Optimación de la celda de combustible acoplada al tratamiento de aguas residuales por medio de la variación de la resistencia del circuito

Texto completo

(1)OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. David Cardona Tamayo. Proyecto de Grado para optar por el título de Ingeniero Civil. Asesor:. Sergio F. Barrera T. Ingeniero Civil, MSc. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Bogotá D. C. Enero de 2004.

(2) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. TABLA DE CONTENIDO 1. Introducción. .......................................................................... 1.1. Objetivos Generales. 5. ........................................................ 7. 1.2. Objetivos Específicos ........................................................ 7. 2. Marco Teórico .......................................................................... 9. 2.1. Bases Teóricas. 9. ................................................................. 2.2. Metabolismo Celular. ........................................................ 11. 2.3. Celda de Combustible ........................................................ 17. 2.4. Celda de Combustible Biológica ...................................... 22. 3. Optimización de la CCB acoplada al Tratamiento de Aguas Residuales. .......................................................................... 27. 3.1. Supuestos Operacionales ............................................... 27. 3.2. Reactor Piloto y Operación ............................................... 31. 3.3. Resultados .......................................................................... 33. 4. Análisis de Resultados y Conclusiones ............................. 37. 4.1. Análisis de Resultados ........................................................ 37. 4.2. Conclusiones. ................................................................. 39. .......................................................................... 43. 5. Referencias. 2.

(3) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Comparación entre Reacciones Exergónicas y Reacciones Endergónicas .............................................................................. 14. Figura 2. Oxidación Metabólica de la Glucosa ....................... 17. Figura 3. Celda de Combustible Convencional ....................... 20. Figura 4. Celda de Combustible Biológica................................ 30. 3.

(4) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. LISTA DE GRÁFICAS. Gráfica 1. Voltaje vs Resistencia. ......................................... 35. Gráfica 2. Corriente vs Resistencia ......................................... 36. 4.

(5) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, los procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales se basan en la degradación relativamente controlada del sustrato orgánico por microorganismos. Estos obtienen energía del contaminante por medio de una reacción típica de oxidación-reducción, la cual es almacenada en forma de moléculas de ATP y luego utilizada en procesos metabólicos y reproducción celular. El crecimiento constante de los microorganismos o “lodos activados” sobrepasa la cantidad requerida en el proceso de tratamiento en un momento dado. Este exceso de lodos activados debe ser sedimentado y desechado de manera eficiente y cumpliendo con las normas de calidad de efluentes locales. Si esta biomasa pudiese ser sometida a condiciones de inanición o “respiración endógena”, se limitaría la producción de excesos de lodos y simplificaría los procesos operacionales de la planta de tratamiento de aguas residuales. La energía extraída del contaminante por los microorganismos es obtenida por medio de una serie procesos de oxidación-reducción a través de una ruta enzimática establecida. Si dicha ruta pudiese ser alterada mediante el cambio del agente oxidante final por el ánodo de una celda de combustible o batería, de manera que estos fluyan por un circuito externo, esta energía podría ser aprovechada. Basándose en la ausencia de cualquier otro agente oxidante en el lugar donde se lleva a cabo la oxidación del sustrato por las bacterias, el electrodo sería el único aceptor de electrones en el medio y la capacidad de aprovechar los nutrientes disueltos en el agua estaría limitada al área de este. Así, se podría pensar en el e stablecimiento. 5.

(6) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. de condiciones de respiración endógena después de la colonización del total de la superficie del electrodo por parte de la comunidad bacteriana. De esta manera se podría establecer una fuente de energía eléctrica y una posible solución a la producción de lodos de exceso en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Adicionalmente, los procesos convencionales de tratamiento de aguas residuales involucran al oxígeno molecular como agente oxidante, el cual debe ser disuelto en el agua por procesos de aireación y/o difusión. Este proceso constituye uno de los principales consumos de energía en la operación de una planta de tratamiento. Por lo tanto, si se lograse alterar el proceso de la manera propuesta, se lograría un ahorro energético y económico significativo en el funcionamiento de dichas plantas. En el pasado ha sido posible llegar a acoplar la celda de combustible a la ruta metabólica en los procesos de oxidación-reducción celular (Thurston, Bond y Loveley et al 2002; Benetto, 1990; Halme, Zhang y Ranta, 2000; Schröder, U., Nieben, J. y Scholz, F. A et al, 2000; Escalante et al 2002, entre otros), pero muchos se han llevado a cabo por medio de mediadores (Bond y Lovley, 2003; Benetto, 1990; Schröder, U., Nieben, J. y Scholz, F. A et al, 2000, entre otros). Estos funcionan como un medio conductor entre los electrones provenientes de las bacterias y el electrodo que conduce al circuito externo. Pero a su vez son compuestos tóxicos que constituirían un aporte de contaminación al agua que se desea tratar y un incremento en los costos de operación. Esto los hace poco viables de incluir en el proceso (Escalante et al, 2002). Los procesos que se han llevado a cabo con éxito, incluyendo los que usan mediadores y los que no, han constituido un. 6.

