Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata. Két cellás H-típusú MFC

Átírás

1 Mikrobiológiai üzemanyagcella Microbial Fuel Cell - MFC Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata Elektród anyagok Grafit szövet: Grafit lap: 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. zigorúan anaerob. Az eoelektrogének a koenzimek regenerációjából származó elektronokat az anód felületére transzportálják. Aerob. Az anódtértől egy speciális, protonokra szelektív ioncserélő membránnal van elválasztva. 7 Elektród anyagok Két cellás H-típusú MFC Légkatódos MFC Protonszelektív membrán Grafitszövet katód Levegő bevezetés Multiméter Grafitlap anód Mágneses keverők 1

2 Alapvető elektronikai paraméterek Coulombikus hatékonyság Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Teljesítmény [W, mw]: Alacsony feszültség értékek (0,3-0,8 V) Kis teljesítmény (~200 W/m 3 ). Kis teljesítményigényű fogyasztók áramellátására Teljesítménysűrűség [mw/m 2, mw/m 3 ]: Tender et al Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Anyagmérleg a biofilmben Anyagmérleg a biofilmben Hatékony szervesanyag eltávolítás Alacsony biomassza hozam zennyvíztisztítás, szennyezés megsemmisítés d A d d A d 1 A ma X Y K Bf 0 Biofilm Biofilm s b Lamináris folyadékréteg Turbulens folyadéktér Lamináris folyadékréteg Turbulens folyadéktér 1 2 zubsztráttal ellátott réteg zubsztrát hiányosréteg f Kapcsolat a feszültség és a biodegradáció sebessége között Alkalmazás bioszenzorként +Δ Hordozótól való távolság 3 2

3 Az eoelektrogén anyagcsere A sejten kívüli elektrontranszport lehetséges kémiai mediátorokkal (pl. AQ, piocianin). Bizonyos baktériumfajok képesek elektron szállításra alkalmas nanopílusokat képezni, amivel az elektródfelülethez kapcsolódnak. Az eoelektrogén anyagcsere A sejten kívüli elektrontranszport lehetséges kémiai mediátorokkal (pl. AQ, piocianin). Bizonyos baktériumfajok képesek elektron szállításra alkalmas nanopílusokat képezni, amivel az elektródfelülethez kapcsolódnak. A szennyvíz, mint energiaforrás: esettanulmány A három nagy budapesti szennyvíztisztító telep napi szinten átlagosan m 3 szennyvizet tisztít meg. A szennyvíz átlagosan 650 g KOI/m 3 tartalmaz (Tardy et al., 2012) Kalorimetrikus mérések alapján 1 g KOI 14,7 kj kémiai energiát hordoz (hizas & Bagely, 2004) Gorby et al Gorby et al A szennyvíz által biztosított szervesanyag áramból elméletben kinyerhető maimális teljesítmény: Az anyagcsere feltétele a vezető felület elérhetősége, ezért a biofilm vastagsága limitált. A kialakult biofilmben a biomassza hozama (Y) rendkívül alacsony. Az anyagcsere feltétele a vezető felület elérhetősége, ezért a biofilm vastagsága limitált. A kialakult biofilmben a biomassza hozama (Y) rendkívül alacsony. P = 650 g CO m m nap 14,7 kj = 53,1 MW g CO A szervesanyag biodegradálhatósága valamint az energia kinyerés hatékonysága csökkenti ezt az értéket. 3/19 3/19 A szennyvíz, mint energiaforrás: esettanulmány A kinetikai vizsgálatra alkalmazott kísérleti rendszer Perisztaltikus pumpa Két cellás H-típusú MFC Feltételezett biodegradálható KOI frakció: 80% (BioWin 4.1, 2015) V H Levegőztetés Protonszelektív membrán Feltételezett energianyerési hatékonyság: 25% (Logan, 2008) A feltételezett paraméterek alapján számított kinyerhető energia: P = 53,1 MW 0,8 0,25 = 10,6 MW A hulladékból előállított elektromos energia kötelező átvételi tarifája átlagosan 28,60 Ft/kWh (MEKH, 2015) 10,6 MW 24 h nap Ft mrd Ft ,6 = 2,7 nap év kwh év Tápoldat tartály Grafitlap anód és grafitszövet katód, Pt-katalizátor réteggel és anélkül 1000 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 Grafitszövet katód Levegő bevezetés Mágneses keverők Multiméter Grafitlap anód 3

4 Monod-kinetika A mikroorganizmusok fajlagos növekedési sebességének koncentráció függése biodegradálható nem toikus szubsztrátok esetén a Monod-kinetikával írható le. Acetát eoelektrogén biodegradációjának kinetikája 0,50 0,45 0,40 K s és U ma megállapítása acetát felhasználásával 0,35 0,30 Feszültség (V) 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 cnem katalizált Katalizált µma: mikroorganizmus maimális fajlagos növekedési sebessége Ks: féltelítési állandó μ = μ K + I = I K + 0, OC (mg/l) Feltételeztük, hogy az adott koncentráció-tartományban az acetát biodegradációja az MFC-ben Monod-kinetikát követ. inert: inert OC, mikrobák pusztulásából. Nem katalizált: Uma=0,32 V Ks=0,46 mg/l inert=7,3 mg/l Katalizált: Uma=0,41 V Ks=0,11 mg/l inert=12,7 mg/l K s és U ma megállapítása pepton felhasználásával inert Nem katalizált: Uma=0,33 V Ks=0,72 mg/l inert=6,0 mg/l Katalizált: Uma=0,41 V Ks=0,79 mg/l inert=7,0 mg/l A szubsztrát elimináció kinetikája Acetát Uma (V) Ks (mg OC/l) inert (mg OC/l) Ks+inert (mg OC/l) ~KOI (mg/l) Ks+inert Nem katalizált 0,32 0,46 7,3 7, Katalizált 0,41 0,11 12,7 12, Pepton Nem katalizált 0,33 0,72 6,0 6, Katalizált 0,41 0,79 7,0 7, Tisztított szennyvíz KOI határérték érzékeny befogadókra 50 mg/l A szakirodalomhoz képest az általunk tapasztalt K 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: öéé C = = % Ö öé á Anód felületre vonatkoztatott fajlagos szubsztrát eltávolítási sebesség Katalizátor réteg nélküli katóddal acetát szubsztráttal: 42,8 pepton szubsztráttal: 48,7 Pt-katalizátor réteggel ellátott katóddal acetát szubsztráttal: 44,3 pepton szubsztráttal: 52,3 4

5 zubsztrát koncentráció függés légkatódos MFC-ben zubsztrát koncentráció függés légkatódos MFC-ben zakaszos üzem potenciál lefutása különböző szubsztrátkoncentrációk mellett A Lineáris (A) Potential (V) 0.3 Charge ( C ) y = R² = Elapsed time (min) Introduced CO (mg) Potenciál lefutás különböző szubsztrátok esetén Acetát Valós szennyvíz 5