COMPORTAMENTO DE UMA CÉLULA COMBUSTÍVEL MICROBIOLÓGICA FRENTE SUBSTITUIÇÃO DE ACEPTOR DE ELETRONS NA GERAÇÃO DE ENERGIA

Área

Tecnologia de biocombustíveis e energias alternativas

Autores

Branco, R.P. (FURG) ; de Souza, T.D. (FURG) ; Ogrodowski, C.S. (FURG)

Resumo

Acompanhamos o comportamento de uma célula combustível microbiológica (CCM) na geração de energia frente à redução da concentração de K3Fe(CN)6 e substituição por fluxo de ar no compartimento catódico. Para isso, se reduziu a concentração de K3Fe(CN)6 de 50 mM para 25 mM, e após apenas H2O; todos os ensaios foram mantidos sob fluxo de ar constante. A diferença de potencial foi verificada e as curvas de polarização foram plotadas. Observamos que a redução da K3Fe(CN)6 promove diminuição na densidade de potência em 77,8% quando utilizada a concentração de 25 mM e 96,8% para apenas H2O. Assim, embora a substituição de K3Fe(CN)6 seja importante para reduzir o impacto ambiental, ainda são necessários estudos com outros aceptores de elétrons para manter a eficiência da CCM.

Palavras chaves

compartimento cátodico; ferricianeto de potássio; fluxo de ar

Introdução

A necessidade da sociedade atual é desenvolver tecnologias que reduzam o impacto ambiental, substituindo e/ou minimizando o uso dos combustíveis fósseis. Uma alternativa para esta substituição são as células combustíveis microbiológicas (CCM) que surgiram como uma promissora tecnologia, que une a geração de eletricidade com o tratamento de efluentes (TELEKEN et al., 2017; WANG et al., 2013). A CCM converte substratos orgânicos em eletricidade por intermédio da atividade metabólica dos microrganismos, podendo fazer uso de efluentes industriais e domésticos como combustíveis (RABAEY e VERSTRAETE, 2005). Os microrganismos responsáveis pela redução da matéria orgânica e a transferência de elétrons produzidos durante seu metabolismo celular são denominados exoeletrogênicos (LOGAN, 2008). Para o transporte dos elétrons é necessário um aceptor em contato com o eletrodo catódico, denominado aceptor terminal de elétrons (LOGAN, 2008). A geração da bioenergia produz corrente contínua devido ao fluxo de elétrons que advém da reação de oxirredução (LOGAN, 2008). O potencial de oxidação desta substância determina sua eficiência como aceptor de elétrons, sendo o oxigênio (O2) o mais comumente utilizado, seguido por ferricianeto Fe(CN)63-. O O2 apresenta os melhores resultados teóricos de diferença de potencial (DDP) que o ferricianeto, no entanto este alcança os melhores resultados práticos devido a seu maior potencial de oxidação que o O2 (LOGAN, 2008). Neste trabalho avaliamos o comportamento da geração de energia elétrica da CCM, inoculada com microrganismos provenientes do sedimento de dragagem do Porto de Rio Grande, frente à redução da concentração de K3Fe(CN)6 e substituição por fluxo de ar no compartimento catódico.