(7) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. avance importante en el área, pero no se ha llegado a obtener una potencia significativa en comparación con la energía disponible en la materia orgánica presente en las aguas residuales, y la principal deficiencia general consiste la producción de corriente en el circuito de la celda o batería (Schröder, U., Nieben, J. y Scholz et al, 2003). 1.1. Objetivos Generales Este proyecto de grado pretende llegar a un diseño de celda acoplada al tratamiento de aguas residuales sin mediador capaz de incrementar la energía eléctrica aprovechable. Esto por medio de la implementación del diseño y escogencia de materiales de los que está hecho cada dispositivo de la celda. Todo por medio de la evaluación el efecto que tiene cada parámetro en el funcionamiento de esta. Todo para establecer una relación entre la variación de dichos parámetros y la eficiencia del proceso. 1.2. Objetivos Específicos Entre lo objetivos específicos a lograr en este proyecto de grado, la manera como la resistencia interviene en los valores de potencia producida se considera principal. La resistencia consiste en una restricción directa en el flujo de electrones a través de cualquier conductor (Serway et al, 1990). Para esto se tomó en cuenta la resistencia en el circuito y de los posibles medios en la celda por los cuales se podrían transferir los electrones hasta el agente oxidante final. También se pretendió definir el agente oxidante de óptimo desempeño en el establecimiento del potencial eléctrico entre la cámara de reducción y. 7.

(8) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. oxidación en la celda. Esto incluyó variantes en las condiciones químicas y mecánicas de la cámara de oxidación, tales como agitación y pH. Adicionalmente, se pretende evaluar la eficiencia de la celda de combustible con un electrolito no convencional. Este consiste en una solución salina separada de las otras partes de la celda por membranas iónicas que permiten el paso de cargas específicas.. 8.

(9) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 2. MARCO TEÓRICO 2.1. Bases Teóricas Dada una carga eléctrica, q0, que establece un campo eléctrico E en el espacio. Este origina una fuerza eléctrica que actúa sobre otra carga cualquiera en el espacio. La magnitud de dicha fuerza se define con base en la magnitud de la carga, q0, como la multiplicación de la magnitud del campo eléctrico por magnitud la carga, q0E (Serway, R. et al, 1990). Por definición, el trabajo realizado por el campo eléctrico en cuestión sobre una carga cualquiera, q, en el espacio, es la multiplicación de la fuerza ejercida sobre la carga debido al campo eléctrico por la distancia que recorre la carga bajo la acción dicha fuerza (Serway et al, 1990). Asimismo, el cambio en la energía potencial, dU, se define como el valor negativo del trabajo realizado a través de un desplazamiento infinitesimal debido a la fuerza, ds: dU = - q0 x E x ds. (1). Si el desplazamiento de la carga de prueba, q0, se lleva acabo por una trayectoria finita de A hasta B, el cambio total en la energía potencial se representa mediante la integral de línea: -q0 A?BE*ds = UB – Ua = ?U Así, se define la diferencia de potencial, VB - VA, como el cambio de la energía potencial divido entre la carga de prueba: VB - VA = ?U/ q 0. (2). De esta manera, la diferencia de potencial se define como la cantidad de trabajo por unidad de carga que debe realizar un agente externo para mover una carga de A hasta B sin sufrir ningún cambio en la energía cinética del sistema (Serway, R. et al, 1990).. 9.

(10) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. En el Sistema Internacional de unidades, la unidad que indica el trabajo por unidad de carga se llama voltio, y se define como: 1Voltio = 1Joule/1Coulomb La corriente, I, se define como la tasa de paso de cargas a través de un área transversal: I = dQ/dt. (4). Y esta se da en unidades en del Sistema Internacional en Amperios, A. Esta unidad se define como el paso a través de un área transversal de 1 Coulomb en 1 segundo (Serway et al, 1990). La existencia de un campo eléctrico en un conductor, produce un flujo de electrones, o corriente, a través de este (Serway et al, 1990). Si se define la densidad de corriente como la corriente en un conductor dividida entre el área transversal de este: J = I/A. (5). Y si el potencial eléctrico que esta produciendo el flujo de cargas en el conductor es mantenido constante, la corriente se mantendrá constante (Serway et al, 1990). De esta manera, la Ley de Ohm establece una relación tal como se indica a continuación: J=sE Donde s representa una constante que es independiente del campo eléctrico, y depende exclusivamente de las propiedades del material (Serway, R. et al, 1990). En un conductor de longitud total, L, se puede definir el potencial eléctrico como el producto del campo eléctrico, E, por la longitud total del conductor (Serway, R. et al, 1990). Al manipular los términos de la ecuación, se. 10.

