Evaluación de grafeno y magnetita como membranas de intercambio de electrones en celdas de combustible microbianas con sustratos orgánicos para producir bioelectricidad

• Autores: Alex Guambo Galarza
• Localización: ACI Avances en Ciencias e Ingenierías, ISSN-e 2528-7788, ISSN 1390-5384, Vol. 13, Nº. 1, 2021 (Ejemplar dedicado a: Volumen 13 Número 1)
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Evaluation of graphene and magnetite as electron exchange membranes in microbial fuel cells with organic substrates to produce bioelectricity
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    En la actualidad los desafíos más importantes del desarrollo energético, es la incorporación de fuentes renovables de energía usando diversas tecnologías, de estos sistemas incluyen diferentes alternativas como es la generación de energía a partir de biomasa. Una forma de estos sistemas de biorreactores electroquímicos catalizados por microorganismos para la generación de formas energéticas usando biomasa como sustrato son las celdas de combustible microbianas (CCMs), que de acuerdo con sus características estructurales producen bioelectricidad conforme se degrada cierto requerimiento nutricional considerado como un contaminante potencial. Sin embargo, los bajos niveles de voltaje y densidad de potencia generados por una CCM limitan su aplicabilidad a gran escala. Esta investigación tiene como objetivo evaluar el grafeno y magnetita como membranas de intercambio de electrones para mejorar la estabilidad de voltaje y eficiencia en la generación de bioelectricidad, utilizando como inóculo suelo de páramo alto andino del Cantón Colta, mediante un sistema de tres conglomerados para obtener una muestra compuesta, de la cual fueron analizadas sus características físico-químicas. El sustrato empleado fue una mezcla 50:50 de frutas (naranja: Citrus sinensis, banano: Musa acuminata L.  y manzana: Pyrus malus L.) y vegetales (arveja: Pisum sativum L., haba: Vicia faba L., zapallo: Cucurbita máxima Duchesne) en estado de descomposición; se analizó su contenido de Carbono, Nitrógeno, Hidrógeno y Azufre. La membrana de grafeno se obtuvo mediante exfoliación directa de óxido de grafito, previamente tratado en baño ultrasónico, sobre un tejido de fibra de carbono, mientras que la magnetita se sintetizó a partir de cloruro férrico y cloruro ferroso. El voltaje generado por las Celdas fue monitoreado durante quince días consecutivos, posteriormente se estimó la eficiencia de los materiales usados como membranas a través de una comparación de densidad de potencia y la degradación de su contenido. El voltaje promedio obtenido por celdas con grafeno fue 131mV, su densidad de potencia de 9,17mW/m2 y una degradación del sustrato de 8.60%  (N), 35.29%  (C), 24.49% (H) y 12,16% (S), mientras que celdas con magnetita consiguieron una degradación de 6.44% (N), 24.05% (C), 19.02% (H) y 11,35% (S) , un voltaje de 14mV y una densidad de potencia de 0,22 mW/m2 concluyendo que la membrana de grafeno tiene mayor rendimiento puesto que logró una  densidad de potencia 42 veces mayor en relación a la magnetita.

  • English

    Currently the most important challenges of energy development is the incorporation of renewable energy sources using various technologies, of these systems includes different alternatives, the generation of energy from biomass is one of them. One form of these microorganism-catalyzed electrochemical bioreactor systems for the generation of energy forms using biomass as a substrate are microbial fuel cells, that according to their structural characteristics, produce bioelectricity as a certain nutritional requirement considered potentially polluting is degraded. However, The low levels of voltage and power density generated in a fuel cell limit their large-scale applicability. This research aims to evaluate graphene and magnetite as electron exchange membranes to improve voltage stability and efficiency in the generation of bioelectricity, for this, representative samples of high Andean moor soil from Canton Colta were taken for its use as inoculum, through a system of three clusters finally obtaining a composite sample. The substrate used was a 50:50 mixture of fruits (orange: Citrus sinensis, banana: Musa acuminata L. and apple: Pyrus malus L.) and vegetables (pea: Pisum sativum L., bean: Vicia faba L., squash: Cucurbita Duchesne maximum) in a decomposed state. Physicochemical characteristics of the inoculum and percentages of Carbon, Nitrogen, Hydrogen and Sulfur of the substrate were analyzed. The graphene membrane was obtained by direct exfoliation of graphite oxide, previously treated in an ultrasonic bath, on a carbon fiber fabric. Magnetite was synthesized from FeCl2 and FeCl3. The voltage values generated by twelve cells were monitored, three for each membrane variation (graphene, magnetite, white and white with magnet) for fifteen consecutive days as a Bach reactor. The results were statistically analyzed taking average values and considering the difference between treatments. The efficiency of the materials used as membranes was established through a comparison of power density and degradation of its content. The average voltage obtained was 131mV given by graphene membrane cells, the power density of 9.17mW / m2 and a substrate degradation of 8.60% (N), 35.29% (C), 24.49% (H) and 12, 16% (S), concluding that the graphene membrane has higher performance since it achieved a power density 42 times higher in relation to magnetite.