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PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: DEPURACIÓN DE AGUA Y PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA

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PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: DEPURACIÓN DE AGUA Y PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA. Dr. Carlos Godínez Seoane Profesor Titular de Universidad Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Universidad Politécnica de Cartagena. Cartagena, 5 de junio de 2008. C. Godínez GROUP LEADER

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pilas de combustible microbianas depuraci n de agua y producci n simult nea de energ a

PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS: DEPURACIÓN DE AGUA Y PRODUCCIÓN SIMULTÁNEA DE ENERGÍA

Dr. Carlos Godínez Seoane

Profesor Titular de Universidad

Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Universidad Politécnica de Cartagena

Cartagena, 5 de junio de 2008

slide2

C. Godínez

GROUP LEADER

Fuel Cells

and Polymers

F. Hernández

Ionic líquids,

Supercritical fluids and

Membrane technology

L.J. Lozano

Biofuels and

Solvent recovery

A. Larrosa (Ph.D. Student)

J.M. Moreno

J. Bayo

A. Ginestá

P.M. Díaz

A. Pérez de los Ríos

(post Doc-student)

S. Sánchez (Ph.D. Student)

D. Juan

A. Barahona

J. J. Agüera

Proporcionamos asistencia tecnológica diversa en

Ingeniería Química, Biotecnológica y Medio Ambiental

Grupo INQUICA

Ingeniería QUImica CArtagena

slide3
El grupo Inquica
  • Pilas de combustible microbianas (MFCs)
    • Estimación de su potencial
    • Desarrollo histórico
    • Estado de la tecnología
    • Tendencias y campos de aplicación
    • Reacciones anódicas principales
  • Tipos de MFCs
  • El proyecto Pedasur
  • Índices de rendimiento
  • Resultados actuales. Otros tests
  • Propuesta de diseño UPCT
slide4

Pilas de Combustible Microbianas

Sistemas bioelectroquímicos capaces de producir ciertas cantidades de energía mediante la depuración eficaz de aguas residuales

e-

e-

V

Microorganismos

Tampón

fosfato

c

á

t

o

d

o

á

n

o

d

o

H2O

Agua

residual

H+

Materia

orgánica

O2

Membrana de

intercambio iónico

4H++4e- + O2 2H2O

slide5

Estimación del potencial

21.9 Hm3/año

Cartagena:

200000 habitantes

a 300 L/persona/dia

Carga media = 0.6 g DBO5/L

a 14.6 kJ/g-DBO5

Consumo

vivienda :

media

1.5 kW

6.1 MW

Eficiencia: 85%

4 habitantes/casa

14000 habitantes

(7% de la población)

3500 viviendas

(Cálculos adaptados de Levin et al., Int.J.Hydrogen Energy, 2004, 29, 173-185)

slide7

P = V·I

Anodos en

“cepillo”

Logan et al.

79 W/m3

Univ. Pennsylvania

EEUU

2007

2006

Angenent et al.

20 W/m3

MFC tubular con

cátodo en “U”

Univ. St. Louis

EEUU

MFC tubular

con mediadores (*)

Rabaey et al.

20 W/m3

2005

Univ. Gante

Bélgica

MFCs de

cámara simple

2003

Varios autores

0.5 – 2 W/m3

MFCs de

doble cámara

(*) La producción energética máxima, de 143 W/m3 , se obtuvo en estos estudios, usando

glucosa como combustible, ferricianuro como catolito y microorganismos preseleccionados

2001

Estado de la Tecnología

slide8

Tendencias de la tecnología

y campos de aplicación

  • TENDENCIAS
  • Reducción de costes
  • (ánodos, cátodos, membranas)
  • Diseños mas eficaces
  • Modelización
  • Microbiología
  • CAMPOS DE APLICACIÓN:
  • Industria procesadora de alimentos (conservera)
  • Depuración de aguas residuales urbanas
  • Piscifactorias y granjas de animales
  • Plataformas petroliferas
  • Buques oceanográficos y submarinos
  • Industria aeroespacial
slide9

