UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
INFLUENCIA DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE PARA INCREMENTAR LA
GENERACIÓN DE ENERGÍA EN BIOCELDAS DE ALMIDÓN
Trabajo de desarrollo tecnológico para optar el título de:
Ingeniero ambiental
Autor(es):
Br. ALAYO VILLANUEVA, ZELMIRA GRACIELA
Br. BACA AMASIFUEN, LUIGI STEVEN
Asesor:
Dr. Aguilar Quiroz, Croswel Eduardo
TRUJILLO – PERÚ
2016
Biblioteca
de
Ingeniería
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
INFLUENCIA DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE PARA INCREMENTAR LA
GENERACIÓN DE ENERGÍA EN BIOCELDAS DE ALMIDÓN
Trabajo de desarrollo tecnológico para optar el título de:
Ingeniero ambiental
Autor(es):
Br. ALAYO VILLANUEVA, ZELMIRA GRACIELA
Br. BACA AMASIFUEN, LUIGI STEVEN
Asesor:
Dr. Aguilar Quiroz, Croswel Eduardo
TRUJILLO – PERÚ
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JURADO CALIFICADOR
Ms. Wilson Reyes Lázaro
Presidente
Ing. Jorge Luis Mendoza Bobadilla
Secretario
Dr. Croswel Eduardo Aguilar Quiroz
Asesor
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DEDICATORIA
Quiero dedicar esta tesis a mis padres Esteban y Graciela por haberme
forjado como la persona que ahora soy; ustedes siempre están presente
en los momentos importantes de mi vida, me formaron con sus sabios
consejos, sus reglas, su amor y apoyo incondicional.
A mis hermanos Bilmar, Elar y Rina, con quienes parece que
estuviésemos en riñas constantes, hay momentos en los que dejamos de
lado nuestras diferencias y nos apoyamos para lograr nuestros objetivos.
Alayo Villanueva Zelmira Graciela
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DEDICATORIA
Agradezco inmensamente el apoyo brindado por parte de mi madre,
que con mucho esfuerzo me ha sacado adelante, importándole
únicamente el bienestar de sus hijos.
A mi hermana, por su apoyo, su confianza y su comprensión.
A mi padre, que ha sacrificado muchas cosas para darme una
educación.
A mis tíos, tías, abuelos y primos, por su incondicional apoyo, por sus
consejos. Sé que están muy orgullosos de mí.
Al Ing. Croswel Aguilar, por toda la colaboración brindada, por su
tiempo y su paciencia durante la elaboración de este proyecto.
Al Sr. Jorge Alcántara, por sus enseñanzas y ayuda en este proyecto.
A mi compañera y amiga Zelmira Alayo, por el sacrificio demostrado
para sacar adelante esta tesis.
Finalmente a todos aquellos amigos que siempre me apoyaron y nunca
dudaron de mí.
Baca Amasifuen Luigi Steven
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AGRADECIMIENTOS
A Dios, a nuestro asesor Dr. Croswel Eduardo Aguilar Quiroz, quién nos
orientó y guio a lo largo de este camino.
Al técnico del laboratorio de catálisis Sr. Jorge Alcántara Castillo, quien
nos ayudó para el montaje de nuestros equipos y la realización de esta
tesis.
A la EIA y a la facultad de ingeniería química por fomentar la
investigación y proporcionar laboratorios.
A todas las personas que colaboraron de una u otra forma para la
realización de este trabajo, y especialmente a nuestros padres por todo su
apoyo y la oportunidad de poder estudiar.
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
JURADO CALIFICADOR ... III
DEDICATORIA ... IV
DEDICATORIA ... V
AGRADECIMIENTOS ... VI
ÍNDICE DE CONTENIDOS ... VII
INDICE DE TABLAS ... IX
ÍNDICE DE GRÁFICAS ... X
ÍNDICE DE FIGURAS... XI
RESUMEN ... XII
ABSTRACT ... XIII
CAPÍTULO I ... 1
INTRODUCCIÓN ... 1
JUSTIFICACIÓN ... 8
CAPÍTULO II ... 9
MATERIALES Y MÉTODOS ... 9
EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS ... 9
1.
Equipos ... 9
2.
Materiales: ... 9
3.
Reactivos ... 10
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: ... 10
A.
Procedimiento para la preparación de la solución: ... 10
B.
Procedimiento para la conexión en serie: ... 11
C.
Medición de corriente eléctrica: ... 12
CAPÍTULO III ... 13
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 13
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DEL ALMIDÓN: ... 13
INFLUENCIA DEL ÁREA DE CONTACTO DEL ELECTRODO: ... 24
INFLUENCIA DE LA FORMA DE CONEXIÓN DE ELECTRODOS ... 31
CAPÍTULO IV... 36
CONCLUSIONES ... 36
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CAPÍTULO V ... 37
RECOMENDACIONES ... 37
CAPÍTULO VI... 38
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 38
CAPÍTULO VII ... 43
ANEXOS ... 43
ANEXO 1: Elaboración de bioceldas y electrodos ... 43
1.
ELABORACIÓN DE BIOCELDAS ... 43
2.
ELABORACIÓN DE ELECTRODOS: ... 44
2.1.
Para unidades de electrodos:... 44
2.2.
Para electrodos en paquete: ... 45
ANEXO 2: Elaboración de almidón... 47
ELABORACIÓN DE ALMIDÓN DE YUCA ... 47
ANEXO 3: Tablas ... 48
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INDICE DE TABLAS
Tabla 1: Producción de Bioetanol a partir de yuca ... 3
Tabla 2: Equipos utilizados en la preparación de los ensayos ... 9
Tabla 3: Materiales utilizados en la preparación de los ensayos ... 9
Tabla 4: Reactivos utilizados en la preparación de los ensayos ... 10
Tabla 5: Parámetros de biocelda para el estudio influencia de la concentración del almidón
empleando 2 electrodos de 1.6 cm
2... 13
Tabla 6. Parámetros de biocelda para el estudio influencia de la concentración del almidón
empleando 2 electrodos de 4.12 cm
2... 13
Tabla 7: Parámetros de bioceldas para el estudio influencia de la concentración del almidón
empleando 2 electrodos de 9.5 cm
2... 13
Tabla 8: Parámetros de bioceldas para el estudio influencia de la concentración del almidón
empleando 2 electrodos de 19 cm
2... 14
Tabla 9: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 1.6 cm². .. 16
Tabla 10: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 4.12 cm².