(11) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. puede observar que la corriente y el voltaje siempre van a estar relacionados por medio de una constante, quedando de la forma: V = (L/s A) I. (6). De manera que se obtiene la definición de resistencia a partir de dicha constante: R = V/I. (7). La cual es el cociente de la longitud del conductor y el producto del área del conductor y su constante de conductividad s (Serway, R. et al, 1990). Esta representa la oposición al movimiento de las cargas a través del conductor en cuestión y es típica de cada material (Serway, R. et al, 1990). 2.2. Metabolismo Celular La energía contenida en la materia orgánica es aprovechada por los seres vivos heterótrofos, que se caracterizan por ser incapaces de hacer uso de otra fuente de alimento. Estos inducen una reacción de oxidaciónreducción a nivel celular. Dicha reacción se basa en la pérdida de electrones por un agente reductor y la ganancia de estos por un agente oxidante (Zumdahl y Zumdahl et al, 2000). El paso de los electrones de una sustancia a la otra se lleva a cabo a través de un circuito biológico conformado por una serie de compuestos enzimáticos que funcionan por medio de reacciones de oxidación- reducción parciales en serie, hasta el aceptor final de electrones o “agente oxidante” (Zumdahl y Zumdahl et al, 2000). Y es en este circuito donde se aprovecha la energía de dicho flujo de cargas. La excepción a esto es la fermentación, la cual no incluye un agente oxidante final externo (Gaudy y Gaudy et al, 1980).. 11.

(12) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. En el metabolismo de los seres vivos, el agente reductor es la materia orgánica y el agente oxidante depende del tipo de respiración que lleva a cabo el ser vivo en cuestión. El oxígeno es el utilizado por animales superiores (Zumdahl y Zumdahl et al, 2000; Gaudy y Gaudy et al, 1980). Este tipo de respiración se le llama aeróbica (Benefield y Clifford et al, 1980). A nivel microbiológico, existe un mayor número de compuestos que sirven como agente oxidante. Cuando este no es oxígeno, se conoce como respiración anaeróbica (Benefield y Clifford et al, 1980). Existen cepas de bacterias que pueden llevar a cabo ambos tipos de respiración, y por lo tanto usar varios compuestos como agente oxidante y se conocen como bacterias facultativas (Gaudy y Gaudy et al, 1980). Sin embargo el más común entre los procesos de microorganismos conocidos y el más usado en procesos de tratamiento de aguas residuales, es la respiración aeróbica (Orozco et al, 1985). La materia orgánica insoluble es fragmentada por exoenzimas secretadas por los microorganismos. Luego esta es incorporarla al interior de la célula y se retoma el proceso descrito a continuación. (Orozco et al, 1985). Los microorganismos heterótrofos absorben la materia orgánica disuelta en el agua empleándola como fuente de energía (Orozco et al, 1985). Esto se lleva a cabo a través de la membrana celular. En el interior de la célula, la materia orgánica es transformada en compuestos más elementales gracias a reacciones enzimáticas oxidativas (Gaudy y Gaudy et al, 1980). En estas reacciones actúan endoenzimas en conjunto con coenzimas de la célula. El aparato enzimático celular total funciona como transporte de electrones. 12.

(13) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. entre los diversos lugares donde se lleva a cabo el proceso. La coenzima más importante es dinucleótido de adenina nicotinamida, cuya forma reducida corresponde a NADH y la oxidada a NAD (Orozco et al, 1985). Mas esta es sustituida en varios procesos por FAD o quinona, caso para el cual se obtendría una eficiencia menor (Benefield y Clifford et al, 1980). Los electrones son llevados hasta los últimos compuestos celulares del proceso, conocidos como citocromas. Estos son los que ceden los electrones al agente oxidante final (Orozco et al, 1985; Benefield y Clifford et al, 1980). Todo tipo de respiración consiste en liberar energía de los complejos y abundantes enlaces de hidrógeno en las moléculas orgánicas(Orozco et al, 1985). La energía contenida en estos compuestos incrementa con el número de dichos enlaces. Esto debido a que cada electrón extraído debe ser compensado con la pérdida de un ión H + (Orozco et al, 1985). Este tipo procesos se conocen como catabólicos (Benefield y Clifford et al, 1980; Orozco et al, 1985). La energía desprendida de los enlaces de hidrógeno es usada para las síntesis de moléculas de ATP (Trifosfato de Adenosina) (Benefield y Clifford et al, 1980; Orozco et al, 1985). Este compuesto constituye la principal reserva energética de los seres vivos. La energía contenida en estas moléculas es usada al deshacer uno de los enlaces de fósforo cuando la célula lo requiera. El producto final por cada molécula de ATP sometida a dicho proceso es una molécula ADP (Difosfato de Adenosina) (Benefield y Clifford et al, 1980). La energía que pueden aprovechar los microorganismos contenida en los compuestos orgánicos, y en general en toda reacción de oxidación-. 13.

