség értékek (,3-,8 V) Kis teljesítmény (~2 W/m 3 ). Kis teljesítményigényű fogyasztók áramellátására Hatékony szervesanyag eltávolítás Alacsony biomassza hozam Szennyvíztisztítás, szennyezés megsemmisítés Szerves szubsztrátok biodegradációjának kinetikai vizsgálatára alkalmas üzemanyagcella létrehozása. Az eoelektrogén biomassza által végzett biodegradáció hatékonyságának valamint kinetikájának vizsgálata acetát és pepton modell szubsztrátok mellett. Tender et al. 28 Kapcsolat a feszültség és a biodegradáció sebessége között Alkalmazás bioszenzorként A három nagy budapesti szennyvíztisztító telepen fogadott szennyvizek szervesanyag tartalmából kinyerhető energia mennyiség nagyságrendjének becslése. 1

2 U (mv) Feszültség (V) Feszültség (V) lnu (1Ω-on) Két cellás H-típusú MFC Protonszelektív membrán Anódtér Elektród anyagok Grafit szövet: A cella beoltása, a biofilm aktivtiás növekedésének kinetikája -1 a beoltás kezdetétől eltelt idő (h) ,5 Grafitszövet katód Levegő bevezetés Katódtér Mágneses keverők Multiméter Grafitlap anód Grafit lap: ,5-3 -3,5-4 lnu =,13t - 6,986 R² =,989 M: kommunális SZVT előülepített iszap S: 2 mmol/l acetát A feszültség minden alkalommal jellemző felfutást mutatott, ami egy mikrobatenyészet növekedési görbéjére hasonlított. Feltételezve, hogy a mért feszültség csak az eoelektrogén mikroorganizmusok számától függ, kiszámítottuk a tenyészet generációs idejét, ami több beoltásra 6,5-8,5 óra közé esett. A cellában kialakuló feszültség értéke különböző katódoldatok esetén,5,45,5,45 4, ,4 318, Az anódtérben alkalmazott standard tápsó oldat: 1 l oldatban 3,13 g NaHCO 3,,31 g NH 4 Cl,,13 g KCl, 4,22 g NaH 2 PO 4 6,93 g Na 2 HPO 4 12 H 2 O + nyomelemek,4,35,3,25,2,15,35,3,25,2,15,1 y = ,4639 R² =,9981,1% KCl 1% KCl tápsó tápsó +1% KCl A katódtérben 1 m/m %-os KCl oldat és a standard tápsó oldat alkalmazása a cella feszültsége és teljesítménye szempontjából közel ekvivalens. Mivel tápsóoldat KCl koncentrációjának növelése nem hozott jelentős növekedést az 1 Ω ellenállásra eső feszültségben így arra következtettünk, hogy a további ionerősség emelés jelentős változást nem eredményez a cella teljesítményében.,1, Ellenállás (ohm),5,1,2,3,4,5,6 Áramerősség (A) 2

3 Teljesítménysűrűség (mw/m2) P dan (mw/m 2 ) P dan (mw/m 2 ) 7 6 Elektród anyagok Grafit szövet: A katód/anód felület arány hatása a cella teljesítményére grafitszövet elektródokkal ,22 K/A arány 2,28 K/A arány 1,22 K/A arány,65 K/A arány,25 K/A arány Grafit lap: I dan (ma/m 2 ) , 1, 2, 3, 4, K/A felület arány Látszólagos anódfelületre vonatkoztatott értékek (P dan =P MFC /A an [ mw m 2 ]) Ellenállás (ohm) A vizsgálati tartományban a katódfolyamat a sebesség meghatározó lépés, mivel a katód növelésével a P dan nő. 7 Az katód/anód arány növelésével a teljesítmény aszimptotikusan közelít egy maimum értékhez. A katód/anód arány és az anyagminőség hatása a cella teljesítménysűrűségére A kinetikai vizsgálatra alkalmazott kísérleti rendszer Perisztaltikus pumpa Monod-kinetika A mikroorganizmusok fajlagos növekedési sebességének koncentráció függése biodegradálható nem toikus szubsztrátok esetén a Monod-kinetikával írható le. V H Levegőztetés Tápoldat tartály ~2X-es katód/anód felületarány felett grafitlap anódot és grafitszövet katódot alkalmazva a cella teljesítménye függetlenné vált a katód/anód aránytól. A biodegradáció a sebesség-meghatározó. 8 Anódtér Katódtér Grafitlap anód és grafitszövet katód, Pt-katalizátor réteggel és anélkül 1 Ohm külső ellenállás 3X katód/anód felületarány Tápoldat tartály és folyamatosan keringtetett táplé Mintavétel, centrifugálás után teljes oldott szerves C-tartalom (OC, issolved Organic Carbon) mérése µma: mikroorganizmus maimális fajlagos növekedési sebessége Ks: féltelítési állandó S μ = μ ma K s + S S U = U ma K s + S 3