... 17
Tabla 11: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 9.5 cm². 18
Tabla 12: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 19 cm². . 19
Tabla 13: parámetros de biocelda Influencia de la agitación a bioceldas, ... 20
Tabla 14: parámetros de bioceldas Influencia de la solubilidad del almidón en bioceldas ... 22
Tabla 15: Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 0.5 g ... 24
Tabla 16: Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 1 g ... 24
Tabla 17: Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 2 g ... 24
Tabla 18: Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 4 g ... 24
Tabla 19: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (0.5/75) g/mL. ... 27
Tabla 20: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (1/75) g/mL. ... 28
Tabla 21: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (2/75) g/mL. ... 29
Tabla 22: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (4/75) g/mL. ... 30
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ÍNDICE
DE GRÁFICAS
Gráfica 1: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 1.6 cm
2de área de
contacto. ... 16
Gráfica 2: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 4.12 cm
2de área de
contacto. ... 17
Gráfica 3: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 9.5 cm
2de área de
contacto. ... 18
Gráfica 4: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 19 cm
2de área de
contacto. ... 19
Gráfica 5: Influencia de la agitación a bioceldas con 0.5 g almidón, 0.5 g catalizador, 75-95 ml
de H
2O destilada, en la generación de voltaje. ... 21
Gráfica 6: Influencia de la solubilidad del almidón en bioceldas con 0.5 g almidón, 0.5 g
catalizador, 75 ml de H
2O destilada y 2 ml H
2O
2en la generación de voltaje. ... 22
Gráfica 7: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (0.5/75) g/mL.
... 27
Gráfica 8: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (1/75) g/mL.
... 28
Gráfica 9: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (2/75) g/mL.
... 29
Gráfica 10: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (4/75) g/mL
... 30
Gráfica 11: Voltaje, para concentraciones de almidón de 1/75 g/mL y electrodos de 4.12 cm
2de
área de contacto, en la captación de energía. ... 32
Gráfica 12: Voltaje, para concentraciones de almidón de 0.5 y electrodos de area de contacto 1.6
cm
2, en la captación de energía ... 34
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ÍNDICE
DE
FIGURAS
Figura 1: Procesos para la obtención de almidón de yuca (Elijah et al., 2012). ... 2
Figura 2: Baterías con conexión en serie (Méndez & Cuervo, 2009). ... 5
Figura 3: Modelo de biocelda instalada. ... 10
Figura 4: Conexión en serie de cuatro bioceldas. ... 11
Figura 5: Conexión en serie de electrodo en paquete. ... 12
Figura 6: (a) Biocelda de referencia con dos electrodos de 4.12 cm
2de área de contacto; (b)
Biocelda con conexión en serie de 10 electrodos de 4.12 cm
2de área de contacto. ... 31
Figura 7: (a) Biocelda de referencia con 2 electrodos de 1.6 cm
2de área de contacto; (b) Conexión
en serie de 6 bioceldas, cada semicelda con un paquete de 25 electrodos de área de contacto 1.6
cm
2en cada semicelda. ... 33
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RESUMEN
Se estudió la influencia de la densidad de corriente en el incremento de la generación de energía
en bioceldas de almidón. El proceso que consta de una sola se realizó en bioceldas electroquímicas
equipadas con electrodos de grafito. La energía producida se midió con un multitester digital. Se
realizaron ensayos variando la concentración de almidón (0.5/75, 1/75, 2/75 y 4/75 g/mL), y el
área de contacto del electrodo de medición (1.6, 4.12, 9.5 y 19 cm
2). Los resultados muestran que
el sistema con 1/75 g/mL de almidón y 4.12 cm
2de área de electrodo alcanza valores de, 2.05
µ
A/cm
2y el sistema con 0.5/75 g/mL de almidón y 1.6 cm
2de área de electrodo alcanza valores
de 5.58 µA/cm
2, siendo éstos los valores más altos a partir de los cuales se realizó ensayos de
conexión en serie, en los cuales se alcanzó valores de voltaje de 1300 mV. Los resultados indican
que la densidad de corriente disminuye con el incremento de la concentración de almidón en el
sistema, así como con áreas de electrodo grandes; sin embargo se demuestra que es la cinética de
la reacción quien domina el comportamiento del sistema y que se puede realizar un escalamiento
lo cual podría ser beneficioso para las industrias alimentarias ya que podrían utilizar sus efluentes
ricos en almidón, para generar energía eléctrica.
PALABRAS CLAVES: densidad de corriente, voltaje, energía, electrodo, almidón
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ABSTRACT
The influence of the current density was studied in increased power generation biofuel cell starch.
The process consisting of a single was made in electrochemical bioceldas equipped with graphite
electrodes. The energy produced with a digital multimeter. Tests were performed by varying the
starch concentration (0.5 / 75, 1/75, 2/75 and 4/75 g / mL), and measuring electrode contact area
(1.6, 4.12, 9.5 and 19 cm2). The results show that the system with 1/75 g / mL of starch and 4.12
cm
2of electrode contact area reaches values of 2.05 μA / cm
2and the system with 0.5 / 75 g / mL
of starch and 1.6 cm
2of electrode area reaches values of 5.58 μA / cm
2, being the highest values
of the series connection tests, in which values of voltage of 1300 mV were reached. The results
indicate that the current density decreases with increasing starch concentration in the system, as
well as with large electrode areas; However it is demonstrated that it is the kinetics of the reaction
that dominates the behavior of the system and that a scaling can be carried out which could be
beneficial for the food industries since they could use their effluents rich in starch to generate
electricity.
KEYWORDS: current density, voltage, power, electrode, starch
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Los combustibles fósiles (el petróleo, el carbón y el gas natural) son aproximadamente el 80% de
la fuente de energía primaria total en el mundo (Song et al., 2015) los cuales generan problemas
medioambientales por su excesiva utilización (Xia et al., 2014). Adicionalmente, la alta volatilidad
de sus precios, el crecimiento de la demanda energética y el problema del calentamiento global
(Pao et al., 2014) inciden para la búsqueda de energías Limpias.
El desarrollo de las energías renovables están intrínsecamente vinculados al desarrollo sostenible,
seguridad energética, protección del medio ambiente y la reducción de emisiones (Yilmaz et al.,
2013).