(14) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. reducción que libere energía, se representa como la energía libre de Giggs de la reacción. Esta se representa como ?G y se calcula como se indica a continuación: ?G = ?H - T?S. (8). Donde G es la energía libre de Giggs, H la entalpía o energía interna, T la temperatura absoluta y S la entropía (Zumdahl y Zumdahl et al, 2000). De esta manera se establece la energía que necesita o libera una reacción química. Si esta requiere energía se conoce como endergónica y si libera energía se conoce como exergónica (Figura 1) (Zumdahl y Zumdahl et al, 2000). Se establece que una reacción química con energía libre de Giggs de signo positivo, consume energía para llevarse a cabo. Esto por contar con más energía al final que al comienzo de la reacción (Benefield y Clifford et al, 1980). De la misma manera, una reacción exergónica se caracteriza por presentar una energía libre de Giggs con signo negativo (Benefield y Clifford et al, 1980). Al no requerir energía del medio, las reacciones exergónicas se llevan a cabo espontáneamente. La oxidación de la materia orgánica consiste en una reacción exergónica. Pero para este caso, el proceso se llevaría a cabo a tasas muy bajas en ausencia del aparato enzimático de las células vivas (Benefield y Clifford et al, 1980).. 14.

(15) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Figura 1. Las reacciones exergónicas liberan energía al medio, por lo cual su cambio en la energía contenida en los compuestos es de signo negativo. Las reacciones endergónicas requieren de energía proveniente del medio, por lo cual presentan un cambio de signo positivo en la energía total contenida en los reactantes.. En la fermentación, el proceso de oxidación solamente se lleva a cabo el ciclo metabólico de glucólisis. En este se produce 4 moléculas ATP a partir de 2 de las mismas moléculas (figura 2) (Benefield y Clifford et al, 1980). Este proceso es la parte inicial de los procesos de respiración aeróbica y anaeróbica (Orozco et al, 1985¸ Gaudy y Gaudy et al, 1980). Pero el producto final de la fermentación, ácido pirúvico, es procesado a etanol y dióxido de carbono. El etanol aún contiene parte de la energía contenida en la glucosa. Esto hace que el proceso sea incompleto y su eficiencia considerablemente menor en comparación con la respiración aeróbica y anaeróbica, ya que se obtiene una ganancia neta de 2 ATP por molécula de glucosa consumida. Estas moléculas pueden entregar una energía de 7 KCal/mol cada una (14 en total) ante 57 de estas unidades disponibles en la glucosa. Esto indica una eficiencia del 25% (Orozco et al, 1985). Adicionalmente, en la ausencia de un aceptor externo de electrones e iones H+, estos son aceptados por la coenzima NAD (Orozco et al, 1985). Este proceso se conoce como fosforilación a nivel de sustrato y todos los seres heterótrofos lo llevan a cabo (Gaudy y Gaudy et al, 2003; Atkins y Jones, 1997) Para los casos de respiración en que no es posible la reducción final del oxígeno, o respiración anaeróbica, se pueden usar otros agentes oxidantes finales. Estos podrían ser sulfatos, hierro férrico, nitratos, dióxido de 15.

(16) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. carbono, entre otros (Benefield y Clifford et al, 1980, Orozco et al, 1985). La principal diferencia entre la respiración anaeróbica y la aeróbica es el potencial redox del agente oxidante final. El oxígeno presenta un potencial redox menor que otros agentes oxidantes, y por lo tanto una tendencia a atraer los electrones con mayor energía. Esto aumenta la capacidad de producción de moléculas de ATP por electrón (Benefield y Clifford et al, 1980; Atkins et al, 1991). En este caso, el proceso adicional a la fosforilación a nivel de sustrato, se conoce como fosforilación oxidativa (figura 2) (Gaudy y Gaudy et al, 1980; Orozco et al, 1985; Atkins y Jones, 1997). En la respiración aeróbica, el oxígeno es el aceptor final de electrones e iones H+, para producir finalmente H2O (Orozco et al, 1985). De esta manera los electrones y protones son extraídos de la coenzima NADH (Orozco et al, 1985). Así, el ácido pirúvico producido por la glicólisis es convertido en Acety CoA y entra en el ciclo de Krebs, o ciclo del ácido tricarboxílico (Orozco et al, 1985). En dicho ciclo, este compuesto es oxidado hasta CO2 y agua (figura 2). Debido a esto, se logra una mayor eficiencia en la producción de moléculas de ATP con respecto a los otros tipos de respiración, que es de 38 (Orozco et al, 1985). Estas entregan 266 KCal/mol de 688 totales disponibles en el proceso total por mol de glucosa (Orozco et al, 1985). Este proceso alcanza una eficiencia del 39% (Benefield y Clifford et al, 1980, Orozco et al, 1985). Todas las ventajas de oxígeno como agente oxidante radican en su abundancia en la atmósfera terrestre y su alto potencial de oxidación. Por lo tanto, esto se traduce en su amplia disponibilidad y alta eficiencia.. 16.

