Mikrobiológiai üzemanyagcella Microbial Fuel Cell - MFC. felhasználási lehetőségei

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

Mikrobiológiai üzemanyagcellák szervesanyag-eliminációs hatékonyságának vizsgálata

Mikrobiális üzemanyagcellák alkalmazása a szennyvízminősítésben és tisztításban

Szén-dioxid semleges elektromos energia előállítása szerves szennyezőanyagokból mikrobiológiai üzemanyagcellákban

Szennyezés elimináció és kapcsolt elektromos energia termelés mikrobiológiai üzemanyag cellákban

Úszó fedlapok hatásának vizsgálata nem levegőztetett eleveniszapos medencék működésére nagyüzemi helyszíni mérésekkel és matematikai szimulációval

Vegyipari és Biomérnöki Műveletek. Szennyvíztisztítási biotechnológia

BIM környezetmérnök M.Sc. Biológiai szennyvíztisztítás

Biológia, biotechnológia Környezetvédelem, szennyvíztisztítás altémakörök

Biológiai szennyvíztisztítás

Korszerű eleveniszapos szennyvízkezelési eljárások, a nitrifikáció hatékonyságának kémiai, mikrobiológiai vizsgálata

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen Telek Fanni környezetvédelmi előadó

A szennyvíztisztítás üzemeltetési költségeinek csökkentése - oxigén beviteli hatékonyság értékelésének módszere

Innovációs folyamat a szennyvízkezelésben: az alga és az MFC története

Ipari vizek tisztítási lehetőségei rövid összefoglalás. Székely Edit BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

Elektro-analitikai számítási feladatok 1. Potenciometria

MEMBRÁNKONTAKTOR ALKALMAZÁSA AMMÓNIA IPARI SZENNYVÍZBŐL VALÓ KINYERÉSÉRE

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Vegyipari és Biomérnöki Műveletek. Szennyvíztisztítási biotechnológia

TÉMAVEZETŐ TAKÁCS ERZSÉBET BEZSENYI ANIKÓ A GYÓGYSZERMARADVÁNYOK ELTÁVOLÍTÁSNAK LEHETŐSÉGEI A DÉL-PESTI SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEN

A tisztítandó szennyvíz jellemző paraméterei

Megújuló energiaforrások

Biológiai nitrogén- és foszforeltávolítás az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen

EIT-KIC-MÜC ÁRAMTERMELÉS BAKTÉRIUMOKKAL: EREDMÉNYEK, LEHETŐSÉGEK, LIMITÁCIÓK

Kis szennyvíztisztítók technológiái - példák

Ferrát-technológia alkalmazása biológiailag tisztított szennyvizek kezelésére

Gyakorlati Forduló Válaszlap Fizika, Kémia, Biológia

[S] v' [I] [1] Kompetitív gátlás

Nitrogén és foszfor eltávolítás folyamatának optimalizálása az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen

Anaerob fermentált szennyvíziszap jellemzése enzimaktivitás-mérésekkel

2. Junior szimpózium december 9. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem. A pápai szennyvíztisztító telep szabályozásának sajátosságai

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Szennyvíz és szennyvíziszap-komposzt gyógyszermaradványainak mikrobiális eltávolítása

Általános Kémia, 2008 tavasz

Kis szennyvíztisztítók technológiái - példák

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

9. évfolyam II. félév 2. dolgozat B csoport. a. Arrheneus szerint bázisok azok a vegyületek, amelyek... b. Arrheneus szerint a sók...

Mélységi víz tisztítására alkalmas komplex technológia kidolgozása biológiai ammónium- mentesítés alkalmazásával

Kassai Zsófia üzemeltetési csoportvezető Fővárosi Csatornázási Művek Zrt április 19.

PANNON Egyetem. A szennyvíztisztítás fajlagos térfogati teljesítményének növelése. Dr. Kárpáti Árpád március 28.

Elektromos ellenállás, az áram hatásai, teljesítmény

Adszorbeálható szerves halogén vegyületek koncentráció változásának vizsgálata kommunális szennyvizek eltérő módszerekkel történő fertőtlenítése során

Hulladékfogadás, együttes rothasztás, biogáz hasznosítás hatékonyságának növelése a DÉL-PESTI SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEN

Adszorbeálható szerves halogén vegyületek kimutatása környezeti mintákból

SZENNYVÍZKEZELÉS NAGYHATÉKONYSÁGÚ OXIDÁCIÓS ELJÁRÁSSAL

Iszapkezelés, biogáz előállítás és tisztítás

Innovációs lehetőségek a szennyvíziszap kezelésében

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Áramforrások. Másodlagos cella: Használat előtt fel kell tölteni. Használat előtt van a rendszer egyensúlyban. Újratölthető.

MEGOLDÁSOK ÉS ÜZEMELTETÉSI TAPASZTALATOK

Előadó: Spissich Ákos Pannon-Víz Zrt. Nyúli üzemmérnökség szennyvízágazat vezető

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 6 pont. 3. feladat Összesen: 18 pont

Megnövelt energiatermelés és hatásos nitrogéneltávolítás lehetőségei a lakossági szennyvíztisztításnál. Dr. Kárpáti Árpád Pannon Egyetem

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI FELVÉTELI FELADATOK 2002.

