Análisis de las prestaciones de nuevos materiales para su implementación en sistemas bioelectroquímicos

Resumen

Los sistemas bioelectroquímicos (BES) permiten generar electricidad o crear productos de alto valor añadido en función del BES utilizado. Además, permiten limpiar las aguas residuales transformando su materia orgánica en energía, gracias a la presencia de microorganismos que permiten intercambiar electrones con un electrodo sólido. En esta tesis se han utilizado celdas de combustible microbiano (MFC) para la producción de electricidad y celdas de electrólisis microbiana (MEC) para la producción de H2. Se han utilizado celdas monocamerales para reducir los requerimientos energéticos del proceso, además de simplificar su diseño y operación. En esta tesis, se han estudiado ambos tipos de celdas y se ha pretendido optimizar todos los parámetros para su correcto funcionamiento y una posible implementación a escala real. Para ello, se han evaluado diferentes tipos de cátodo en MFC. Este tipo de celdas necesita un cátodo-al-aire con distintas capas de difusión que permita la entrada de oxígeno del exterior de la celda, a la vez que evita fugas del medio mineral. Se determinó que, al utilizar resistencias externas bajas para cerrar el circuito, concretamente de 10, el número óptimo de capas de difusión de gas era de dos, alcanzando valores de densidad de corriente de hasta 0,74 mA/cm2. Este valor fue más del 20% inferior que el obtenido con la celda con cátodo de una capa de difusión de gas, que presentaba demasiadas fugas de medio mineral como para que su rendimiento fuera constante en el tiempo. Así, se observó que, a menor número de capas de difusión de gas, menos resistencia presentaba la celda y, por tanto, generaba mayor densidad de corriente, pero al no utilizar ninguna capa de difusión o solo una capa se producían fugas de medio mineral notable. Por el contrario, cuando se utilizaban resistencias externas altas, concretamente de 249, la densidad de corriente de todas ellas era similar (valores de casi 0,3 mA/cm2), por lo que no afectaba el número de capas de difusión de gas. Por el contrario, las MEC no necesitan la presencia de un cátodo al aire para su funcionamiento, pero si necesitan la presencia de un catalizador para la generación de H2. Por ese motivo, se estudió tanto el material que componía el cátodo, como el catalizador a utilizar y la técnica de deposición sobre el electrodo. Se observó que el cátodo más eficaz era el de fieltro de carbono, con el catalizador de Pt@rGO, obteniendo un 43% más de densidad de corriente que las tintas comerciales. Por el contrario, si el catalizador que se pretende utilizar quiere ser diferente al Pt para ahorrar en costes, el catalizador con mayor rendimiento correspondió al Ni64Fe18Mo18, el cual obtuvo valores de densidad de corriente de más de 1,0 mA/cm2. Asimismo, se observó que las técnicas de deposición de Pt de espray y electroespray obtuvieron mayor rendimiento en comparación con las técnicas de Dr. Blade, brush painting o sputtering, además de que permiten aprovechar casi la totalidad de la tinta a utilizar. Finalmente, para ambos tipos de BES se estudiaron diferentes materiales anódicos, tanto de base de carbono comerciales, como de acero inoxidable. Se ha comprobado que los ánodos con mayor rendimiento son aquellos que presentan una mayor área geométrica y electroactiva, siendo estos un electrodo circular de acero inoxidable, obteniendo valores de más de 8 mA y producción de H2 de 1,2 m3 H2/m3d, un cepillo de fibras de carbono, obteniendo valores de casi 8 mA y producción de H2 de 1,04 m3 H2/m3d y un electrodo circular de fieltro de carbono, obteniendo valores de más de 7 mA y producción de H2 de 0,92 m3 H2/m3d.