Existen diversos tipos de biocombustibles que se pueden utilizar en el desarrollo de energías
renovables, los cuales están clasificados en primera, segunda, tercera y cuarta generación.
La primera generación de biocombustibles considera como materias primas a semillas oleaginosas,
caña de azúcar y cultivos forrajeros de aceite entre otros (Dutta et al., 2014).
La segunda generación de biocombustibles utilizan cultivos de bajo costo como desechos de la
producción agrícola, residuos del proceso de agroindustrias, residuos de cultivos y la parte
orgánica de los residuos municipales, estas materias primas no tendría ningún impacto en los
cultivos para la alimentación (Dutta et al., 2014).
La tercera y la cuarta generación utilizan materia prima que no están destinados a la alimentación,
y tienen una gran capacidad de crecimiento rápido y potencial energético (Dutta et al., 2014).
La biomasa es una de las principales fuentes de energía renovable (Ionescu et al., 2015) y
contribuyen entre el 10% al 14% del suministro de energía del mundo. La fuente de biomasa son
las plantas, debido a que la fotosíntesis permite convertir la energía solar en materia orgánica
(Méndez & Cuervo, 2009).
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La yuca es una biomasa altamente tolerante a la sequía y las condiciones climáticas adversas, y se
cultiva en suelos pobres y las tierras marginales. Puede ser utilizada para producir biocombustibles,
bioetanol, biodiesel y biogás (Tantanarat et al., 2014) (Zhu F., 2015) (Okudoh et al., 2014).
En la Figura 1 se muestra de forma esquemática la obtención de almidón a partir de la yuca.
ENERGÍA SOLAR 1000 kg de YUCA (680 kg de agua y 320 kg sólido) DESHIDRATACIÓN PULVERIZACIÓN RAYADO SECADO MOLIDO LAVADO PELADO CÁSCARAS 120 kg AGUA 600 kg AGUA 80 kg ALMIDÓN 200 kg
Figura 1: Procesos para la obtención de almidón de yuca (Elijah et al., 2012).
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En la Tabla 1 se muestra la producción de almidón a partir de la yuca.
Tabla 1: Producción de Bioetanol a partir de yuca
Materia Prima
Método
Cáscara, hojas, tallos y
raíces de la yuca.
Fermentación de azúcar, destilación, Saccharomyces cerevisiae
(Nuwamanya et al., 2012).
Almidón de yuca.
Lotes (1 L), mesófilos; Clostridium saccharoperty lacetonicum
N1 – 4. (Rattanachomsri et al., 2009).
Pulpa de yuca.
Sacarificación enzimática con Aspergillus niger BBC17849;
fermentación con Candida Tropicalis (FIIRO, 2006).
Lechada de yuca
Pretratamiento Ultrasónico (Nitayavardhana et al., 2010).
Residuo de yuca.
Enzima, hidrólisis ácida 10 L de fermentador Saccharomyces
cerevisiae TISTR 5596. (Thang et al., 2010).
La yuca es una materia prima atractiva para la producción de almidón debido a su contenido por
su alto contenido en fresco entre el 20 – 40% (Tantanarat et al., 2014) (Jansson et al., 2009).
El almidón es uno de los hidratos de carbono más abundante en la biosfera y una materia prima
rentable para la producción de energía (Jiang et al., 2013). Es un polímero semi-cristalino, que se
compone de dos polisacáridos: amilosa y amilopectina. La amilosa presenta una cadena lineal, en
su mayoría hasta 3.000 moléculas de glucosa interconectadas por enlaces glucosídicos α-D-(1,4)
que contienen pocas redes ramificadas. La amilopectina un polímero ramificado con de α-D-(1,4)
vínculos que sirven como la columna vertebral y α-D-(1,6) puentes en los puntos de ramificación
(Beninca et al., 2014).
Los gránulos de almidón son ovalados, truncado y redondeado con un tamaño de 2 – 32 μm; y su
contenido de amilosa es de 0 – 30 (Zhu F., 2015) (Nwokocha et al., 2009).
El almidón puede ser modificado por métodos químicos, físicos y enzimáticos. La oxidación de
almidones para su degradación puede realizarse con peróxido de hidrógeno, oxígeno, ozono,
bromo, ácido crómico, permanganato, dióxido de nitrógeno, radiación ultravioleta e hipoclorito.
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La oxidación del almidón con peróxido de hidrógeno requiere tiempo, temperatura y pH ácido
(Guerra et al., 2011). Durante el proceso de oxidación, los grupos hidroxilo de las moléculas de
almidón se oxidan a grupos carbonilos y carboxilos (Sangseethong et al., 2010). El contenido de
grupos carbonilo (CO) y carboxilo (COOH) en almidón de yuca oxidada con peróxido de
hidrógeno varían por el tipo de secado: al sol y en horno. (Guerra et al., 2011). Los mecanismos
de reacción entre peróxido de hidrógeno y el almidón son muy complejos y varían al cambiar las
condiciones de reacción, el oxidante y el tipo de almidón. (Guerra et al., 2011).
A continuación se muestran trabajos sobre obtención de energía en forma directa por degradación
del almidón, los cuales se desarrollaron en el Laboratorio de Catálisis de la Universidad Nacional
de Trujillo:
(Farje & Vargas, 2013) demostraron que es posible obtener energía eléctrica en una
sola etapa utilizando bioceldas de almidón con HCl. El proceso está regulado
principalmente por la concentración de HCl, el cual influye en la hidrólisis del almidón,
y el sistema se estabiliza a elevadas concentraciones de HCl. Temperaturas mayor a 25
°C favorecen la generación de energía. El voltaje máximo alcanzado es de 214 mV con
una vida útil de 338 horas.
(Urteaga & Zavaleta, 2013) La degradación del almidón con peroxidasa obtenido del
extracto de nabo en combinación con el H
2O
2para la generación de energía eléctrica
en bioceldas con electrodos de grafito, mostraron que el H
2O
2permite la activación de
la enzima peroxidasa. El sistema se inhibe cuando hay exceso de almidón y/o de H
2O
2.
A las condiciones de 0.5 g de almidón, 2 ml de H
2O
2, 10 ml de extracto de nabo y 70
ml de agua, se logra el máximo voltaje de 63.6 mV.