Reacciones anódicas

METANOGÉNESIS

p.ej.: Methanobrevibacter smithii

Methanobacterium thermoautotrophicum

ACETOGÉNESIS

p.ej. Syntrophomonas wolfeii

Syntrophobacter wolini

Acetobacterium woodii

Clostridium aceticum

CO2 + H2

Metano

+

METANOGÉNESIS

p.ej. Methanosarcina barkerii

Methanotrix soebugenii

Acetico

VFAs

ACIDOGÉNEIS

p.ej.: Clostridium butyricum

Propionibacterium

OXIDACIÓN ANODOFILICA

Aminoácidos

Ácidos grasos

Glucosa

Carbohidratos

Lípidos

Proteínas

HIDRÓLISIS

e-

+ CO2 + H+

Enzimas

extracelulares

OXIDACIÓN ANODOFILICA

p.ej.: Shewanella putrefaciens,

Geobacter metallireducens y sulfureducens

Rodoferax ferrireducens, Aeromonas hydrophilla

slide10

A

C

B

Tipos de MFCs

D

Continuas de doble cámara

Discontinuas de doble cámara

Tubulares

Continuas de cámara simple

slide11

Tipos de MFCs

V = 12 V

P= 0.5 kW

DQO = 5000 mg/L

Sin cámaras para sedimentos

Planta Piloto (ánodos de cepillo)

slide12

El Proyecto PEDASUR

  • GENERALES:
    • Evaluación la tecnología con aguas del sureste español.
    • Consolidación de nueva línea de investigación (financiación privada y pública)
  • PARTICULARES:
    • Construcción, comisionado, puesta en marcha y evaluación de reactores experimentales
    • Estudio de materiales alternativos de coste reducido
    • Estudio de condiciones de operación y variables de diseño en su relación con la eficiencia del sistema
    • Modelización del proceso; estudio de cambio de escala
    • Pilas en continuo y planta piloto
slide14

Índices de rendimiento

  • Máxima potencia instantánea
  • Eficiencia coulómbica
  • Porcentaje de eliminación de DQO
  • SST, SSV, COT
  • pH, ácidos grasos volátiles (VFA)
  • Análisis de diversidad microbiana
slide15

Numero de bandas

  • Intensidad de las bandas
  • Posición de las bandas

Diversidad

microbiana

Índices de rendimiento

Análisis de la diversidad microbiana

Kit de purificación

y protocolo

Enzima + nucleótidos+

tampón + cebador 16S rRNA

DNA purificado

2.- PCR (Polymerase Chain Reaction)

1.- Extracción del DNA de las bacterias

Fragmentos

de DNA

específicos

amplificados

ANODO

DNA separado en

bandas según tamaños

3.- DGGE (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis)

Permite discernir si un determinado tratamiento tiene un efecto seleccionador sobre la comunidad microbiana anódica

slide16

papel

grafito

esponja

fieltro

tela

RVC

Resultados: materiales anódicos

slide17

F

C1

C2

F1

F2

M

G1

G2

P1

P2

M

R1

R2

S1

S2

M

Ve

M

C

M

Estudio de materiales para el ánodo

Grafito y tela de carbono muestra el mejor compromiso entre propiedades y coste

slide18

Estudio de materiales para el cátodo

  • Propiedades catalíticas deseadas en el material:
    • Transporte de O2
    • Centros activos reductores del O2
    • Coste reducido
  • Materiales prometedores: porfirinas
slide19

Estudio de materiales para el cátodo

Pt = Pt/Ti

FePc = Ftalcianina de Fe

CoTMPP = Porfirina de Co

FeTMPP = Porfirina de Fe

KB = carbon Ketjen

Evaluación del rendimiento:

slide20

Estudio de materiales para el cátodo

Comparación provisional:

Futuros tests:

  • Variación de la carga de metal en el catalizador
  • Otros catalizadores: MnOx , perovskitas, espinelas, piroclorina y otras porfirinas
  • Estudio cinético en semipilas: voltametria de barrido lineal y cíclica
otras reas
Otras áreas:
  • Evaluación de distintos oxidantes catódicos
  • Análisis de la influencia de distintas temperaturas sobre el proceso
  • Estudios de impedancia
  • Pilas en contínuo; balance de materia
slide22

membrane

(nafion

o nada)

Wastewater

intlet

Air

outlet

separation

plate

(PE o PP)

biofilm

perforated

separation plate

(PE o PP)

H+

O2

H+

Wastewater

outlet

Air

intlet

catodo

(porfirinas??

anodo

(filamentos de

C-cloth en forma

de manta)

Canal

Catódico

(Aire o H2O2 en

recirculación??)

Canal

anódico

Diseño UPCT

La configuración en espiral tiene ventajas: es mas compacta, tiene alta superficie especifica, mayores coeficientes de transferencia,…

slide23

Gracias

Plantas nómadas. Gilberto Esparza (Méjico)