(17) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. El proceso global se ve ilustrado en la figura 2.. Figura 2. La fosforilación a nivel de sustrato es el total del proceso del proceso de fermentación y la inicial de todo proceso de respiración. Para la respiración aerobica y anaerobica existen compuestos celulares que permiten el transporte de electrones hasta niveles de oxidación más altos, permitiendo una mayor cantidad de energía obtenida por mol de sustrato. El último nivel de oxidación a nivel celular se presenta en las citocromas, las cuales son las encargadas de ceder los electrones al agente oxidante final. (Gaudy y Gaudy et al, 1980).. 2.3. Celda de Combustible Cuando se lleva a cabo una reacción espontánea, se libera energía a medida que esta se lleva a cabo. Mientras esto sucede, la energía libre de Giggs en los reactantes decrece hasta consumirse totalmente en forma de calor (Linden et al, 1984). La celda voltaica es un dispositivo destinado a aprovechar esta energía calórica liberada como energía eléctrica. Todo bajo las restricciones correspondientes a dicha conversión (Sisler, Vander Werf y Davidson et al, 1957). La reacción de oxidación- reducción que se lleva a cabo en la celda, debe se separada en 2 reacciones independientes 17.

(18) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. que suceden en 2 lugares diferentes. Una de oxidación y otra de reducción. La separación procura evitar que la transferencia de electrones se lleve cabo de manera directa entre el compuesto oxidado y el reducido. De esta manera, la celda de combustible es un dispositivo en el cuál en uno de sus compartimentos se lleva a cabo la oxidación del agente reductor y en otra, la reducción de un agente oxidante (Linden et al, 1984). El flujo de electrones de la semi-reacción de oxidación a la de reducción se lleva a cabo por un medio circuito externo. En este circuito se puede aprovechar la energía química liberada en la reacción como energía eléctrica (Linden et al, 1984). El agente oxidante en la mayoría de celdas de combustible es el oxígeno (Zumdahl y Zumdahl et al, 2000). Las semi-reacciones se representan con las siguientes ecuaciónes: AR ? AR oxidado + ne AO + ne - ? AO reducido Donde AR = agente reductor y AO = agente oxidante. La estequiometría de la reacción indica que el número de electrones que salen del agente reductor es igual al que llega al agente oxidante (Benefield y Clifford et al, 1980). Para que se lleve a cabo esta reacción de la manera deseada, debe haber un electrodo inerte que conecte cada semi-reacción al circuito externo en cada una de las cámaras. El electrodo que recibe los electrones del agente reductor se conoce como ánodo o electrodo negativo y el que entrega los electrones al agente oxidante se conoce como cátodo o electrodo positivo (Linden et al, 1984). El circuito externo se encarga de transmitir el potencial redox de los reactantes entre ánodo y cátodo (Linden et al, 1984).. 18.

(19) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Adicionalmente, se debe llevar a cabo una compensación de cargas para que la reacción se siga llevando a cabo. Esto se hace por medio de un electrolito o puente salino, el cual consiste en una solución salina que aporta iones con la carga opuesta adquirida correspondiente a cada semireacción (Linden et al, 1984). Las ecuaciones a continuación representan los procesos que se llevan a cabo en cada electrodo luego de que se ha oxidado el agente reductor y antes de que se reduzca el agente oxidante: Ánodo reducido ? Ánodo oxidado + ne Cátodo oxidado + ne - ? Cátodo reducido Hasta este punto no existe diferencia entre una celda de combustible y una batería. Una celda de combustible consiste en un dispositivo que es alimentado externamente de manera constante con el compuesto que sirve de agente reductor o combustible (Figura 3). Mientras que en el caso de la batería, esta se descarga al agotarse la energía química disponible en la reacción de cantidades limitadas de reactivos (Linden et al, 1984).. 19.

(20) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Figura 3. El combustible, rico en enlaces de hidrógeno, es oxidado al entrar en contacto con el ánodo. Los electrones pasan del ánodo al circuito externo a través de la resistencia hasta el cátodo. En el cátodo los electrones son atrapados por el agente oxidante, el cual es reducido. El desbalance de cargas de ambos compuestos es compensado por el flujo de iones aportados por el electrolito.. El trabajo que se puede obtener como energía eléctrica en la celda de combustible está dado por el voltaje teórico y la capacidad de la celda. Se debe partir de la definición de energía libre de Giggs, la cual se puede expresar, además de la ecuación (8), como: ?G = -nFE0. (9). Donde n = número de electrones involucrados en la reacción, F = constante de Faraday (96,500 C o 26,6 Ah) y E 0 = potencial redox estándar (V) (Linden et al, 1984).. 20.

