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

Resum

Els sistemes bioelectroquímics (BESs) permeten generar electricitat o crear productes d’alt valor afegit en funció del BES utilitzat. A més, permeten netejar les aigües residuals transformant-ne la seva matèria orgànica en energia, gràcies a la presència d’uns microorganismes que permeten intercanviar electrons amb un elèctrode sòlid. En aquesta tesi s’han utilitzat cel·les de combustible microbià (MFC) per a la producció d’electricitat i cel·les d’electròlisi microbiana (MEC) per a la producció d’H2. S’han utilitzat cel·les monocamerals per reduir els requeriments energètics del procés, a més de simplificar-ne el disseny i l’operació. En aquesta tesi, s’han estudiat els dos tipus de cel·les i s’ha volgut optimitzar tots els paràmetres per al seu correcte funcionament i una possible implementació a escala real. Per això, s’han avaluat diferents tipus de càtode en una MFC. Aquest tipus de cel·les necessita un càtode a l’aire amb diferents capes de difusió que permeti l’entrada d’oxigen de l’exterior de la cel·la alhora que evita fuites del medi mineral. Es va determinar que, en utilitzar resistències externes baixes per tancar el circuit, concretament de 10Ω, el nombre òptim de capes de difusió de gas era de dos, aconseguint valors de densitat de corrent de fins a 0,74 mA/cm2. Aquest valor va ser més del 20% inferior que l’obtingut amb la cel·la amb càtode d’una capa de difusió de gas, que presentava massa fuites de medi mineral perquè el seu rendiment fos constant al temps. Així, es va observar que, a menor nombre de capes de difusió de gas, menys resistència presentava la cel·la i, per tant, generava més densitat de corrent, però en no utilitzar cap capa de difusió o només una capa es produïen fugues de medi mineral notable. Contrariament, quan s’utilitzaven resistències altes, concretament de 249Ω, la densitat de corrent de totes era similar (valors de gairebé 0,3 mA/cm2), per la qual cosa no afectava el nombre de capes de difusió de gas.. Per contra, les MEC no necessiten la presència d’un càtode d’aire per al seu funcionament, però si necessiten la presència d’un catalitzador per generar H2. Per això, es va estudiar tant el material que componia el càtode, com el catalitzador a utilitzar i la tècnica de deposició sobre l’elèctrode. Es va observar que el càtode més eficaç és el de feltre de carboni, amb el catalitzador de Pt@rGO, obtenint un 43 % més de densitat de corrent que les tintes comercials que contenen 10 % platí i 90 % carboni. Per contra, si el catalitzador que es pretén utilitzar vol ser diferent del Pt per estalviar en costos, el catalitzador amb més rendiment va correspondre al Ni64Fe18Mo18, on els subíndexs corresponen al percentatge d’aquest metall que conté el catalitzador, el qual va obtenir valors de densitat de corrent de més de 1,0 mA/cm2. A més, es va observar que les tècniques de deposició de Pt d’esprai i electroesprai van obtenir més rendiment que les tècniques de Dr. Blade, brush painting o sputtering, degut a que aquests elèctrodes presentaven més área electroactiva. Finalment, per a ambdós tipus de BES es van estudiar diferents materials anòdics, tant de base de carboni comercials com d’acer inoxidable. S’ha comprovat que els ànodes amb més rendiment són aquells que presenten una major àrea geomètrica i electroactiva, i aquests són un elèctrode circular d’acer inoxidable, obtenint valors de més de 8 mA i producció d’H2 d’1,2 m3 H2/m3d, un escobilló de fibres de carboni, obtenint valors de gairebé 8 mA i producció d’H2 d’1,04 m3 H2/m3d i un elèctrode circular de feltre de carboni, obtenint valors de més de 7 mA y producció d’ H2 de 0,92 m3 H2/m3d.