Development and optimization of microbial fuel cells

Abstract

A microbial fuel cell (MFC) is an electrochemical system designed for wastewater treatment, with simultaneous electrical current generation. The chemical energy contained in an organic wastewater is converted to electricity through electrochemically active microorganisms. MFCs consist of an anode where the electron donor (organic wastewater) is oxidized and a cathode where an electron acceptor is being reduced. MFC configurations can be divided based on the presence of a cathode chamber to dual chamber and single chamber MFCs. In this research, single chamber, four-air cathode, MFCs were constructed and operated using a variety of different cost-efficient materials. Initially, experiments were conducted using synthetic glucose medium as the organic wastewater, in order to compare the performance of the material combinations. The highest power density achieved by a single chamber MFC was 14.2 W/m3, with graphite granules and a graphite rod as anode and four air cathode electrodes (Plexiglas – Gore-Tex – MnO2). Notable results were obtained from the MFC operating with ceramic cathode electrodes (Mullite – MnO2) and graphite granules with a graphite rod as anode, peaking at 5.5 W/m3 power output. Afterwards, the MFC assemblies that achieved the best performance in terms of current output and efficient wastewater treatment were operated with different substrates originating from household food waste. The effect of each feedstock on the MFC operation was investigated, using FORBI (Food residue biomass) leachate, condensed vapors from dried household food waste (condensate), anaerobic digestion reactors effluents (digestate) and cheese whey (originating from a dark fermentation process). The single chamber MFCs were operated in both batch and continuous modes. Additionally, dual chamber MFCs were operated to investigate the recovery of heavy metals. In this work the integration of the MFC technology in the recovery of heavy metals from end of life (EoL) photovoltaic panels (PVP) was examined. Following a proposed EoL PVP recycling process, which included mechanical, thermal and chemical processing of the PVPs, a chemical extract containing the heavy metals of the PVP solar cell / thin film was generated. Initially synthetic cathode solutions containing silver and indium were tested. Afterwards, the chemical extract originating from 2nd generation EoL PVP was used in the MFC cathode, to study the metal recovery. Silver recovery was high in the cases studied (>93%), with silver depositions on the cathode electrode and sediments in the cathode chamber. Additionally, the maximum power density obtained was 0.8 W/m3 corresponding to a silver reaction rate of 2.65 g Ag/h/m2. Indium recovery up to 96% was achieved during the synthetic indium wastewater experiments, with a maximum power density of 0.17 W/m3. On the other hand, during indium recovery from the EoL 2nd generation PVP chemical extract, a higher power output was recorded (3.5 W/m3), with indium depositions (oxides) on the cathode electrode, corresponding to 87% recovery. To further examine the MFC performance a 2D model simulating the operation of a dual chamber MFC was developed. The MFC technology was investigated experimentally and computationally in order to optimize the performance of this beneficial and environmentally friendly way to treat wastewater.