(Pérez & Rodríguez, 2013) utilizaron el catalizador heteropoliácido (ácido Tungsteno
fosfórico) para descomponer el almidón en presencia de peróxido de hidrógeno, se
obtiene 100 mV para concentraciones de o.5 g. de catalizador, 75 ml de agua destilada
y 2 ml de peróxido de hidrógeno de 30 volúmenes.
En este último trabajo el ácido tungsteno fosfórico es utilizado como catalizador debido a su fuerte
acidez, estabilidad y alto potencial de oxidación – reducción y puede ser reciclado hasta cuatro
veces (Nikbakht et al., 2013) (Khder et al., 2014).
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Por otro lado existen metodologías para incrementar la energía que se genera en las bioceldas. Una
de ellas es la conexión en serie de los electrodos y otra es modificar el tipo y la forma del electrodo.
La Figura 2 muestra un arreglo de celdas en serie, conectando el cátodo de una celda con el ánodo
de la otra, para incrementar el voltaje final del sistema.
Los resultados obtenidos por Pérez y Urteaga permiten avanzar a la siguiente etapa que es el
escalamiento, utilizando para ello electrodos con diferentes áreas superficiales a fin de extraer la
mayor energía de las celdas, la cual se traduce en mayor energía.
Para aplicaciones industriales, decenas o cientos de células se colocan juntos en paralelo o en serie
para producir la salida de potencia requerida. Este tipo de arreglo consecutivo es más comúnmente
utilizado en la industria debido a sus ventajas de caída de presión baja y facilidad de fabricación
(Wang J., 2015).
Trabajos sobre escalamiento utilizando bioceldas que son de interés:
(Jafari et al., 2013) conectaron bioceldas de glucosa, fructuosa y sacarosa con
concentración de 10, 20 y 30 g/L, respectivamente, en serie y paralelo para observar el
comportamiento del voltaje en estas dos situaciones. En paralelo resultó un voltaje de 0.65
V y en serie aumentó a 1.78 V.
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
-
+
Figura 2: Baterías con conexión en serie (Méndez & Cuervo, 2009).
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de las bioceldas que comparten una solución de electrolito, en procesadores de tratamiento
de aguas residuales susceptibles de ser utilizados para la recuperación de energía.
Cabe resaltar que la conexión de las bioceldas en serie puede producir la reversión de la tensión
debido a resistencias internas o voltaje desigual debido a las concentraciones del sustrato,
resultando en pequeñas ganancias de voltaje o incluso la eliminación de la producción de energía
(Ren et al., 2014).
Por otro lado, la geometría y las dimensiones de los electrodos de grafito tienen influencia en la
generación de energía (Sacco et al., 2012), lo cual será estudiado en el presente trabajo.
Un parámetro importante en el modelado de la batería es la densidad de corriente, que representa
el flujo de iones en la superficie y se refiere a las velocidades de reacción electroquímicos (Wang
et al., 2012), siendo representada matemáticamente de la siguiente manera (Serway. R. 1996):
𝐽 =
𝐼
𝑆
… … … (1)
𝐼 =
∆𝑉
𝑅
… … … (2)
Siendo, J: densidad de corriente (Amperios/m
2).
I: Intensidad de corriente (Amperios)
S: área superficial (m
2)
V: voltaje (Voltios)
R: resistencia (Ohm)
Se han hecho trabajos con el objeto de observar la influencia de la densidad de corriente y el área
superficial del electrodo de carbón:
(Cai et al., 2014) estudiaron el efecto del fieltro y varilla de grafito en la remoción
simultánea de sulfuros y nitratos en bioceldas, demostrando que ambos tienen buenas
capacidades para la remoción. Sin embargo la densidad de corriente obtenida por el filtro
de grafito fue casi el doble que la varilla de grafito, además que también se demostró que
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tiene mayor actividad catalítica, haciendo que el filtro de grafito sea el electrodo más
adecuado para la remoción.
(Inoue et al., 2012) mejoraron en un 200% la densidad de corriente en bioceldas
miniaturizadas mediante la optimización de la estructura del electrodo hecho de nanotubos
de carbono a nivel micro y nano. Observaron una relación lineal entre la producción de
corriente y el área superficial efectiva de los electrodos, apoyando su hipótesis de que el
mecanismo de transferencia de carga se basa en la unión directa de baterías a la superficie
del electrodo para el transporte de electrones.
En el presente estudio, la densidad de corriente será analizada según el voltaje obtenido en las
bioceldas, por lo que las ecuaciones (1) y (2) serán colocadas en función del voltaje.
∆𝑉 = 𝐽. 𝑅. 𝐴 … … … (3)
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JUSTIFICACIÓN
Las bioceldas representan una tecnología no contaminante, que en lugar de utilizar combustión
para generar electricidad, utilizan reacciones electroquímicas produciendo energía limpia
evitándose así la contaminación del medio ambiente, sin embargo, hasta la fecha se han obtenido
resultados con valores de voltaje pequeños (Farje & Vargas, 2013) (Urteaga & Zavaleta, 2013)
(Pérez & Rodríguez, 2013).
Debido a ello, se plantea la necesidad de investigar un sistema que permita mejorar la captación
de energía y a su vez el sistema admita realizar conexiones en serie para incrementar la energía
eléctrica generada en bioceldas de almidón, teniendo en cuenta el incremento de la densidad de
corriente mediante variación del área de contacto del electrodo, pues según (Sacco et al., 2012) la
geometría y el tamaño del electrodo tienen influencia en la generación de energía. Con la finalidad
de desarrollar una tecnología que permita obtener energía eléctrica en forma directa a partir de la
biomasa residual, tomando al almidón como molécula de ensayo.
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CAPÍTULO II
MATERIALES Y MÉTODOS
EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS
1. Equipos
Tabla 2: Equipos utilizados en la preparación de los ensayos
EQUIPOS
CANTIDAD
1.
Balanza Analítica (PA214 OHRUS
CORPORATION), Cap. 210 g.
1
2.
Multitéster (PRASEK
®PREMIUM PR-75)
4
3.
pH-metro
1
2. Materiales:
Tabla 3: Materiales utilizados en la preparación de los ensayos
Materiales
Cantidad
1.
Pipetas graduadas de 1 mL
1
2.
Probeta de 100 mL
1
3.
Vasos de precipitación 500 mL
1
4.
