Antecedentes de la investigación
La presente investigación se realizó debido a la necesidad de producir energía eléctrica renovable, es decir sin el uso de combustibles fósiles, aprovechando de esta forma la materia orgánica (contaminante) presente en el agua residual, con lo cual aparte de generar bioelectricidad también se contribuye a disminuir los valores de DQO que son un indicativo de contaminación acuática. Por esta razón, se han realizado varias investigaciones con respecto a la obtención de energía eléctrica, mediante celdas de combustible microbianas, para el tratamiento de aguas residuales.
En el año 2008, Alzate, L., Fuentes, C., Álvarez, A., y Sebastián, P., realizaron un estudio titulado: “Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo PEM”, el cual consiste en la elaboración de celdas de combustible microbianas, constituidas por dos cámaras separadas por una membrana de intercambio protónico, se emplearon electrodos de papel carbón y como biocatalizadores para el ánodo utilizaron un inóculo mixto de bacterias anaerobias y como sustrato agua residual doméstica sintética. En este estudio se determinó la influencia de varios factores sobre el rendimiento de la celda de combustible microbiana, como la temperatura y el pH y concluyeron que se obtiene una mejor densidad de potencia a una temperatura de 35 ± 5°C y un pH entre 5-6, además la eficiencia coulómbica obtenida fue de 59,8%, con lo cual se puede concluir que este tipo de tecnología permite generar electricidad y al mismo tiempo degradar la materia orgánica presente en el agua residual.
En el año 2013, se realizó una investigación por parte de Revelo, D., Hurtado, N. & Ruiz, N., titulado “Celdas de combustible microbianas (CCMS): un reto para la remoción de materia orgánica y la generación de energía eléctrica”, en el cual se explica cómo influyen ciertos parámetros como arquitectura de la celda, función microbiana y tipo de sustrato, en el desempeño de una celda de combustible microbiana. Se concluyó que la CCM es una tecnología promisoria para propósitos de generación alternativa de energía, remoción de materia orgánica y biorremediación; sin embargo, para aplicaciones prácticas es necesario mejorar la eficiencia en los procesos bioelectroquímicos y en el desempeño eléctrico. (Buitrón & Pérez, 2011)
Existen varios factores que afectan la eficiencia de la celda de combustible microbiana, uno de ellos es el tipo de sustrato empleado, como se menciona en la investigación realizada por Li Xiao, Tong & He (2013), cuyo estudio se titula “Recovery of Electrical Energy in Microbial Fuel Cells”, en dicha investigación se estudiaron CCMs operadas continuamente y hace referencia a la recuperación de energía eléctrica en CCMs a diferentes escalas, con diferentes sustratos, con o sin membrana de intercambio iónico. En dicho estudio se menciona que los sustratos puros conducen a un mejor rendimiento tanto en la potencia como en la recuperación de energía, debido a esto los compuestos orgánicos son una fuente rica en electrones para la generación de electricidad, razón por la cual son buenos sustratos, en este estudio se eligió un sustrato simple como el acetato ya que presenta vías de degradación simple con menos pérdida
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de energía, y conduce a densidades de potencia más altos que la glucosa; confirmando de esta manera que el acetato es uno de los mejores sustratos para la CCM.
Como se mencionó anteriormente la eficiencia de las CCMs son deficientes, debido a ello se ha tratado de buscar las mejores condiciones de operación, en lo que se refiere a infraestructura de la celda, así como también tipos de microorganismos empleados. Por esta razón desde hace tiempo ha surgido un interés por el estudio de los efectos biológicos de los campos magnéticos en microorganismos, dicha información se puede encontrar en investigaciones realizadas por Moore, R. (1979) y Velizarov, S. (1999), en los cuales se explica las limitaciones, perspectivas y posibilidades que brindan los campos magnético y eléctrico en la biotecnología microbiana.