(21) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. El potencial estándar se calcula a partir de los datos experimentales de energía libre de cada uno de los compuestos activos de cada semireacción (Linden et al, 1984; Zumdahl y Zumdahl et al, 2000). La suma del potencial de ambas semi-reacciones constituye el potencial redox teórico de la reacción global y, por lo tanto, de la celda (Linden et al, 1984). Otros parámetros que son tomados en cuenta son la concentración de reactivos y la temperatura, tal como lo expresa la ecuación de Nernst: E = E 0 – (RT / nF) ln Q. (10). Donde E = potencial, E 0 = potencial teórico, R = constante universal de los gases, T = temperatura absoluta, n = número de electrones involucrados, F = constante de Faraday y Q = reactividad relacionada con la concentración de los compuestos involucrados (Linden et al, 1984). La capacidad teórica se expresa como la cantidad de electricidad involucrada en la reacción electroquímica y se da en Coulombs o Amperiohora (Linden et al, 1984). En teoría, un gramo equivalente de un material libera 96,487 C o 26,8 Ah (Linden et al, 1984). La capacidad teórica de una celda se calcula a partir de la suma de las capacidades de cada uno de los pesos equivalentes de los reactantes (Linden et al, 1984). De esta manera, la potencia disponible en la celda de combustible se define como el producto del potencial redox estándar y la capacidad teórica de de la celda y se expresa en Vatios-hora: Potencia (Wh) = potencial redox estándar (V) x Capacidad teórica (Ah) (11). 21.

(22) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 2.4. Celda de Combustible Biológica El concepto de CCB surgió en la década de 1960, cuando la NASA empezó a llevar cabo estudios para obtener fuentes de energía que contribuyeran a mantener una ecología adecuada en las naves espaciales (Lewis, 1996). Esto gracias a la degradación de los detritos producidos por sus tripulantes. De esta manera se llegó al planteamiento teórico de la CCB, que propone la obtención de energía por medio de la degradación de la materia orgánica por medio de la reacción de oxidación-reducción típica del metabolismo celular (Lewis, 1996). Hoy las investigaciones apuntan a diversos fines, tales como la obtención de energía para implantes médicos para combatir el cáncer (Lin, 2002) y un sistema de alimentación continua para máquinas con base en combustibles orgánicos como azúcar (Wilkinson, 2000) Se ha probado que con electrodos de platino o grafito sumergidos en profundidades de 50 metros bajo la superficie del mar, existen bacterias del género Geobacteraceae que se adhieren a estos electrodos (Bond, Holmes, Tender y Lovley et al, 2002). Estas generan una corriente eléctrica en un circuito conectado al electrodo. Esta energía es obtenida de la oxidación de los sedimentos marinos. Este montaje ha generado una potencia de 0,01 W/m2 de electrodo. Dicho resultado comprueba que sí existen cepas de bacterias capaces de servir como catalizador en la reacción de oxidación de una celda de combustible (Bond, Holmes, Tender y Lovley et al, 2002). En la celda de combustible convencional, la reacción de oxidaciónreducción de los compuestos minerales se lleva acabo de manera. 22.

(23) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. espontánea (Linden et al, 1984). Esto se debe a la pronunciada tendencia a ceder electrones del agente reductor y la de aceptarlos del oxidante. En la materia orgánica, la energía disponible no es cedida de manera espontánea a tasas considerables, como ocurre con los compuestos minerales usados en celdas de combustibles convencionales. Es por esto que es necesario la función de catalizador dado por la biomasa para que se lleve a cabo el proceso (Figura 4). Los microorganismos usan el ánodo de la celda como aceptor final de electrones del proceso regular, el cual recibe los electrones y los conduce al circuito externo de la celda (Figura 4). En este proceso se ven involucradas todas las reacciones correspondientes al metabolismo celular. Los compuestos enzimáticos celulares son muy eficientes en la transferencia de electrones al agente oxidante, en este caso el ánodo (Bockris y Reddy et al, 1970). Las enzimas más importantes en proceso son las oxidoreductasas (Bockris y Reddy et al, 1970). Este proceso de degradación de la materia orgánica se conoce como combustión fría (Sell, D. et al, 2001). En esta se cancela el término T ?S de la ecuación (8), ya que no se requiere de adición de energía calórica, y toda la energía disponible es convertida en eléctrica (Bockris y Reddy et al, 1970). En las celdas convencionales esto es una limitante que se basa en el ciclo de Carnot. Al no existir esta limitación para las CCBs, sobresale la ventaja en la eficiencia y operación de estas (Bockris y Reddy et al, 1970; Bond y Lovley, 2003, Sell, D. et al, 2001). Para algunas CCBs ensayadas con éxito se han usado cultivos bacterianos puros (Lin, 2002; Bond y Lovley et al, 2003; Schröder, U., Nieben, J. y Scholz, F. A et al, 2003, entre otros). Pero si se toma el agua residual como. 23.