Számítástudományi Tanszék Eszterházy Károly Főiskola.

MMK Szakmai továbbk SZERVESANYAG ELTÁVOLÍTÁS

BME Vízi Közmő és Környezetmérnöki Tanszék. Szabó Anita. Foszfor eltávolítás és a biológiai szennyvíztisztítás intenzifikálása kémiai előkezeléssel

Települési szennyvíz tisztítás alapsémája

Kémiai reakciók sebessége

Hulladék-e a szennyvíziszap? ISZAPHASZNOSÍTÁS EGY ÚJSZERŰ ELJÁRÁSSAL

100% = 100 pont A VIZSGAFELADAT MEGOLDÁSÁRA JAVASOLT %-OS EREDMÉNY: EBBEN A VIZSGARÉSZBEN A VIZSGAFELADAT ARÁNYA 40%.

Vízben oldott antibiotikumok (fluorokinolonok) sugárzással indukált lebontása

Folyadékmembránok. Simándi Béla BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék /65

STS GROUP ZRt. FUELCELL (Hidrogén üzemanyagcellás erőművek). Előadó: Gyepes Tamás (Elnök Igazgató) Kriston Ákos. Vándorgyűlés előadás,

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997

NEHÉZFÉMEK ELTÁVOLÍTÁSA IPARI SZENNYVIZEKBŐL Modell kísérletek Cr(VI) alkalmazásával növényi hulladékokból nyert aktív szénen

Készítette: Kurcz Regina

A standardpotenciál meghatározása a cink példáján. A galváncella működése elektrolizáló cellaként Elektródreakciók standard- és formálpotenciálja

O k t a t á si Hivatal

Elektromos ellenállás, az áram hatásai, teljesítmény

Jegyzőkönyv. Konduktometria. Ungvárainé Dr. Nagy Zsuzsanna

TECHNOLÓGIA SZENNYVÍZISZAPOK TPH TARTALMÁNAK CSÖKKENTÉSÉRE

Hidrogén előállítása tejcukor folyamatos erjesztésével

Orvosi Fizika 13. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

TÉMAVEZETŐ Dr. TAKÁCS ERZSÉBET

A szennyvíztisztítás üzemeltetési költségének csökkentése

A SZENNYVÍZISZAPRA VONATKOZÓ HAZAI SZABÁLYOZÁS TERVEZETT VÁLTOZTATÁSAI. Domahidy László György főosztályvezető-helyettes Budapest, május 30.

Települési szennyvíz tisztítás alapsémája

A ferrát-technológia klórozással szembeni előnyei a kommunális szennyvizek utókezelésekor

Szőke Péter Ádám Környezettudomány szak. Témavezető: Dr. Barkács Katalin

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

Hol tisztul a víz? Tények tőmondatokban:

Az Ivóvízminőség-javító program technológiai vonatkozásai. Licskó István Laky Dóra és László Balázs BME VKKT

A klórozás kémiája. Kémiai reakciók. Affinitási sorrend. Klórgáz és a víz reakciói gáz oldódása hidrolízis disszociáció

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Létesített vizes élőhelyek szerepe a mezőgazdasági eredetű elfolyóvizek kezelésében

Ni 2+ Reakciósebesség mol. A mérés sorszáma

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Egyenáram. Áramkörök jellemzése Fogyasztók és áramforrások kapcsolása Az áramvezetés típusai

1. SI mértékegységrendszer

Kémiai alapismeretek hét

Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban

Vízben oldott antibiotikumok (fluorokinolonok) sugárzással indukált lebontása

A szénhidrátok lebomlása

Kémiai alapismeretek 11. hét

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

Kőolaj- és élelmiszeripari hulladékok biodegradációja

Átírás:

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

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) 2 25 3 35 4 45 5 55-1,5 Grafitszövet katód Levegő bevezetés Katódtér Mágneses keverők Multiméter Grafitlap anód Grafit lap: 7-2 -2,5-3 -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 35 3 25 2 15 1 5 24,4 318,5 333 344 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 = -547 +,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.,1,5 2 4 6 8 1 12 Ellenállás (ohm),5,1,2,3,4,5,6 Áramerősség (A) 2

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 5 4 5 45 4 35 3 3,22 K/A arány 2,28 K/A arány 1,22 K/A arány,65 K/A arány,25 K/A arány 5 45 4 35 3 3 2 1 Grafit lap: 25 2 15 1 5 2 4 6 I dan (ma/m 2 ) 25 2 15 1 5, 1, 2, 3, 4, K/A felület arány Látszólagos anódfelületre vonatkoztatott értékek (P dan =P MFC /A an [ mw m 2 ]). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 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

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, 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 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 7,76 25-3 Katalizált,41,11 12,7 12,81 4-5 Pepton Nem katalizált,33,72 6, 6,72 2-25 Katalizált,41,79 7, 7,79 25-3 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

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

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 1 8 6 4 2 y = 9.8474 + 2.362 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 2 4 6 8 1 12 Helipot állás 6