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
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. 2008 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 1 2 3 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
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 480.000 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. 2006 Gorby et al. 2006 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 480 000 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 365 28,6 = 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
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 + 0,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 7,76 25-30 Katalizált 0,41 0,11 12,7 12,81 40-50 Pepton Nem katalizált 0,33 0,72 6,0 6,72 20-25 Katalizált 0,41 0,79 7,0 7,79 25-30 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 = = 14-20 % 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
zubsztrát koncentráció függés légkatódos MFC-ben zubsztrát koncentráció függés légkatódos MFC-ben zakaszos üzem potenciál lefutása különböző szubsztrátkoncentrációk mellett 0.6 12.7 6.4 3.2 0.8 0.40 0.5 100.00 90.00 A Lineáris (A) 80.00 0.4 70.00 Potential (V) 0.3 Charge ( C ) 60.00 50.00 40.00 y = 6.6319 R² = 0.9956 0.2 30.00 20.00 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 Elapsed time (min) 10.00 0.00 0.0 5.0 10.0 15.0 Introduced CO (mg) Potenciál lefutás különböző szubsztrátok esetén Acetát Valós szennyvíz 5