(24) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. combustible de la celda, inmediatamente es necesario pensar en la variabilidad de los componentes de esta. Una sola cepa de bacterias sería incapaz de adaptarse a un medio sumamente cambiante. Es por eso que se necesita una diversidad biológica relativamente amplia en los lodos a usar en una CCB acoplada al tratamiento de aguas residuales (Escalante et al, 2002). Según Metcalf y Eddy et. al., la energía involucrada en la metabolización del sustrato en las aguas residuales domésticas, la cual se lleva a cabo en la cámara de oxidación, corresponde a: 1/50C10H19O3N + 9/25H2O —> 9/25CO2 + 1/50 NH4+ + 1/50HCO3- + H+ + e (12) Donde la energía libre de Gibbs es –31.80 KJ por mol. Metcalf y Eddy et al, proponen que la semi-reacción de reducción del oxígeno se basa en la ecuación: 1/4O 2 + H+ + e - —> 1/2 H2O. (6). Donde se liberan -78.14 kJ por mol (?G0). De esta manera, el voltaje teórico para cada una de las semi-reacciones se puede encontrar con base en la ecuación (2): E0 = 31.80 kJ/mol/ (96,500 C*1) = 0,33 V/mol E0 = 78.14 kJ/mol/ (96,500 C*1) = 0,81 V/mol Así se obtiene el voltaje teórico de la celda, el cual es la suma algebraica de los voltajes teóricos de las semi-reacciones: E0 = 0,33V + 0,81V = 1,14V. 24.

(25) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Con esto se puede encontrar la energía libre de Giggs teórica de la celda con al ecuación (2) ? G0 = -(1)(96,500C)(1,14V) = -110,01 kJ/mol ? G0 = -110,01 kJ/0.25 mol de O 2 = 440.04 kJ/mol de O 2 En una población de 10,000 habitantes, donde se asigna una producción de contaminación per cápita de 50 g de DBO5 al día (RAS-98, 1998). Si se asume que la producción de energía obedece a un aprovechamiento de eficiencia del 100% del proceso: 50 g DBO5/hab*día x DBO/0,6 DBO5 x 1 mol O2/32g x 440,01 kJ/ mol O2 x 1día / 86400 s x 10,000 = 132,62 kW Sin embargo, para el metabolismo aerobio de la materia orgánica, Sell et al, establece que: Materia Orgánica Hidrogenizada +1/2O2? H2O + Materia Orgánica Dehidrogenizada Presenta E 0 = 1,14V y libera 220 kJ/mol. Para una población de 10,000 habitantes y una carga per cápita estimada de 50 g de DBO5 / día (RAS-98, 1998) y de la ecuación anterior, se establece que: (220kJ/mol de O 2)x(mol de O 2/32 g)x(50g de O2/habitante*día)x(10,000)x(1día/86,400s)x(DBO5/0.6DBO) = 66.33 kW. Y se establece que la potencia sugerida para un aireador comercial oscila entre 1,2 y 2,4 kg de O2/kW-hora (Metcallf y Eddy et al, 2003). De manera que para el requerimiento máximo de oxígeno disuelto para esta población es de:. 25.

(26) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 50g DBO5/0.6DBO) x (10,000) x (1kg/1,000g) = 833.33 kg de O 2 al día (833.33 kg O 2)/ (2,4 kg de O 2/kW-hora) x (1día/24 horas) = 14.5 kW De manera que por medio de una degradación aerobica de la materia orgánica se lograría obtener una cantidad de energía capaz de suplir los requerimientos energéticos máximos de los aireadores de una planta de tratamiento y en una producción de energía disponible para otros usos.. 26.

(27) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 3. OPTIMIZACIÓN DE LA CCB ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 3.1. Supuestos Operacionales En la CCB acoplada al tratamiento de las aguas residuales se presentan radicales diferencias entre esta y las CCB convencional. La principal consiste en la necesidad de una biomasa diversa para un sustrato cambiante, tal como ya se enunció. Es por esto que se debe descartar el uso de cultivos bacterianos puros, como se han usado en otras CCBs. De esta manera se incrementa la posibilidad del crecimiento de bacterias capaces de ceder electrones al ánodo por medio de una citocroma de su ruta metabólica. Se asume que esta debe ubicarse en la parte externa de su membrana celular (Orozco et al, 1985¸ Gaudy y Gaudy et al, 1980). En el lugar donde se lleva a cabo la semi-reacción de oxidación o cámara de oxidación se plantean condiciones completamente anaerobias. Así, el oxígeno no puede competir por los electrones a extraer de la materia orgánica disuelta en el agua. Si esto no se cumple, la biomasa no tendría la necesidad de ceder electrones al ánodo ante la presencia de otro agente oxidante. Esto se debe a que una ruta más directa se traduce en un menor gasto energético para el microorganismo. Se plantea que el único aceptor de electrones en dicho medio debe ser el electrodo. Así, se ejercería cierto control sobre la ecología del reactor. De esta manera se estaría promoviendo el crecimiento de bacterias que desarrollen potencial eléctrico. 27.