Varillas de agitación de vidrio
2
5.
Caja de tecnopor de 45 cm x 30 cm x 35 cm
3
6.
Electrodos de área de contacto de 1.6 cm
2*
310
7.
Electrodos de área de contacto de 4.12 cm
2*
12
8.
Electrodos de área de contacto de 9.5 cm
2*
2
9.
Electrodos de área de contacto de 19 cm
2*
2
10.
Celdas galvánicas *
10
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3. Reactivos
Tabla 4: Reactivos utilizados en la preparación de los ensayos
Reactivos
Cantidad
1.
Ácido Tungsteno fosfórico (Catalizador) (g)
30
2.
Peróxido de hidrógeno 30 vol. (mL)
100
3.
Almidón de yuca (g) *
500
4.
Agua destilada (lt)
12
* Ver elaboración en Anexo 2
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
La elaboración de las bioceldas y la preparación del almidon utilizado en este trabajo, se detallan
el el anexo 1 y 2 respectivamente.
A. Procedimiento para la preparación de la solución:
La biocelda consta de 2 semiceldas, y se les denominara semicelda A y semicelda B.
a)
En cada semicelda se preparó una disolución de almidón y de agua destilada, cantidad
que depende del ensayo a realizar.
b)
A la semicelda A, se le adicionó 2 mL peróxido de hidrógeno.
c)
y a la otra semicelda se le adicionó heteropoliácido (ácido tungsteno fosfórico) como
catalizador
d)
Se instaló en la caja de tecnopor y se introdujo los electrodos dependiendo del ensayo
a realizar.
Figura 3: Modelo de biocelda instalada.
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B. Procedimiento para la conexión en serie:
Conexión en serie electrodos individuales:
a)
En cada semicelda se preparó una disolución conteniendo 1 g de almidón y 75 mL
de agua destilada.
b)
A la semicelda A se le adiciono 2 mL de peróxido de hidrógeno y a la semicelda
B se le adiciono 0.5 g de heteropoliácido (ácido tungsteno fosfórico) como
catalizador.
c)
Se colocó un electrodo de 4.12 cm
2de área de contacto en cada semicelda,
haciendo una conexión en serie, conectando el cátodo de una biocelda con el
ánodo de otra biocelda, como se observa en la figura 4.
Figura 4: Conexión en serie de cuatro bioceldas
.
Conexión en serie de los electrodos en paquete:
a)
En cada semicelda se preparó una disolución conteniendo 0.5 g de almidón y 75
mL de agua destilada.
b)
A la semicelda A se le adiciono 2 ml de peróxido de hidrógeno y a la semicelda B
se le adiciono 0.5 g de heteropoliácido (ácido tungsteno fosfórico) como
catalizador.
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c)
Se colocó los electrodos en paquete de de tal manera que haya una conexión en
serie de los electrodos. Es decir conectando el cátodo de una biocelda con el
ánodo de otra biocelda, como se observa en la figura 5.
Figura 5: Conexión en serie de electrodo en paquete.
C. Medición de corriente eléctrica:
a)
Mediante un multitester, se mide el voltaje (mV) que produce la biocelda.
b)
Los datos se registraran en una tabla de Excel para el análisis respectivo.
D. Cálculo de la densidad de corriente:
Se calcula con la siguiente fórmula:
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝐽) =
𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝐴)
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜 (𝑆)
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CAPÍTULO III
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DEL ALMIDÓN:
Se estudia la influencia de la concentración de almidón en la densidad de corriente para diferentes
áreas transversales de electrodo desde 1.6 cm
2hasta 18.99 cm
2, las condiciones bajo las que se
realizó este ensayo fueron:
Tabla 5: Parámetros de biocelda para el estudio
influencia de la concentración del almidón empleando 2
electrodos de 1.6 cm
2 Ensayo 1 2 3 4 Semicelda A B A B A B A B Almidón 0.5 g 0.5 g 1 g 1 g 2 g 2 g 4 g 4 g H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 gTabla 6.
Parámetros de biocelda para el estudio
influencia de la concentración del almidón empleando 2
electrodos de 4.12 cm
2 Ensayo 1 2 3 4 Semicelda A B A B A B A B Almidón 0.5 g 0.5 g 1 g 1 g 2 g 2 g 4 g 4 g H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 gTabla 7: Parámetros de bioceldas para el estudio
influencia de la concentración del almidón empleando
2 electrodos de 9.5 cm
2 Ensayo 1 2 3 4 Semicelda A B A B A B A B Almidón 0.5 g 0.5 g 1 g 1 g 2 g 2 g 4 g 4 g H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 mlBiblioteca
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Tabla 8: Parámetros de bioceldas para el estudio
influencia de la concentración del almidón empleando
2 electrodos de 19 cm
2 Ensayo 1 2 3 4 Semicelda A B A B A B A B Almidón 0.5 g 0.5 g 1 g 1 g 2 g 2 g 4 g 4 g H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 gLos resultados que se muestran en las Gráficas 1, 2, 3 y 4 Tablas 1, 2, 3 y 4 (Anexo 3), se observa
que:
a)
Cuando el área de electrodo es 1.6 cm
2(Gráfica 1), se observa que para 0.5/75 g/mL y
2/75 g/mL, la densidad de corriente se estabiliza aproximadamente a las 500 horas en el
rango de 3.70 µA/cm
2– 6 µA/cm
2. El sistema con 1/75 g/mL alcanza su valor máximo de
6 µA/cm
2a las 1000 horas, empezando a descender desde 3.54 µA/cm
2a las 2200 horas.
Sin embargo, el sistema con 4/75 g/mL alcanza su valor máximo de producción de energía
9.39 µA/cm
2a las 1000 horas, disminuyendo enseguida hasta culminar su ciclo a las 1800
horas.
b)
Asimismo cuando el área de electrodo es 4.12 cm
2(Gráfica 2), después de las 700 horas
de alcanzar la máxima producción de energía (2.4
µA/cm
2, 2.05
µA/cm
2, 4.35
µA/cm
2, 3.45
µ
A/cm
2) para concentraciones de almidón de (0.5/75) g/mL, (1/75) g/mL, (2/75) g/mL y
(4/75) g/mL respectivamente), los sistemas disminuyen hasta obtener valores menores a
0.25
µA/cm
2. Sin embargo hay que tener en cuenta que para 1/75 g/mL, la densidad de
corriente se mantuvo estable desde las 400 horas hasta las 1700 horas en el rango de 1.75
µ
A/cm
2– 2
µA/cm
2.
