Mikrobiológiai üzemanyagcella Microbial Fuel Cell - MFC
Szennyezés elimináció és kapcsolt elektromos energia termelés mikrobiológiai üzemanyagcellában
Mikrobiológiai üzemanyagcella alapvető folyamatainak vázlata
Dr. 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
Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei
Alacsony feszültség értékek (0,3-0,8 V) Kis teljesítmény (~200 W/m3).
A mikrobiológiai üzemanyagcella (Microbial Fuel Cell - MFC) egy speciális bioreaktor, amiben a szerves anyagok oxidációjából nyert elektronokat az ún. exoelektrogén mikroorganizmusok egy szilárd vezető felületre (anód) transzportálják.
Az MFC-ben a szerves anyagok biodegradációjából közvetlenül elektromos energia nyerhető.
Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Kis teljesítményigényű fogyasztók áramellátására
Hatékony szervesanyag eltávolítás Alacsony biomassza hozam
Anódtér Szigorúan anaerob. Az exoelektrogének a koenzimek regenerációjából származó elektronokat az anód felületére transzportálják.
Katódtér Aerob. Az anódtértől egy speciális, protonokra szelektív ioncserélő membránnal van elválasztva.
A kutatás célja
Szennyvíztisztítás, szennyezés megsemmisítés
Szerves szubsztrátok biodegradációjának kinetikai vizsgálatára alkalmas üzemanyagcella létrehozása. Az exoelektrogén biomassza által végzett biodegradáció hatékonyságának valamint kinetikájának vizsgálata acetát és pepton modell szubsztrátok mellett.
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.
Tender et al. 2008
1
Két cellás H-típusú MFC
Elektród anyagok
Protonszelektív membrán
A cella beoltása, a biofilm aktivtiás növekedésének kinetikája
D
Grafit szövet:
Anódtér
a beoltás kezdetétől eltelt idő (h)
-1 20
25
30
35
40
45
50
55
-1,5
M: kommunális SZVT
lnU (1000Ω-on)
-2
Multiméter
Grafitszövet katód
Levegő bevezetés
Grafit lap:
-2,5
S:
20 mmol/l acetát
-3 -3,5
Grafitlap anód
Katódtér
-4
Mágneses keverők
A feszültség minden alkalommal jellemző felfutást mutatott, ami egy mikrobatenyészet növekedési görbéjére hasonlított.
Feltételezve, hogy a mért feszültség csak az exoelektrogén mikroorganizmusok számától függ, kiszámítottuk a tenyészet generációs idejét, ami több beoltásra 6,5-8,5 óra közé esett.
7
A cellában kialakuló feszültség értéke különböző katódoldatok esetén
0,5 0,5 0,45 0,45
400
0,4
333
1 l oldatban 3,13 g NaHCO3, 0,31 g NH4Cl, 0,13 g KCl, 4,22 g NaH2PO4 6,93 g Na2HPO4·12 H2O
250 240,4 200 150 100
0,4
Az anódtérben alkalmazott standard tápsó oldat:
+ nyomelemek
0,35 0,35
Feszültség (V)
318,5
300
344
Feszültség (V)
350
U (mV)
előülepített iszap
lnU = 0,103t - 6,986 R² = 0,989
0,3 0,25
0,3 0,25 0,2
0,2
0,15
0,15
0,1
0,1
0,05
y = -547x + 0,4639 R² = 0,9981
50 0 0,1% 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.
0
0,05
0
Mivel tápsóoldat KCl koncentrációjának növelése nem hozott jelentős növekedést az 1000 Ω ellenállásra eső feszültségben így arra következtettünk, hogy a további ionerősség emelés jelentős változást nem eredményez a cella teljesítményében.
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
Áramerősség (A)
0 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Ellenállás (ohm)
2
70
Elektród anyagok
A katód/anód felület arány hatása a cella teljesítményére grafitszövet elektródokkal
D
Grafit szövet:
50
50 3,22 K/A arány
45 40
30
20
Grafit lap:
45
2,28 K/A arány
40
1,22 K/A arány
40
35
0,65 K/A arány
35
0,25 K/A arány
30 25 20
PdAn (mW/m2)
50
PdAn (mW/m2)
Teljesítménysűrűség (mW/m2)
60
30 25 20
15
15
10
10 5
5 0 0
10
200
IdAn (mA/m2)
400
600
0 0,00
1,00
2,00 3,00 K/A felület arány
𝑚𝑊
4,00
Látszólagos anódfelületre vonatkoztatott értékek (PdAn=PMFC/Aan [
A vizsgálati tartományban a katódfolyamat a sebesség meghatározó lépés, mivel a katód növelésével a PdAn nő.
Az katód/anód arány növelésével a teljesítmény aszimptotikusan közelít egy maximum értékhez.
𝑚2
]).
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Ellenállás (ohm)
7
A katód/anód arány és az anyagminőség hatása a cella teljesítménysűrűségére
D A kinetikai vizsgálatra alkalmazott kísérleti rendszer
Monod-kinetika
D
A mikroorganizmusok fajlagos növekedési sebességének koncentráció függése biodegradálható nem toxikus szubsztrátok esetén a Monod-kinetikával írható le.