De acuerdo con esto, en el año 2016, Yin & otros, realizaron un estudio titulado: “Increased electroactive species concentration in anodic biofilm of Geobacter-inoculated microbial fuel cells under static magnetic field”, en el cual plantean que mediante la aplicación de diferentes campos magnéticos (100, 200 y 400 mT) a la cámara anódica de una CCM usando como sustrato una solución de acetato, se logra un aumento en la intensidad de corriente, dicho campo fue colocado de forma paralela al ánodo; en esta investigación se realizó una comparación entre celdas con y sin campo magnético y se pudo comprobar que los mejores resultados se obtuvieron aplicando un campo magnético de 100 mT, esto debido a que hay una mejora en la eficiencia directa en la transferencia de electrones por bacterias Geobacter sulfurreducens.
Previo a esto, en el año 2013, Yin, Huang, Tong, Liu, & Zhang, realizaron un estudio titulado: “Electricity production and electrochemical impedance modeling of microbial fuel cells under static magnetic field”, en dicho estudio se emplearon celdas de combustible de dos cámaras, a las cuales se le aplican campos magnéticos de 0, 100, 200 y 300 mT, y se confirmó que a 100 mT se obtuvo un voltaje estable en menor tiempo en comparación a los otros valores aplicados, por lo tanto lograron determinar un rango óptimo de campo magnético para los microorganismos. Tong & otros (2015), en su estudio: “Application of a weak magnetic field to improve microbial fuel cell performance”, confirmaron dicho comportamiento, mediante la aplicación de un campo magnético de 100 mT, observaron un incremento en la intensidad de corriente, y se concluyó que bajo la aplicación de dicho campo se mejora la actividad bioelectroquímica de los microorganismos.
También en otras investigaciones se ha estudiado el efecto de los campos magnéticos en la formación del biofilm anódico de las CCMs, uno de ellos fue realizado por Zhao, Li, Ren, & Wang, (2016), cuyo estudio se titula: “Effect of static magnetic field on the performances and anode biofilms in microbial fuel cells”, en el cual se estudió el efecto de la aplicación de campos magnéticos estáticos altos y bajos y se concluyó que a valores de intensidad de campo bajos (120 mT-220 mT) se observaron mejores resultados como un incremento en el voltaje, eficiencia coulómbica y remoción de contaminantes, mientras que a campos magnéticos altos ( 360 mT) se observaron efectos negativos en el comportamiento de la CCM, ya que es perjudicial para el crecimiento bacteriano.
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Con lo expuesto anteriormente se evidencia que existen varios estudios sobre el ensamblaje de las CCMs para la generación de electricidad y el tratamiento de aguas residuales, degradando la materia orgánica presente en la misma, pero debido a que no se logran altas eficiencias, se han evaluado varios modelos, modificaciones y variación en las condiciones de las celdas y sus componentes, razón por la cual en esta investigación se planteó un modelo de CCM tipo batch, a la cual se aplicó un campo magnético de 95 mT para mejorar la intensidad de corriente y la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual doméstica.
Fundamentación Teórica Aguas Residuales.
Se define como el tipo de agua procedente del empleo de un agua natural o de la red en un uso determinado, contienen gran variedad de sustancias contaminantes; sin embargo, su definición es compleja, ya que está en función de las características que se den en cada población o industria, así como también del sistema de recogida que se emplea. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010). Por lo tanto, se pueden clasificar en:
Aguas residuales domésticas: Son procedentes de zonas de vivienda y de servicios, generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividades domésticas. (Centa, 2008)
Infiltraciones y aportaciones incontroladas: Son aguas que entran de forma directa o indirecta en la red de alcantarillado. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010)
Aguas residuales industriales: todas las aguas residuales vertidas desde locales utilizados para cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial.
Aguas pluviales: Son resultantes de las escorrentías superficiales, con metales pesados como contaminantes. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010)
Contaminantes acuáticos.
Según Osorio & otros (2010), la composición de las aguas residuales puede ser muy variable, ya que depende de muchos factores.
Los principales contaminantes que aparecen en las aguas residuales urbanas son:
Objetos gruesos: trozos de madera, trapos, plásticos, etc., que son arrojados a la red de alcantarillado.