Η μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου (MΚΚ) είναι ένα ηλεκτροχημικό σύστημα σχεδιασμένο για την επεξεργασία λυμάτων, με ταυτόχρονη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η χημική ενέργεια που περιέχεται σε ένα οργανικό απόβλητο μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ηλεκτροχημικά ενεργών μικροοργανισμών. Οι ΜΚΚ αποτελούνται από μια άνοδο όπου ο δότης ηλεκτρονίων (οργανικά λύματα) οξειδώνεται και μια κάθοδο όπου ένας δέκτης ηλεκτρονίων ανάγεται. Οι διατάξεις ΜΚΚ μπορούν να χωριστούν με βάση την παρουσία ενός θαλάμου καθόδου σε MFC διπλού θαλάμου και ενός θαλάμου. Σε αυτή την διατριβή, κατασκευάστηκαν και λειτουργήθηκαν ΜΚΚ ενός θαλάμου, τεσσάρων καθοδικών ηλεκτροδίων (αναγωγή οξυγόνου), χρησιμοποιώντας μια ποικιλία οικονομικά αποδοτικών υλικών. Αρχικά, διεξήχθησαν πειράματα χρησιμοποιώντας συνθετικό απόβλητο γλυκόζης, προκειμένου να συγκριθεί η απόδοση των διαφορετικών συνδυασμών υλικών. Η υψηλότερη πυκνότητα ισχύος που επιτεύχθηκε από μια ΜΚΚ ενός θαλάμου ήταν 14,2 W/m3, με κόκκους γραφίτη και μια ράβδο γραφίτη ως άνοδο και τέσσερα ηλεκτρόδια καθόδου (Plexiglas – Gore-Tex – MnO2). Αξιοσημείωτα αποτελέσματα λήφθηκαν από την ΜΚΚ που λειτούργησε με κεραμεικά ηλεκτρόδια καθόδου (Mullite – MnO2) και κόκκους γραφίτη με ράβδο γραφίτη ως άνοδο, με μέγιστη ισχύ 5,5 W/m3.Στη συνέχεια, οι κυψελίδες ενός θαλάμου που πέτυχαν την καλύτερη απόδοση όσον αφορά την πυκνότητα ρεύματος και την αποτελεσματική επεξεργασία των λυμάτων, λειτούργησαν με διαφορετικά υποστρώματα που προέρχονται από οικιακά απορρίμματα τροφίμων. Η επίδραση κάθε πρώτης ύλης στη λειτουργία των ΜΚΚ διερευνήθηκε, χρησιμοποιώντας εκχύλισμα FORBI (Βιομάζα υπολειμμάτων τροφίμων), συμπυκνωμένους ατμούς από αποξηραμένα οικιακά απορρίμματα τροφίμων (συμπύκνωμα), λύματα αντιδραστήρων αναερόβιας χώνευσης (εκροή) και ορό γάλακτος (που προέρχεται από διαδικασία σκοτεινής ζύμωσης). Οι ΜΚΚ ενός θαλάμου λειτούργησαν σε συνθήκες διαλείποντος έργου και συνεχούς λειτουργίας.Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν ΜΚΚ διπλού θαλάμου για τη διερεύνηση της ανάκτησης βαρέων μετάλλων. Σε αυτή την εργασία εξετάστηκε η ενσωμάτωση της τεχνολογίας ΜΚΚ στην ανάκτηση βαρέων μετάλλων από φωτοβολταϊκά πάνελ (PVP) τέλους κύκλου ζωής (EoL). Μετά από μια προτεινόμενη διαδικασία ανακύκλωσης EoL PVP, η οποία περιελάμβανε μηχανική, θερμική και χημική επεξεργασία των PVP, δημιουργήθηκε ένα χημικό εκχύλισμα που περιέχει τα βαρέα μέταλλα της ηλιακής κυψέλης PVP / λεπτού υμενίου. Αρχικά δοκιμάστηκαν συνθετικά διαλύματα καθόδου που περιείχαν άργυρο και ίνδιο. Στη συνέχεια, το χημικό εκχύλισμα που προέρχεται από 2ης γενιάς EoL PVP χρησιμοποιήθηκε στην κάθοδο MFC, για τη μελέτη της ανάκτησης μετάλλων. Η ανάκτηση αργύρου ήταν υψηλή στις περιπτώσεις που μελετήθηκαν (>93%), με εναποθέσεις αργύρου στο ηλεκτρόδιο της καθόδου και ιζήματα στον θάλαμο της καθόδου. Επιπροσθέτως, η μέγιστη πυκνότητα ισχύος που λήφθηκε ήταν 0,8 W/m3 που αντιστοιχεί σε ρυθμό αναγωγής αργύρου 2,65 g Ag/h/m2. Η ανάκτηση του ινδίου έως και 96% επιτεύχθηκε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων με συνθετικά λύματα με ινδίου, με μέγιστη πυκνότητα ισχύος 0,17 W/m3. Από την άλλη πλευρά, κατά την ανάκτηση ινδίου από το χημικό εκχύλισμα PVP EoL 2ης γενιάς, καταγράφηκε υψηλότερη ισχύς εξόδου (3,5 W/m3), με εναποθέσεις ινδίου (οξείδια) στο ηλεκτρόδιο της καθόδου, που αντιστοιχεί σε ανάκτηση 87%. Για να εξεταστεί περαιτέρω η απόδοση των ΜΚΚ αναπτύχθηκε ένα μοντέλο 2D που προσομοιώνει τη λειτουργία μιας MΚΚ διπλού θαλάμου. Η τεχνολογία ΜΚΚ διερευνήθηκε πειραματικά και υπολογιστικά προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η απόδοση αυτού του ευεργετικού και φιλικού προς το περιβάλλον τρόπου επεξεργασίας των λυμάτων.