Szén-dioxid semleges elektromos energia előállítása szerves szennyezőanyagokból mikrobiológiai üzemanyagcellákban Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Témavezető: Dr. Tardy Gábor Márk egyetemi adjunktus Előadó: Lóka Máté biomérnök MSc hallgató
Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata A mikrobiológiai üzemanyagcella (Microbial Fuel Cell - MFC) egy speciális bioreaktor, amiben a szerves anyagok oxidációjából nyert elektronokat az ún. exoelektrogén mikroorganizmusok egy szilárd vezető felületére (anód) transzportálják. Az MFC-ben a szerves anyagok biodegradációjából közvetlenül elektromos energia nyerhető. 1/11
Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata Anódtér Szigorúan anaerob. Az exoelektrogének a koenzimek regenerációjából származó elektronokat az anód felületére transzportálják. Katódtér Aerob (intenzíven levegőztetett). Az anódtértől egy speciális, protonokra szelektív ioncserélő membránnal van elválasztva. 2/11
Az exoelektrogén anyagcsere A sejten kívüli elektrontranszport lehetséges kémiai mediátorokkal (pl. AQDS, piocianin). Bizonyos baktériumfajok képesek elektron szállításra alkalmas nanopílusokat képezni, amivel az elektródfelülethez kapcsolódnak. Gorby et al. 2006 A túlélés feltétele a tápanyaghoz való hozzáférés, és a koenzimek regenerálásának lehetősége. Az exoelektrogén biofilm maximális vastagságát (d) a pílusok hossza ill. a szubsztrát diffúziós tulajdonságai határozzák meg. Ezért a kialakult biofilmben a biomassza hozama (Y) rendkívül alacsony. 3/11
Az MFC-k tulajdonságai, és felhasználási lehetőségei Alacsony biomassza hozam. Hatékony szennyező eltávolítás. Szennyvíztisztításban, szennyezés megsemmisítésben jól hasznosítható. http://www.fcsm.hu/userfiles/slides/resized/35.jpg 4/11
A kutatás célja Pepton és acetát szubsztrát összehasonlítása MFCben való hasznosíthatóság szempontjából. A coulombikus hatásfok vizsgálata, katalizált és katalizálatlan elektródokkal. Az egységnyi anódfelületre eső, fajlagos szubsztrátfelhasználási sebesség meghatározása. A három nagy budapesti szennyvíztisztító telepen fogadott szennyvízből kinyerhető energia piaci értékének becslése. 5/11
Két cellás H-típusú MFC Protonszelektív membrán Anódtér Grafitszövet katód Levegő bevezetés Katódtér Multiméter Grafitlap anód Mágneses keverők 6/11
A coulombikus hatásfok meghatározása A szakirodalomban általánosan elterjedt képlet: (Logan, 2008) A cella feszültségét 5 percenként regisztráltuk, majd ezt az Ohmtörvény felhasználásával átszámítottuk áramerősségre. A pontos időintervallumok segítségével az integrál értékét numerikusan határoztuk meg. A mérés kezdetén és végén megmértük az oldat oldott szerves széntartalmát (DOC, Dissolved Organic Carbon) és ezt számítottuk át KOI-ra. Ezekből az értékekből, a Faraday konstans (F), az anódtér térfogata (v an ) illetve az egy mól elektron által redukált oxigén tömegét megadó konstans (8 g O 2 /mol e - ) segítségével a coulombikus hatásfok kiszámítható. 7/11
A coulombikus hatásfok meghatározása Elektród Katalizálatlan Acetát Pepton C E [% ] T [ C] C E [% ] T [ C] 19,3 25 14,6 25 16,1 35 16,3 35 Katalizált 19,8 25 19,3 25 8/11
Fajlagos szubsztrát eltávolítási sebesség Korábbi kísérleteik alapján úgy alakítottuk ki a cellát, hogy az anódón zajló folyamatok legyenek a sebesség meghatározóak. Ezért a DOC fogyasztást az anódfelületre vonatkoztattuk. 35 C-on katalizálatlan katóddal acetát szubsztrát esetében 42,82, míg peptonra 48,66 fogyási sebességet tapasztaltunk. 30 C-on katalizátor réteggel ellátott katódok alkalmazása során acetátra 44,32 -t, míg peptonra 52,32 -t fogyasztottak a mikroorganizmusok. 9/11
A szennyvíz mint szén-dioxid semleges energiaforrás A három nagy budapesti szennyvíztisztító telep napi szinten átlagosan 478.000 m 3 szennyvizet tisztít meg. (É-pest: 155.000 m 3, D-pest: 53.000 m 3 Csepel: 270.000 m 3 ) A szennyvíz átlagosan 650 g KOI/m 3 tartalmaz (Tardy et al., 2012) Kalorimetrikus mérések alapján 1 g KOI eltávolítása 14,7 kj energia felszabadulásával jár (Shizas & Bagely, 2004) A hulladékból előállított elektromos energia törvényi átvételi ára átlagosan 28,60 Ft/kWh P = 650 g COD m 478 000 m nap 14.7 9,04 MW 24 h nap 365 nap év 28,60 kj g COD = 52,86 MW C E =17,1 % Ft mrd Ft = 2,265 kwh év 10/11
Összefoglalás A vizsgált MFC-kben 42,86-52,32 fajlagos szubsztrát eliminációs sebesség érhető el. 14,6-19,8%-os coulombikus hatékonysággal, széndioxid semlegesen lehet elektromos energiát előállítani oldott szervesanyagokból. Az előállított elektromos áram árán kívül egyéb megtakarításokat is eredményez MFC-k alkalmazása. Bár ma még a szerkezeti anyagok magas ára miatt az MFC alapú technológiák nem gazdaságosak, a létező technológiákkal integrálható, és a jövőben önálló tisztítási technológiák alapja lehet. 11/11
Köszönöm a figyelmet! D
Coulombikus hatékonyság 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 oxidációjához szükséges elektronok száma Ebből az alkalmazott képlet úgy jön ki, hogy az oxigén tekintjük szubsztrátnak, melynek móltömege 32 g/mol, és a reakcióban 4 elektront vesz fel. Ezeket behelyettesítve megkapható a 8-as konstans.
0,5 0,45 0,4 0,35 Feszültség (V) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Ellenállás (ohm)
0,5 0,45 0,4 0,35 Feszültség (V) 0,3 0,25 0,2 0,15 y = -547x + 0,4639 R² = 0,9981 0,1 0,05 0 0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 Áramerősség (A)
70 60 Teljesítménysűrűség (mw/m2) 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Ellenállás (ohm)
12000 10000 8000 Ellenállás (ohm) 6000 4000 y = 9.8474x + 2.362 R² = 1 2000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Helipot állás