Estudio del desempeño electroquímico y microbiológico para un diseño de CCM tipo PEM en cuatro fases [recurso electrónico] / Diana Estela Sánchez Herrera

Tesis (Maestría en Ciencias en Energía Renovable) .-- Centro de Investigación Científica de Yucatán, 2011.

Una de las aplicaciones de las CCM es la generación de energía eléctrica a partir de sustratos orgánicos, empleando microorganismos como biocatalizadores, además permiten el tratamiento de aguas residuales de altas o bajas cargas orgánicas, dado a eficiencias de hasta un 99 por ciento en remoción. El presente estudio evalúa el desempeño de una CCM tipo PEM y la evolución de la composición de la biopelícula establecida en el ánodo. Se elaboraron nueve celdas: cuatro para análisis electroquímicos, cuatro para análisis de microscopía electrónica de barrido y una blanco (sin inóculo). Se implementó el mismo inóculo mixto y modo de operación (Semi batch, alimentación cada 24 hrs con acetato y agua residual sintética). La evaluación del desempeño se determinó mediante densidades de corriente y potencia, y pruebas electroquímicas (voltametria cíclica e impedancia), empleando un potenciostato BioLogic, modelo VSP (Science Instruments) y software EC-Lab® (Versión 10.18). La demanda química de oxigeno se determinó de acuerdo a la APHA. Se tomaron fotomicrografías de microscopía, mediante un microscopio electrónico de barrido de presión variable marca Jeol, modelo JSM-6360 LV; empleando la técnica según Bretschger (2008). Los resultados obtenidos demuestran una tendencia del sistema hacia el incremento en la densidad de potencia (15.32-68.28 W/m2) y la densidad de corriente (210.88-347 mA/m2). Se observa estabilidad en el potencial a circuito abierto (520-704 mV). La tendencia en la disminución de la resistencia interna del sistema en media celda de la fase II a la fase IV (10.4-4.5 ? ? cm2), comprueba teorías previas que atribuyen dicho patrón al establecimiento de biopelículas bioelectroquímicamente activas, permitiendo una mejor transferencia de electrones en el sistema. Los estudios de voltametria cíclica (VC) comprueban la actividad electroquímica de la cámara anódica, la biopelícula y el anolito. Se atribuye la transferencia de electrones de manera indirecta por presencia de mediadores redox exógenos en el anolito y directa por la actividad electroquímica reportada en el caso de la biopelícula en la última fase de análisis (fase IV). Las fotomicrografías mostraron un incremento en la diversidad morfológica de los microorganismos, conforme aumenta el tiempo de exposición de la película. En la Fase I (70 días) se observa una dominancia de bacilos, mientras que en la Fase II (84 días) se observa la presencia otras formas. microbianas tales como diplobacilos, cocos, estreptococos y estafilococos; además de apéndices bacterianos (posiblemente nanocables) interconectando células entre sí, y promoviendo la adherencia de las mismas al electrodo. En las fases III y IV se observa un incremento considerable en cuanto a la cantidad de microorganismos y su colonización entre las fibras de electrodo de la cámara anódica. Con base a los resultados previos se concluye que el diseño de CCM planteado es funcional y competitivo en cuanto a las densidades de potencia obtenidas, considerando la ausencia de catalizador en el cátodo, y por la presencia de microorganismos electroquímicamente activos tanto en la biopelícula como en el anolito (como se demuestra en los estudios de VC). La mayoría de las pérdidas energéticas se encontraron relacionadas con las resistencias generadas por los procesos de transferencia de carga, por lo cual se propone la implementación de estrategias para la disminución de la misma, esperando promover un sistema bioelectroquímico más eficiente en cuanto a las densidades de corriente generadas.