En todos los casos, a tiempos superiores a 3100 horas, la densidad de corriente se mantiene
en el rango de 0.0
µA/cm
2– 0.25
µA/cm
2.
c)
Del mismo modo para área de electrodo de 9.5 cm
2(Gráfica 3), después de las 500 horas
de alcanzar la máxima producción de energía de alcanzar la máxima producción de energía
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(0.71
µA/cm
2, 0.88
µA/cm
2y 7.4
µA/cm
2) para concentraciones de almidón de (1/75) g/mL,
(2/75) g/mL y (4/75) g/mL respectivamente), los sistemas disminuyen exponencialmente
hasta obtener valores menores a 0.2
µA/cm
2. Sin embargo el comportamiento de la
densidad de corriente del sistema con concentración de almidón igual a (0.5/75) g/mL,
forma tres etapas: la primera entre 0 – 500 horas, etapa en la cual experimenta un aumento
rápido de generación de energía, en la segunda etapa entre las 500 – 2600 horas mantiene
un crecimiento lento hasta alcanzar su valor máximo 0.59
µA/cm
2, y en la tercera etapa la
disminución exponencial sucede desde las 2600 hasta las 2700 horas de reacción.
En todos los casos, a tiempos superiores a 2600 horas, la densidad de corriente se mantiene
en el rango de 0.0
µA/cm
2– 0.7
µA/cm
2. Con excepción del sistema con concentración de
almidón igual a (0.5/75) g/mL, el cual culmina su tiempo de vida a las 2600 horas con una
producción de energía (0.45
µA/cm
2).
d)
Cuando el área de electrodo es 19 cm
2(Gráfica 4), después de 500 horas se alcanza la
máxima producción de energía (0.45 µA/cm
2, 0.45 µA/cm
2y 0.39 µA/cm
2para
concentraciones de almidón de 1/75 g/mL, 2/75 g/mL y 4/75 g/mL respectivamente).
Posteriormente los sistemas disminuyen exponencialmente su producción de energía hasta
valores menores a 0.01 µA/cm
2. Solo el sistema con 0.5/75 g/mL de almidón la
disminución de energía sucede después de alcanzar su máxima producción de energía (0.44
µA/cm
2) a las 1000 horas de reacción.
En todos los casos, a tiempos superiores a 1500 horas, la densidad de corriente decae en el
rango de 0.0 µA/cm
2– 0.19 µA/cm
2Biblioteca
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Tabla 9: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 1.6 cm².
Ensayo (0.5/75)g/ml (1/75)g/ml (2/75)g/ml (4/75)g/ml Valor Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2)) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Min 0.15 1.50 0.04 3062.00 0.52 82.50 0.23 6.00 Max 5.58 477.50 6.00 1230.00 6.00 1390.50 9.39 918.00Gráfica 1: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 1.6 cm2 de área de contacto.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Dem sid ad d e co rr ien te (µA /cm ²) Tiempo (h) (0.5/75) g/ml (1/75) g/ml (2/75) g/ml (4/75) g/ml Concentración de almidón
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Tabla 10:
Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 4.12 cm².
Ensayo (0.5/75)g/ml (1/75)g/ml (2/75)g/ml (4/75)g/ml Valor Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2)) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Min 0.01 3635.00 0.23 2814.00 0.04 7.50 0.06 3178.50 Max 2.40 491.50 2.05 394.50 4.36 259.00 3.46 216.00Gráfica 2: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 4.12 cm2 de área de contacto.
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Den sid ad d e co rr ien te (µA /cm ²) Tiempo (h) (0.5/75) g/ml (1/75) g/ml (2/75) g/ml (4/75) g/ml Concentración de almidón
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Tabla 11: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 9.5 cm².
Ensayo (0.5/75)g/ml (1/75)g/ml (2/75)g/ml (4/75)g/ml Valor Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2)) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Min 0.005 2893.50 0.015 1.50 0.015 30.00 0.01 56.50 Max 0.60 1763.50 0.715 828.00 0.885 271.00 0.74 609.50Gráfica 3: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 9.5 cm2 de área de contacto.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 D en sid ad d e co rr ien te (µ A /cm ²) Tiempo (h) (0.5/75) g/ml (1/75) g/ml (2/75) g/ml (4/75) g/ml Concentración de almidón
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Tabla 12: Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando electrodos de 19 cm².
Ensayo (0.5/75)g/ml (1/75)g/ml (2/75)g/ml (4/75)g/ml Valor Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2)) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (A/cm2) Tiempo (h) Min 0.55 4139.00 0.025 1.50 0.01 18.00 0.00 2965.50 Max 0.44 1107.00 0.465 477.00 0.46 464.50 0.36 334.50Gráfica 4: Influencia de la concentración de almidón usando electrodos de 19 cm2 de área de contacto.
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Den sid ad d e co rr ien te (µA /cm ²) Tiempo (h) (0.5/75) g/ml (1/75) g/ml (2/75) g/ml (4/75) g/ml Concentración de almidón
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Enfocándonos en el comportamiento de las gráficas, se puede comentar lo siguiente:
Miao et al, 2011, demostró que la hidrolisis del almidón se realiza en dos etapas, la primera en la
que el incremento de la generación de energía se debe a la hidrólisis de las zonas amorfas de la
molécula de almidón, y en una segunda etapa, más lenta, se debe a la hidrolisis de las zonas
cristalinas. Esto explicaría los resultados obtenidos, en donde la generación de energía en la
primera etapa, se incrementa exponencialmente durante las primeras horas de reacción, puesto que
las reacciones de oxidación-reducción se dan en las zonas amorfas de los gránulos de almidón, los
cuales al tener una estructura más suelta que las zonas cristalinas, son más fácil de atacar con los
iones de hidrógeno, mientras que para tiempos superiores a 1000 horas, la reacciones REDOX, a
pesar de estar en presencia de catalizador, tardan más, puesto que la hidrolisis sucede en las zonas
cristalinas de la molécula de almidón.