Material e métodos

A CCM foi confeccionada com placas de acrílico com volume total de 2 L, sendo 50% dedicados ao ânodo e 50% destinados ao cátodo. Os compartimentos foram separados por uma membrana catiônica. A CCM foi mantida em câmara termostatizada à 25 ºC e o pH do compartimento anódico ajustado entre 7,5 e 8,3. A CCM foi inoculada com 70% sedimento do estuário da Lagoa dos Patos e o restante com meio de cultivo sintético (DE SÁ et al., 2017). Como fonte de carbono, utilizou-se CH3COOH 10 g/L. O compartimento catódico do reator foi preenchido com uma solução de ferricianeto de potássio K3Fe(CN)6 50 mM, juntamente com aeração provinda de um compressor de ar (RISHENG RS-2800). A DDP foi acompanhada através de eletrodos conectados a uma Protoboard, ligada a uma resistência externa e ao Arduino® conectado ao computador. Com a estabilização da voltagem produzida no reator, realizou-se a redução na concentração de K3Fe(CN)6. O experimento teve início com K3Fe(CN)6 50 mM e após 17 dias reduziu-se para 25 mM, por fim no mesmo intervalo de tempo, utilizou-se apenas H2O destilada. O fluxo de ar foi mantido constante em 0,002 m3/s para todos os experimentos. Após a redução de K3Fe(CN)6 realizou- se a curva de polarização (0,022 Ω - 10kΩ), representada pelo plotagem dos valores de corrente elétrica em função da DDP.

Resultado e discussão

Os valores de DDP máxima durante a redução do ferricianeto de potássio foram de 0,54, 0,57 e 0,14 V para as concentrações de 50 mM, 25 mM de K3Fe(CN)6 e H2O, respectivamente. Pode-se perceber que a redução da concentração de K3Fe(CN)6 à 25 mM não apresentou impacto sobre a DDP gerada pela CCM. Entretanto, com a utilização de H2O como aceptor de elétrons, onde somente o O2 é responsável por toda a DDP gerada, reduziu a DDP em 3,9 vezes. De acordo com Logan (2008), os valores de DDP em CCM com oxigênio como aceptor de elétrons são, na prática, inferiores aos de K3Fe(CN)6, o que foi comprovado neste estudo. As curvas de polarização são utilizadas para determinar qual a resistência externa representa a densidade de potência máxima na CCM (Figura 1). A maior densidade de potência atingida com H2O foi de 10,79 mW/m2 para resistência externa de 120 Ω e com K3Fe(CN)6 25 mM foi de 212,58 mW/m2 para 56 Ω. Este valor quando comparado com os resultados da literatura de densidade de potência 335,32 mW/m2 (BRANCO, et. al, 2020), apresentaram redução de 96,8% na densidade de potência da mesma CCM operada com K3Fe(CN)6 50 mM e em 77,8% quando utilizada a concentração de 25 mM.

Curva de polarização na ausência de ferricianeto de potássio no compartimento catódico.

Conclusões

A redução e/ou substituição de K3Fe(CN)6 utilizado no compartimento catódico é importante para diminuir os danos ao meio ambiente e a exposição dos operadores da CCM a este composto. Embora, neste estudo a condição de K3Fe(CN)6 25 mM seja mais satisfatória, e represente uma redução de 50% na concentração comumente utilizada, ainda são necessários estudos com outros aceptores de elétrons para manter a eficiência da CCM.

Agradecimentos

Agradeço à CNPQ pelo fomento, à FURG pelo espaço e ao laboratório, no nome da professora Christiane Ogrodowski pelo espaço e apoio.

Referências

BRANCO RP, et al. Avaliação da resistência externa na geração de energia elétrica por célula combustível microbiológica. Brazilian Journal of Development, v. 2, p. 5840-5847, 2020.
DE SÁ et al. Anode air exposure during microbial fuel cell operation inoculated with marine sediment. Journal of Environmental Chemical Engineering, v. 5, p. 1821-1827, 2017.
LOGAN, B. E. Microbial fuel cells. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2008.
RABAEY, K.; VERSTRAETE, W. Microbial fuel cells: novel biotechnology for energy generation. Trends in Biotechnology. n. 23, p. 291-298, jun. 2005.
TELEKEN et al. Mathematical Modeling of the Electric Current Generation in a Microbial Fuel Cell Inoculated with Marine Sediment. Journal of Chemical Engineering, v. 34, n. 01, p. 211-225, 2017.
WANG et al. Power production from different types of sewage sludge using microbial fuel cells: A comparative study with energetic and microbiological perspectives. Journal of Power Sources, v. 235, p. 280-288, 2013.