Arenas: bajo esta denominación se engloban las arenas propiamente dichas, gravas y partículas más o menos grandes de origen mineral u orgánico.
Grasas y aceites: sustancias que al no mezclarse con el agua permanecen en su superficie dando lugar a natas. Su procedencia puede ser tanto doméstica como industrial. (Centa, 2008)
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Sólidos en suspensión: partículas de pequeño tamaño y de naturaleza y procedencia muy variadas Aproximadamente el 60% de los sólidos en suspensión son sedimentables y un 75% son de naturaleza orgánica.
Sustancias con requerimientos de oxígeno: compuestos orgánicos e inorgánicos que se oxidan fácilmente, lo que provoca un consumo del oxígeno presente en el medio al que se vierten. (Centa, 2008)
Nutrientes (nitrógeno y fósforo): Debido principalmente a detergentes y fertilizantes. Igualmente, las excretas humanas aportan nitrógeno orgánico.
Agentes patógenos: organismos (bacterias, protozoos, helmintos y virus), presentes en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y que pueden producir o transmitir enfermedades.
Contaminantes emergentes o prioritarios: Estas sustancias aparecen principalmente añadidas a productos de cuidado personal, productos de limpieza doméstica, productos farmacéuticos, etc. (Centa, 2008)
Entre los distintos contaminantes que contiene el agua residual urbana, se encuentra principalmente la materia orgánica, estos compuestos son de naturaleza reductora, suelen estar presente de forma coloidal o disuelta. Puede subdividirse en varias categorías, como se observa en la figura 2.1.
Figura 2.1. Subdivisión de la materia orgánica en las aguas residuales.
Fuente: Osorio, Torres, & Sánchez (2010)
Compuestos orgánicos de efluentes domésticos e industriales.
Existe una gran diversidad de compuestos orgánicos presentes en el ambiente acuático causando la contaminación del mismo; ejemplos de éstos son los hidrocarburos, aromáticos policíclicos, algunos de los cuales son cancerígenos, otros contaminantes son los fenoles que provocan problemas de olor y sabor cuando reaccionan con el cloro en los procesos de cloración del agua. Otras sustancias a tener en cuenta son los compuestos organometálicos, ya que su presencia en el ambiente, incluso a pequeñas concentraciones, puede afectar a la cadena alimentaria, alcanzando concentraciones mucho mayores en los organismos. Los de mayor interés son los derivados del plomo, cadmio, estaño y mercurio. (Espigares & Pérez, 2003)
Materia Orgánica No biodegradable Soluble Particulada Biodegradable Rápidamente biodegradable
Soluble Particulada Soluble
Lentamente biodegradable
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Tabla 2.1 Composición típica de las aguas residuales domésticas
Fuente: (Metcalf & Eddy,1995)
Evaluación de la calidad del agua residual.
Los principales parámetros a ser evaluados son: sólidos suspendidos totales, demanda química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), contenido de nutrientes (N y P), contenido de gérmenes y metales pesados. (Rojas, 2002)
El componente orgánico de las muestras de aguas residuales es estimado generalmente en términos de las demandas de oxígeno utilizando la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO) o en términos del Carbono Orgánico Total (COT). En la caracterización de las aguas residuales, de acuerdo con la industria es necesario el análisis de otros compuestos orgánicos como son ácidos orgánicos, alcoholes, aldehídos, fenoles y aceites específicamente en la industria petroquímica. (Barba, 2002)
Barba, L. (2002), afirma que la caracterización inorgánica debe incluir pruebas que suministren información sobre la toxicidad potencial del desecho (tales como metales pesados y amoníaco), los contaminantes que requieran un tratamiento específico (como acidez o alcalinidad, pH y sólidos en suspensión), la evaluación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) y sustancias interferentes o inhibidoras (como cloruros o sulfatos).
Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO).
Según Lozano (2013), la DBO es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de oxígeno que requieren los microorganismos para degradar los compuestos biodegradables.