Perisztaltikus pumpa
V
Levegőztetés
H
Tápoldat tartály
Anódtér
~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
Katódtér
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 (DOC, Dissolved Organic Carbon) mérése
µmax: mikroorganizmus maximális fajlagos növekedési sebessége Ks: féltelítési állandó
𝜇 = 𝜇𝑚𝑎𝑥 ∗
𝑆 𝐾𝑠 + 𝑆
→
𝑈 = 𝑈𝑚𝑎𝑥 ∗
𝑆 𝐾𝑠 + 𝑆
3
Acetát exoelektrogén D biodegradációjának kinetikája
D Ks és Umax megállapítása acetát felhasználásával
D Ks és Umax megállapítása pepton felhasználásával
0,50 0,45 0,40 0,35
Feszültség (V)
0,30 0,25
x
0,20
c
Nem katalizált x
0,15 x
0,10
x
Katalizált
0,05 x
0,00 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
DOC (mg/l)
Feltételeztük, hogy az adott koncentráció-tartományban az acetát biodegradációja az MFC-ben Monod-kinetikát követ.
Acetát
Pepton
Ks Sinert Ks+Sinert (mg DOC/l) (mg DOC/l) (mg DOC/l)
~KOI (mg/l) Ks+Sinert
Nem katalizált
0,32
0,46
7,3
7,76
25 - 30
Katalizált
0,41
0,11
12,7
12,81
40 - 50
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 KS érték jelentősen kisebb. Feltételezhető, hogy elektromos energia termelés és szervesanyag elimináció MFC-kben az eddigi elképzeléseknél alacsonyabb koncentrációk esetén is hatékony lehet.
Sinert
Ks=0,46 mg/l Sinert=7,3 mg/l
Nem katalizált: Umax=0,33 V
Ks=0,72 mg/l Sinert=6,0 mg/l
Katalizált:
Ks=0,11 mg/l Sinert=12,7 mg/l
Katalizált:
Ks=0,79 mg/l Sinert=7,0 mg/l
Umax=0,41 V
Coulombikus hatékonyság, fajlagos szubsztrát eltávolítási sebesség
D A szubsztrát elimináció kinetikája
Umax (V)
Sinert: inert DOC, mikrobák pusztulásából. Nem katalizált: Umax=0,32 V
Coulombikus hatékonyság: Kinyert töltésmennyiség 𝐶𝐸 =
Összes töltés a szubsztrátban
= 14-20 %
Anód felületre vonatkoztatott fajlagos szubsztrát eltávolítási sebesség Katalizátor réteg nélküli katóddal acetát szubsztráttal: pepton szubsztráttal:
42,8
g DOC m2∙h
48,7
g DOC m2∙h
Umax=0,41 V
A szennyvíz, mint energiaforrás: esettanulmány
A három nagy budapesti szennyvíztisztító telep napi szinten átlagosan 480.000 m3 szennyvizet tisztít meg.
A szennyvíz átlagosan 650 g KOI/m3 tartalmaz (Tardy et al., 2012)
Kalorimetrikus mérések alapján 1 g KOI 14,7 kJ kémiai energiát hordoz (Shizas & Bagely, 2004)
A szennyvíz által biztosított szervesanyag áramból elméletben kinyerhető maximális teljesítmény:
P = 650
Pt-katalizátor réteggel ellátott katóddal acetát szubsztráttal:
44,3
g DOC m2∙h
pepton szubsztráttal:
52,3
g DOC m2∙h
g COD m3 kJ ∙ 480 000 ∙ 14,7 = 53,1 MW m3 nap g COD
A szervesanyag biodegradálhatósága valamint az energia kinyerés hatékonysága csökkenti ezt az értéket.
4
Összefoglalás
A szennyvíz, mint energiaforrás: esettanulmány
Feltételezett biodegradálható KOI frakció: 80%
(BioWin 4.1, 2015)
Feltételezett energianyerési hatékonyság: 25%
(Logan, 2008)
A feltételezett paraméterek alapján számított kinyerhető energia:
A hulladékból előállított elektromos energia kötelező átvételi tarifája átlagosan 28,60 Ft/kWh
Köszönöm a figyelmet!
D
Az energia visszanyerési technológiák fejlesztése és kidolgozása a szennyvíztisztítás gazdasági és környezeti fenntarthatóságát is jelentősen előre mozdítja. A mikrobiológiai üzemanyag cellában a szervesanyag elimináció kis koncentrációk mellett is hatékony, a biodegradáció kinetikailag alkalmas az elfolyó KOI határértékek teljesítésére.
P’= 53,1 MW ∙ 0,8 ∙ 0,25 = 10,6 MW
Az MFC-k akár önálló technológiában, akár a konvencionális technológiákkal kombinálva hatékony és energiatakarékos szennyezés eliminációs rendszerek alapjai lehetnek.
(MEKH, 2015)
h nap Ft mrd Ft 10,6 MW ∙ 24 ∙ 365 ∙ 28,6 = 2,7 nap év kWh év
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
Az anyagcsere feltétele a vezető felület elérhetősége, ezért a biofilm vastagsága limitált. A kialakult biofilmben a biomassza hozama (Y) rendkívül alacsony.
3/19
5
Coulombikus hatékonyság
12000
10000
𝑡
𝑀𝑆 0 𝑏 𝐼 𝑑𝑡 𝐹 𝑏𝑒𝑠 𝑣𝑎𝑛 ∆𝑐
Ahol: Ms a szubsztrát móltömege I az áramerősség dt idő alatt ∆c a szubsztrátkoncentráció megváltozása tb idő alatt F a Faraday konstans van az anódtér térfogata bes egy szubsztrát molekula teljes oxidációjához szükséges elektronok száma Ha az oxigén tekintjük szubsztrátnak, melynek móltömege 32 g/mol, és a reakcióban 4 elektront vesz fel. Ezeket behelyettesítve megkapható a 8-as konstans
8000
Ellenállás (ohm)
𝐶𝐸 =
6000
y = 9.8474x + 2.362 R² = 1
4000
2000
0 0
200
400
600
800
1000
1200
Helipot állás
6