4 Feszültség (V) Acetát eoelektrogén biodegradációjának kinetikája,5 K s és U ma megállapítása acetát felhasználásával K s és U ma megállapítása pepton felhasználásával,45,4,35,3,25,2,15 cnem katalizált,1,5 Katalizált, OC (mg/l) Feltételeztük, hogy az adott koncentráció-tartományban az acetát biodegradációja az MFC-ben Monod-kinetikát követ. Sinert: inert OC, mikrobák pusztulásából. Nem katalizált: Uma=,32 V Ks=,46 mg/l Sinert=7,3 mg/l Katalizált: Uma=,41 V Ks=,11 mg/l Sinert=12,7 mg/l Sinert Nem katalizált: Uma=,33 V Ks=,72 mg/l Sinert=6, mg/l Katalizált: Uma=,41 V Ks=,79 mg/l Sinert=7, mg/l A szubsztrát elimináció kinetikája Acetát Uma (V) Ks (mg OC/l) Sinert (mg OC/l) Ks+Sinert (mg OC/l) ~KOI (mg/l) Ks+Sinert Nem katalizált,32,46 7,3 7, Katalizált,41,11 12,7 12, Pepton Nem katalizált,33,72 6, 6, Katalizált,41,79 7, 7, Tisztított szennyvíz KOI határérték érzékeny befogadókra 5 mg/l A szakirodalomhoz képest az általunk tapasztalt K S érték jelentősen kisebb. Feltételezhető, hogy elektromos energia termelés és szervesanyag elimináció MFC-kben az eddigi elképzeléseknél alacsonyabb koncentrációk esetén is hatékony lehet. Coulombikus hatékonyság, fajlagos szubsztrát eltávolítási sebesség Coulombikus hatékonyság: Kinyert töltésmennyiség C E = = 14-2 % Összes töltés a szubsztrátban Anód felületre vonatkoztatott fajlagos szubsztrát eltávolítási sebesség Katalizátor réteg nélküli katóddal acetát szubsztráttal: 42,8 g OC pepton szubsztráttal: 48,7 g OC Pt-katalizátor réteggel ellátott katóddal acetát szubsztráttal: 44,3 g OC pepton szubsztráttal: 52,3 g OC A szennyvíz, mint energiaforrás: esettanulmány A három nagy budapesti szennyvíztisztító telep napi szinten átlagosan 48. m 3 szennyvizet tisztít meg. A szennyvíz átlagosan 65 g KOI/m 3 tartalmaz (Tardy et al., 212) Kalorimetrikus mérések alapján 1 g KOI 14,7 kj kémiai energiát hordoz (Shizas & Bagely, 24) A szennyvíz által biztosított szervesanyag áramból elméletben kinyerhető maimális teljesítmény: P = 65 g CO m 3 48 m3 nap 14,7 kj = 53,1 MW g CO A szervesanyag biodegradálhatósága valamint az energia kinyerés hatékonysága csökkenti ezt az értéket. 4

5 A szennyvíz, mint energiaforrás: esettanulmány Összefoglalás Köszönöm a figyelmet! Feltételezett biodegradálható KOI frakció: 8% (BioWin 4.1, 215) Az energia visszanyerési technológiák fejlesztése és kidolgozása a szennyvíztisztítás gazdasági és környezeti fenntarthatóságát is jelentősen előre mozdítja. Feltételezett energianyerési hatékonyság: 25% (Logan, 28) A feltételezett paraméterek alapján számított kinyerhető energia: P = 53,1 MW,8,25 = 1,6 MW A mikrobiológiai üzemanyag cellában a szervesanyag elimináció kis koncentrációk mellett is hatékony, a biodegradáció kinetikailag alkalmas az elfolyó KOI határértékek teljesítésére. A hulladékból előállított elektromos energia kötelező átvételi tarifája átlagosan 28,6 Ft/kWh (MEKH, 215) 1,6 MW 24 h nap 365 nap év 28,6 Ft kwh = 2,7 mrd Ft év Az MFC-k akár önálló technológiában, akár a konvencionális technológiákkal kombinálva hatékony és energiatakarékos szennyezés eliminációs rendszerek alapjai lehetnek. Az eoelektrogén anyagcsere A sejten kívüli elektrontranszport lehetséges kémiai mediátorokkal (pl. AQS, piocianin). Bizonyos baktériumfajok képesek elektron szállításra alkalmas nanopílusokat képezni, amivel az elektródfelülethez kapcsolódnak. Gorby et al. 26 Az anyagcsere feltétele a vezető felület elérhetősége, ezért a biofilm vastagsága limitált. A kialakult biofilmben a biomassza hozama (Y) rendkívül alacsony. 3/19 5

6 Ellenállás (ohm) Coulombikus hatékonyság 12 C E = M t S b I dt F b es v an c Ahol: M s a szubsztrát móltömege I az áramerősség dt idő alatt c a szubsztrátkoncentráció megváltozása t b idő alatt F a Faraday konstans v an az anódtér térfogata b es egy szubsztrát molekula teljes oidációjához szükséges elektronok száma y = R² = 1 Ha az oigén tekintjük szubsztrátnak, melynek móltömege 32 g/mol, és a reakcióban 4 elektront vesz fel. Ezeket behelyettesítve megkapható a 8-as konstans Helipot állás 6