Como se observa en las Gráficas 1, 2, 3 y 4, la duplicidad de la concentración de almidón para 1.6
cm
2– 9.49 cm
2de área de contacto del electrodo, no influye de manera significativa puesto que la
generación de energía no se duplica y no hay una diferencia significativa en la densidad de
corriente obtenida; este comportamiento podría estar relacionado al aspecto difusional, para lo cual
se hicieron dos ensayos, con las idénticas características, añadiendo agitación a uno de ellos con
el propósito de homogenizar la solución para mejorar la cinética de la reacción y por lo tanto
incremente la energía generada.
Tabla 13
:
parámetros de biocelda Influencia de la agitación a bioceldas,
Ensayo Con agitación Sin agitación
Semicelda A B A B
Almidón 0.5 g 0.5 g 0.5 g 0.5 g
H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml
H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml
Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g
En la Gráfica 5 se puede observar que el sistema sin agitación a partir de las 300 horas de reacción,
se mantiene en el rango de 286 mV – 338 mV, mientras que los valores del sistema con agitación
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son cercanos a 200 mV entre las 200 y 400 horas. A partir de las 600 horas, los valores de voltaje
del sistema con agitación, se encuentran en el rango de 6 mV - 150 mV.
Gráfica 5: Influencia de la agitación a bioceldas con 0.5 g almidón, 0.5 g catalizador, 75-95 ml de H2O destilada, en la generación de voltaje.
El comportamiento antes explicado, se debería a la agitación que se le da a la solución, ya que se
estaría interrumpiendo las reacciones REDOX, haciendo que los valores de voltaje sean bajos e
inestables, lo cual indica que el problema no es difusional.
Debido a ello, se bosquejó que el comportamiento se debería a la solubilidad del almidón, es decir;
aunque se adicione altas concentraciones de almidón, solamente la fracción soluble en agua
reacciona para generar energía, precipitando el almidón restante.
Para confirmar esta teoría, se realizaron 3 ensayos con iguales características, variando únicamente
la cantidad de agua.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Vo ltaj e ( m V) Tiempo (h)Con Agitación Sin agitación
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Tabla 14
:
parámetros de bioceldas Influencia de la solubilidad del almidón en bioceldas
Ensayo 1 2 3 Semicelda A B A B A B Almidón 0.5 g 0.5 g 0.5 g 0.5 g 0.5 g 0.5 g H2O 75 ml 75 ml 80 ml 80 ml 95 ml 95 ml H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 gLos resultados de la Gráfica 6, indican que los sistemas con cantidad 75 ml y 80 ml de agua, llegan
a sus valores máximos de voltaje en las primeras 300 horas de reacción, mientras que para el
sistema con 95 ml de agua, alcanza su valor máximo de voltaje a las 500 horas de reacción. Sin
embargo, entre las 500 y 800 horas los valores de voltaje más altos le corresponden al sistema con
95 ml de agua.
A partir de las 800 a 1300 horas, el sistema con los valores más altos de voltaje, es el de 80 ml de
agua, lo cual indica que estos sistemas son los que cuentan con los mayores valores de voltaje a lo
largo del tiempo.
Gráfica 6: Influencia de la solubilidad del almidón en bioceldas con 0.5 g almidón, 0.5 g catalizador, 75 ml de H2O destilada y 2 ml H2O2 en la generación de voltaje.
En el sistema con 95 ml de agua, los reactantes se encuentran dispersos y habría poco contacto
entre ellos, cuando el sistema es de 75 ml de agua, los reactantes tiene mejor contacto al estar en
0 50 100 150 200 250 300 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Vo lt a je (m V) Tiempo (h) 75 mL 80 mL 95 mL
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poca cantidad de agua, mejorando las condiciones para las reacciones REDOX y por lo tanto la
generación de voltaje; sin embargo, en un sistema donde la cantidad de agua es ligeramente mayor,
sistema de 80 ml de agua, el sistema se comporta similar pero con valores mucho más altos que
del sistema de 75 ml. Lo cual nos indica que el problema es la solubilidad del almidón.
Por otro lado, haciendo un análisis general sobre los factores que estarían influyendo en la densidad
de corriente, se puede ver claramente en las gráficas 1, 2, 3, y 4 que es el área de contacto del
electrodo quien domina el comportamiento de la densidad de corriente, lo cual se estudiará a
continuación.
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INFLUENCIA DEL ÁREA DE CONTACTO DEL ELECTRODO:
Se estudia la influencia del área de contacto del electrodo sobre la densidad de corriente para
diferentes concentraciones de almidón, desde 0.5/75 g/mL hasta 4/75 g/mL. Las condiciones bajo
las que se realizó este ensayo fueron:
Tabla 15:
Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 0.5 g
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2
Semicelda A B A B A B A B
H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml
H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml
Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g
Tabla 16:
Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 1 g
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2
Semicelda A B A B A B A B
H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml
H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml
Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g
Tabla 17:
Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 2 g
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2
Semicelda A B A B A B A B
H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml
H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml
Catalizador 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g
Tabla 18:
Parámetros de biocelda influencia del área del electrodo Almidón 4 g
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2 Semicelda A B A B A B A B H2O 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml 75 ml H2O2 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml 2 ml 0 ml Catalizador
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0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 g 0 g 0.5 gde
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Los resultados que se muestran en las Gráficas 7, 8, 9 y 10, y Tablas 7, 8, 9 y 10 (Anexo 3), se
observa que:
a)
Los resultados cuando la concentración de almidón es (0.5/75) g/mL (Gráfica 7), para
electrodo de 1.6 cm
2se observan tres etapas, la primera entre 0 - 1300 horas, donde la
densidad de corriente se incrementa hasta alcanzar su valor máximo 5.575 µA/cm
2.Una
segunda etapa entre 1300 – 3100 horas, la densidad de corriente se mantiene estable en el
rango de 4.25 µA/cm
2 -5 µA/cm
2y la tercera etapa entre 3300 - 4500 horas, donde la
densidad de corriente disminuye hasta 1.5 µA/cm
2.
Para áreas de electrodo de 4.12 cm
2, la densidad de corriente forma dos etapas, la primera
entre 0 – 1800 horas, en las cuales logra un valor máximo de 2.4 µA/cm
2, y la segunda
entre 1800 – 4400 horas, etapa en la cual la densidad de corriente se mantiene en el rango
de 0.0 µA/cm
2 –0.5 µA/cm
2.