11 Demanda Química de Oxígeno (DQO).
La DQO es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica (y la inorgánica oxidable) o de carga contaminante orgánica contenida en una muestra; esta prueba emplea un oxidante (K2Cr2O7) en un medio ácido (H2SO4). (Lozano, 2013)
El análisis de la DQO usa la oxidación química, para efectuar la misma reacción que provocan los microorganismos con la materia orgánica, pero en este caso el carbono es oxidado a anhídrido carbónico, permaneciendo el nitrógeno amino amoniacal en su mismo grado de oxidación, el nitrógeno correspondiente a los nitritos se oxida a nitratos. La reacción se lleva a cabo con las acciones combinadas de temperatura elevada, ácido sulfúrico carbonizador de la materia orgánica, conjuntamente con el poder oxidante del dicromato potásico. (Gil Rodríguez, 2006)
Tratamiento de aguas residuales.
El tratamiento de las aguas residuales consta de un conjunto de operaciones físicas, biológicas y químicas, que tienen como objetivo eliminar la mayor cantidad posible de contaminantes antes de su disposición final, de forma que los niveles de contaminación que queden en los efluentes tratados cumplan los límites legales existentes y puedan ser asimilados de forma natural por los cauces receptores. (Alianza por el agua, Centa, 2008)
Tratamientos convencionales.
Según Reynolds (2002), los pasos básicos para el tratamiento de aguas residuales incluyen: Pretratamiento.
Es la remoción física de objetos grandes. Comprende una serie de operaciones físicas y mecánicas, que tienen por objetivo separar del agua residual la mayor cantidad posible de materias, que por su naturaleza o tamaño, pueden dar lugar a problemas en las etapas posteriores del tratamiento. (Centa, 2008)
Deposición primaria.
Corresponde a la sedimentación por gravedad de las partículas sólidas y contaminantes adheridos. Los tipos fundamentales de tratamientos primarios son: el cribado o desbrozo, la sedimentación, la flotación y la neutralización y homogeneización. (Ramalho)
Tratamiento secundario.
Corresponde a la digestión biológica usando lodos activados o filtros de goteo que fomentan el crecimiento de microorganismos. (Reynolds, 2002)
Tratamiento terciario.
Corresponde al tratamiento químico (por ejemplo, precipitación, desinfección). También puede utilizarse para realzar los pasos del tratamiento primario. (Reynolds, 2002)
12 Tratamientos No convencionales.
Fotocatálisis.
Actualmente existen varias alternativas para el tratamiento de aguas residuales, uno de ellos es la fotocatálisis como se menciona en un estudio realizado por Garcés & otros (2005), en el cual se explica que la fotocatálisis con luz solar es un proceso de oxidación avanzada, en el cual se utiliza la luz solar que llega a la superficie terrestre para generar reacciones químicas de óxido reducción que dan lugar a la eliminación de los compuestos orgánicos, generalmente se utiliza el dióxido de titanio (TiO2) como fotocatalizador.
Otra alternativa para el tratamiento de aguas residuales corresponde a las celdas de combustible microbianas, mediante las cuales se degrada la materia orgánica y se obtiene como subproducto electricidad.
Celdas de Combustible Microbianas.
Las celdas de combustible microbianas (CCMs) son dispositivos que utilizan microorganismos que transforman la energía química contenida en compuestos orgánicos en energía eléctrica, de forma directa, sin combustión (Logan et al., 2008).
Esto es posible cuando bajo ciertas condiciones algunos microorganismos transfieren los electrones producidos en su actividad metabólica a un electrodo (ánodo) en lugar de a un aceptor natural de electrones (como oxígeno). Este proceso contribuye a degradar la materia orgánica representada como sustrato o combustible (Pant et al., 2010)
Arquitectura y funcionamiento de las celdas de combustible microbianas.
Una CCM está constituida principalmente de dos cámaras, una catódica y una anódica, separadas por una membrana de intercambio protónico (MIP) y con un electrolito, que es el medio de transporte iónico. (Logan y col., 2006).
La cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que al oxidarse por acción de los microorganismos, generan electrones, protones y CO2. En cada una de las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la cámara anaeróbica y el cátodo en la cámara aeróbica (Du et al., 2007), una vez los electrones se liberan en la cámara anódica, éstos son captados por el ánodo y posteriormente transferidos hacia el cátodo mediante un circuito externo. Simultáneamente, en la cámara anódica se generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del separador (Li et al., 2011), donde se combinan con el oxígeno del aire para reducirse a agua con los electrones que captan directamente del cátodo. (Revelo, Hurtado, & Ruiz, 2013)
Materiales de fabricación.
Los materiales empleados para la construcción de las CCMs, son de gran importancia ya que éstos deben procurar maximizar la generación de energía y la eficiencia Coulómbica.
13 a) Ánodo.
Es el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación de la materia orgánica presente en el sustrato. (Chang, 2002).
Para el ánodo, los materiales deben ser altamente conductores, no corrosivos, gran superficie específica (área por volumen), alta porosidad, barato y fácil de fabricar y debe ser escalable a tamaños mayores. (Logan, Microbial Fuel Cells, 2008)
Los electrodos utilizados pueden ser a base de carbono en papel, tela y formas de espuma. Estos materiales tienen una alta conductividad y parecen ser adecuados para el crecimiento bacteriano. El papel carbón es rígido y ligeramente quebradizo, pero se conecta fácilmente a un alambre, el cual puede ser de cobre, pero se corroe con el tiempo, ya sea liberando cobre en la solución (que puede ser tóxico para las bacterias) o haciendo que el electrodo se separe del alambre. Los cables de acero inoxidable o de titanio funcionan mejor en una CCM. Otros materiales que se utilizan en el ánodo son los polímeros conductores como la polianilina.
b) Cátodo.
En el cátodo se produce la reacción de reducción del oxígeno, que es el aceptor de electrones más adecuado para una CCM debido a su alto potencial de oxidación, su disponibilidad, bajo coste, la sostenibilidad y la no formación de productos contaminantes, ya que el producto formado es agua. La elección de los materiales catódicos afecta en gran medida al rendimiento y es muy diversa según el tipo de pila. El uso de cátodos en los que el único catalizador es carbono presenta una cinética para la reducción de oxígeno muy lenta. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)
Generalmente se utilizan electrodos de carbono con catalizadores de Pt. El material comúnmente utilizado es papel carbón comercialmente pre-cargado con un catalizador de Pt, cuando el catalizador se aplica al carbono, debe ser retenido allí usando un material que permita la transferencia de protones, electrones y oxígeno. Por lo tanto, el Nafion se usa debido a su alta conductividad de protones y permeabilidad al oxígeno. (Logan, 2008).
Se han desarrollado CCMs de biocátodo o de cátodo microbiano (Huang et al., 2011), en las que a diferencia de los cátodos abióticos, los microorganismos son usados como biocatalizadores para aceptar electrones a partir del cátodo y así reemplazar el uso de catalizadores químicos costosos. Los biocátodos son de dos tipos: (1) biocátodos aeróbicos que usan oxígeno como el oxidante y microorganismos que asisten la oxidación de compuestos metálicos de transición, tales como Mn (II) o Fe (II), para la entrega de electrones al oxígeno; (2) biocátodos anaeróbicos que usan diferentes compuestos como aceptores terminales de electrones, tales como: nitrato, sulfato, Mn (IV), Fe (III), selenato, arsenato, fumarato, perclorato, cloroetenos, 2-clorofenol, ClO4-, U (VI), Cr (VI), H+, CO2, entre otros (Sharma y Kundu, 2010; Huang et al., 2011).
c) Membrana de intercambio de protones (MIP).
La MIP un importante componente del sistema porque impide el paso de electrones de la cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones. Puede ser de varios tipos: membrana de intercambio de cationes (MIC), membrana de intercambio de aniones, membrana bipolar,
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membrana de microfiltración, membrana de ultrafiltración, puente salino, fibra de vidrio, membranas porosas y otros materiales para filtrado (Li et al., 2011).