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
Multiméter
Grafitszövet katód Levegő bevezetés
Grafitlap anód
Katódtér
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 (van) illetve az egy mól elektron által redukált oxigén tömegét megadó konstans (8 g O2/mol e-) segítségével a coulombikus hatásfok kiszámítható.
7/11
A coulombikus hatásfok meghatározása
Elektród Katalizálatlan Katalizált
Acetát
Pepton
CE [% ]
T [°C]
CE [% ]
T [°C]
16,1
35
16,3
35
19,3 19,8
25 25
14,6 19,3
25 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 m3 szennyvizet tisztít meg. (É-pest: 155.000 m3, D-pest: 53.000 m3 Csepel: 270.000 m3) A szennyvíz átlagosan 650 g KOI/m3 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
g COD m kJ P = 650 · 478 000 · 14.7 = 52,86 MW m nap g COD CE=17,1 %
9,04 MW · 24
h nap Ft mrd Ft · 365 · 28,60 = 2,265 nap év 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: 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 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
Feszültség (V)
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
0
2000
4000
6000
Ellenállás (ohm)
8000
10000
12000
0,5 0,45 0,4
Feszültség (V)
0,35 0,3 0,25 0,2 y = -547x + 0,4639 R² = 0,9981
0,15 0,1 0,05 0
0
0,0001
0,0002
0,0003 Áramerősség (A)
0,0004
0,0005
0,0006
70
Teljesítménysűrűség (mW/m2)
60
50
40
30
20
10
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Ellenállás (ohm)
6000
7000
8000
9000
10000
12000
10000
Ellenállás (ohm)
8000
6000 y = 9.8474x + 2.362 R² = 1
4000
2000
0
0
200
400
600
Helipot állás
800
1000
1200
