Modelagem e investigação experimental do efeito da fonte de carbono no desempenho de células a combustível microbianas tubulares

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11070 (2023) Citar este artigo

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As células de combustível microbianas (MFCs) servem dois propósitos principais: produção de energia limpa e tratamento de águas residuais. Este estudo examina o impacto de diferentes fontes de carbono no desempenho do MFC e desenvolve um modelo matemático para replicar a curva de polarização. O reator biológico empregou três tipos de fontes de carbono: glicose como alimentação simples, celulose microcristalina (MCC) e uma pasta do componente orgânico dos resíduos sólidos urbanos (SOMSW) como alimentação complexa. Os MFCs foram operados nos modos de circuito aberto e fechado. As tensões máximas de circuito aberto alcançadas foram 695 mV para glicose, 550 mV para MCC e 520 mV para SOMSW como substratos. A influência do substrato no modo de circuito fechado também foi investigada, resultando em densidades de potência máximas de 172 mW/m2, 55,5 mW/m2 e 47,9 mW/m2 para glicose, MCC e SOMSW como substratos, respectivamente. Na segunda seção, foi desenvolvido um modelo matemático para representar a curva de polarização considerando perdas de tensão, nomeadamente perda de ativação, ôhmica e concentração, com erro relativo médio (ARE) inferior a 10%. Os modelos matemáticos demonstraram que a perda de tensão de ativação aumentou com a complexidade do substrato e atingiu seu valor de pico quando o SOMSW foi utilizado como substrato.

Nas últimas décadas, a procura global de energia testemunhou um aumento substancial, impulsionado principalmente pelo crescimento populacional e pelos avanços industriais. Actualmente, a maioria das necessidades energéticas é satisfeita através da forte dependência de recursos finitos de combustíveis fósseis, como o gás, o petróleo e o carvão. À medida que o consumo de energia continua a aumentar, tem havido uma competição crescente entre os cientistas para descobrir uma alternativa energética renovável, amiga do ambiente e fiável. É imperativo abordar estas preocupações, uma vez que as fontes de combustíveis fósseis não são apenas finitas, mas também ambientalmente insustentáveis. Além dos desafios relacionados com a energia, as crescentes apreensões relativamente à emissão de gases com efeito de estufa, especialmente CO2, têm merecido um escrutínio mais rigoroso1. Portanto, extensos esforços de investigação têm sido direcionados para a exploração de combustíveis alternativos, como a energia nuclear e renovável, para mitigar a dependência mundial dos combustíveis fósseis. A ênfase está na identificação de opções energéticas amigas do ambiente que dependem de fontes renováveis2,3,4. Embora a energia nuclear tenha sido considerada uma alternativa, a sua disponibilidade de recursos é limitada e a eliminação eficaz de resíduos continua a ser um desafio importante5. Como resultado, as fontes de energia renováveis ​​que oferecem descarga mínima ou nula de resíduos têm atraído atenção significativa na comunidade científica.

As células a combustível microbianas (MFCs) são um tipo distinto de célula a combustível que emprega microrganismos como biocatalisadores, convertendo matéria orgânica em eletricidade, facilitando a transferência de elétrons e prótons. Ao contrário das células de combustível convencionais que dependem de catalisadores caros, os MFCs utilizam microorganismos dentro da câmara anódica. Os elétrons gerados por esses microrganismos chegam ao eletrodo anódico, seja por meio de um mediador ou por transformação direta por meio de nanofios ou biofilmes, antes de serem transferidos para a superfície do cátodo por meio de um circuito externo. No caso de MFCs de câmara única sem membrana (SCMFCs), os prótons permeiam o anólito para alcançar o eletrodo catódico. No cátodo, as moléculas de oxigênio sofrem redução, resultando na produção de água1. No entanto, apesar dos benefícios potenciais dos MFCs, vários desafios críticos impedem a sua aplicação generalizada em cenários do mundo real. Estes desafios incluem a eficiência da geração de eletricidade, os custos de materiais associados aos eletrodos e separadores, a necessidade de simplicidade e viabilidade no projeto e operação, bem como os custos de manutenção e a viabilidade geral. Para superar essas barreiras, a adoção de MFCs tem sido considerada uma alternativa promissora à tradicional produção de energia baseada em combustíveis fósseis. Consequentemente, esforços substanciais foram dedicados ao longo das últimas duas décadas para enfrentar um ou mais destes desafios e melhorar a aplicabilidade prática dos MFCs. Diferentes condições de operação6,7,8 e materiais separados de ânodo e cátodo9,10, ânodo modificado ou eletrodo catódico11, processo de fluxo (batelada e contínuo)2 e tipo microbiano12,13,14,15,16 foram estudados para alcançar alta produção de energia em MFCs. Material de eletrodo anódico de baixo custo (por exemplo, malha de aço inoxidável17), o separador (por exemplo, pano de lona18) e biocátodo (eletrodo catódico sem catalisador metálico19) foram usados ​​para diminuir o custo inicial em MFCs. Diferentes estruturas de MFC20,21 foram estudadas para projetar MFCs com estruturas simples e de fácil manutenção. Até agora, dois tipos de MFCs tubulares têm sido utilizados, fluxo ascendente (vertical)22 e horizontal20. Os MFCs tubulares podem ser usados ​​em aplicações reais de produção de eletricidade e tratamento de águas residuais para fácil manutenção e características estruturais (por exemplo, sem beco sem saída no modo contínuo). Mesmo nos tipos tubulares, o custo de produção de energia elétrica ainda é elevado e injustificável, o que tem limitado a sua aplicação até o momento.