Para áreas de electrodo de 9.5 cm
2y 19 cm
2la densidad de corriente se mantiene casi
constante a lo largo del tiempo con valores máximos de 0.25 µA/cm
2y 0.5 µA/cm
2respectivamente.
b)
También cuando la concentración de almidón (1/75) g/mL, (Gráfica 8), para áreas de
electrodo de 1.6 cm
2se observan tres etapas, la primera entre las 0 – 700 horas, etapa en la
cual la densidad de corriente alcanza su valor máximo 12 µA/cm
2, la segunda etapa entre
las 700 – 2600 horas, en la cual la densidad de corriente desciende hasta de alcanzar valores
cercanos a 5 µA/cm
2y la tercera etapa entre las 2600 – 2800 horas en la cual se mantiene
en el rango de 0 µA/cm
2- 0.5 µA/cm
2.
Para áreas de electrodo de 4.12 cm
2, la densidad de corriente forma dos etapas, la primera
entre las 120 – 1800 horas, en la cual logra su valor máximo 2.05µA/cm
2, y la segunda
entre 1800 –2800 horas, etapa de cese en la cual la densidad de corriente se mantiene en el
rango de 1.5 µA/cm
2 –0.3 µA/cm
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Para áreas de electrodo de 9.5 cm
2y 19 cm
2la densidad de corriente muestra una etapa a
lo largo de su tiempo de vida, alcanzando valores máximos de 0.71 µA/cm
2y 0.465 µA/cm
2respectivamente.
c)
Del mismo modo cuando la concentración de almidón es (2/75) g/mL, (Gráfica 9), para
áreas de electrodo de 1.6 cm
2se observan tres etapas, la primera entre las 10 – 2500 horas,
en la cual la densidad de corriente alcanza su valor máximo (6 µA/cm
2), la segunda entre
las 2900 – 3800 horas la densidad de corriente se mantiene estable en el rango de (2
µA/cm
2- 4 µA/cm
2) y la tercera entre las 3800 – 4200 horas, etapa en la cual culmina con
0.5 µA/cm
2.
Para áreas de electrodo de 4.12 cm
2, la densidad de corriente forma dos etapas, la primera
entre las 280 – 2000 horas, en las cuales logra su valor máximo (4.36 µA/cm
2), y la segunda
entre 2000 – 4200 horas, etapa culminante en la cual la densidad de corriente se mantiene
en el rango de (0.5 µA/cm
2 –0.35 µA/cm
2).
Para áreas de electrodo de 9.5 cm
2y 19 cm
2la densidad de corriente mantiene una única
etapa a lo largo de su tiempo de vida alcanzando valores máximos de 0.885 µA/cm
2y 0.455
µA/cm
2respectivamente.
d)
Asimismo cuando la concentración de almidón es (4/75) g/mL, (Gráfica 10), la densidad
de corriente para un área de electrodo de 1.6 cm
2, forma 2 etapas:
La primera entre las 0 – 1000 horas, etapa en que la densidad de corriente experimenta un
incremento exponencial de generación de energía, alcanzando su valor máximo de 9.39
µA/cm
2, y la segunda entre 1000 – 2100 horas en la cual hay un descenso hasta llegar a 4
µA/cm
2. Luego culmina en 0 µA/cm
2.
Para áreas de electrodo de 4.12 cm
2, entre las 0 – 2300 horas, la densidad de corriente
alcanza sus valores máximos de (3.45 µA/cm
2|) y decae lentamente hasta culminar su ciclo
de vida.
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Ingeniería
Para áreas de electrodo de 9.5 cm
2y 19 cm
2la densidad de corriente mantiene una única
etapa a lo largo de su tiempo de vida alcanzando valores máximos de 0.9 µA/cm
2y 0.25
µA/cm
2respectivamente.
Tabla 19:
Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (0.5/75) g/mL.
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2 Valor Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Min 0.15 1.50 0.01 3635 0.07 2870.50 0.05 4139 Max 5.58 477.50 2.40 491.50 0.595 1763.50 0.435 985Gráfica 7: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (0.5/75) g/mL.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Den sid ad d e co rr ien te (µA /cm ²) Tiempo (h) 19 cm² 9.5 cm² 4.14 cm² 1.6 cm²
Área de contacto del electrodo
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Ingeniería
Tabla 20:
Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (1/75) g/mL.
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2 Valor Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Min 0.035 3062 0.235 2814 0.015 1.50 0.025 1.50 Max 6 1230 2.05 394.50 0.715 828.00 0.93 504.00Gráfica 8: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (1/75) g/mL.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Densi da d de co rr ient e (µA /cm ²) Tiempo (h) 19 cm² 9.5 cm² 4.12 cm² 1.6 cm²
Área de contacto del electrodo
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Tabla 21:
Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (2/75) g/mL.
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2 Valor Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Min 0.52 82.50 0.035 7.50 0.015 30 0.01 18 Max 6 1390.50 4.36 259 0.885 271 0.46 464.50Gráfica 9: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (2/75) g/mL.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Densi da d de co rr ient e (µA /cm ²) Tiempo (h) 19 cm² 9.5 cm² 4.12 cm² 1.6 cm²
Área de contacto del electrodo
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Tabla 22:
Valores máximos y mínimos obtenidos en ensayos utilizando una concentración de
almidón de (4/75) g/mL.
Electrodo 1.6 cm2 4.12 cm2 9.5 cm2 19 cm2 Valor Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Densidad de corriente (µA/cm2) Tiempo (h) Min 0.235 6 0.105 56.5 0.01 56.5 0.03 2267.5 Max 9.39 918 3.45 216 0.74 609.50 0.39 334.50Gráfica 10: Influencia del área del electrodo con una concentración de almidón de (4/75) g/mL
En las Gráficas 7, 8, 9 y 10 muestra que a menor área de contacto de electrodo (1.6 cm
2), se obtiene
la mayor densidad de corriente demostrando que se cumple la siguiente definición:
𝐽 =
∆𝑉
𝑅 ∗ 𝐴
… … … (3)
Desde la relación inversa entre la densidad de corriente (J) y el área transversal del electrodo (A)
por lo tanto a mayor área transversal, menor será la densidad de corriente.
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 0 500 1000 1500 2000 2500 Den sid ad d e co rr ien te (µA /cm ²) Tiempo (h) 19 cm² 9.5 cm² 4.12 cm² 1.6 cm²
Área de contacto del electrodo