(28) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. máximo en la celda. Todo esto llevaría a la optimización de la eficiencia en la celda. Dicha eficiencia sería medida en energía obtenida por cantidad de sustrato disuelto, o bien energía disponible. El electrodo presente en la cámara de oxidación debe proporcionar un área disponible para la adhesión de la biomasa. Por esto, se plantea que entre mayor sea el área, mayor será la cantidad de biomasa adherida a este. Con esto se incrementaría la tasa de transferencia de electrones al circuito externo. Todo indicaría un aumento en la corriente de la celda. El circuito externo debe consistir en un medio conductor en el cual se pueda fijar una resistencia controlada, de manera que se puedan lograr los objetivos planteados para el proyecto. Adicionalmente debe ser un buen contacto entre los electrodos de cada una de las cámaras. Para la semi-reacción en la cámara de reducción, se debe proporcionar un medio de potencial de oxidación máximo para así maximizar el potencial de la celda. Existe una gran diversidad de agentes oxidantes posibles, de los cuales en este proyecto de grado se usan oxígeno y cloruro férrico (FeCl3) (Figura 4). Ambos compuestos presentan una afinidad por los electrones o potencial de oxidación aceptable. El electrodo que conecta dicha cámara con el circuito externo debe ser inerte, de manera que no sea oxidado por el agente oxidante presente en el medio. El área de este también se considera un factor de determinante en la eficiencia de la celda. El electrolito o puente salino debe consistir en un medio capaz de suministrar la cantidad de iones necesaria para compensar las cargas que toma cada compuesto en las respectivas reacciones. La solución empleada contiene cloruro de sodio, el cual presenta ambas cargas. El paso de iones. 28.

(29) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. es controlado por una membrana iónica, la cual separa ambas cámaras de la solución salina. La membrana aniónica (permite el paso de iones positivos) es la que conecta el electrolito con la cámara de reducción. La catiónica (retiene iones positivos) conecta el electrolito con la cámara de oxidación. La solución en el puente salino conservará una cabeza de altura con respecto a ambas cámaras. Esto con el fin de que la presión osmótica y la cabeza de altura garanticen el flujo de cargas en dirección de ambas cámaras. Así, se pretende que se lleve a cabo la compensación de cargas. Durante las fases finales de la operación del reactor piloto, se estableció un puente salino convencional. Esto consistió en una manguera siliconada de ¼ de pulgada. Esta contenía en su interior una solución salina de 100g/Lt que se separaba de combustible y agente oxidante por una membrana semipermeable en cada uno de sus extremos. La resistencia, al fijar un nivel determinado de energía para el flujo de electrones, ejerce un papel fundamental en la ecología del reactor. Al colocar esta a un nivel relativamente alto, ejercerá un factor limitante para el crecimiento de la biomasa, favoreciendo cepa(s) bacteriana(s) capaces de aportar electrones con una energía necesaria para superar dicha resistencia. Esto implica un voltaje proporcional a la resistencia. También se supone la producción de una corriente que, en teoría, debería ser constante y proporcional al área del ánodo. Luego de saturada el área del ánodo, si se disminuye la resistencia, eventualmente la biomasa adherida podría incrementar la tasa de transferencia de electrones. Esto incrementaría la magnitud de la corriente producida, y por lo tanto, la potencia de la celda.. 29.

(30) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Figura 4. Las bacterias funcionan como catalizador en el proceso de oxidación de la Materia Orgánica (MO). Son las citocromas las que entregan los electrones al ánodo. En la cámara de reducción, el Hierro férrico (Fe+++) es reducido al aceptar los electrones que llegan al cátodo, pasando a la forma de hierro ferroso (Fe++). Finalamente, el hierro ferroso es oxidado por el oxígeno presente en la celda y vuelve a pasar a la forma de hierro férrico. El puente salino compensa las cargas positivas adquiridas en la cámara de oxidación cediendo iones cloruro (Cl-). Las cargas negativas adquiridas en la cámara de reducción son compensadas con el flujo de iones sodio (Na +).. Al no existir un aceptor de electrones diferente al ánodo, a partir del momento en que la biomasa sature el área de este, la reproducción de las cepas deseadas se debe limitar a las formaciones de biopelículas en torno a dicho electrodo. En estas comunidades bacterianas, las complejas interrelaciones entre los microorganismos permiten el flujo de electrones por rutas alternativas hasta el aceptor en cuestión sin necesidad de que las bacterias se encuentren en contacto directo con el aceptor final. Así, se lograría una reproducción celular en torno al ánodo aumentando el grosor de la biopelícula. Si se supone la ausencia de otros aceptores de. 30.

(31) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. electrones para el remanente de cepas bacterianas, se podría pensar en la exclusividad de la viabilidad del medio solo para las cepas generadoras de voltaje en el circuito. Adicionalmente se podrían establecer condiciones de inanición para el resto de bacterias. De esta manera se. limitaría la. producción de lodos indeseados en la cámara de oxidación. 3.2. Reactor Piloto y Operación El reactor piloto fue operado con éxito parcial en los laboratorios del CITEC entre los meses de Septiembre y Diciembre del año 2003. El reactor consistió en un recipiente de acrílico dividido en 3 secciones transversales. La sección intermedia corresponde al electrolito. Esta separa las cámaras de oxidación y de reducción. En dicho compartimiento se colocó una solución de cloruro de sodio en una concentración de 100g/Lt, que se comunica con ambas cámaras por medio de membranas iónicas. En la cámara de oxidación se acopló un sistema de alimentación continua. En un comienzo se utilizó agua del río Bogotá a la altura de la calle 80 como combustible, pero por motivos de seguridad e higiene, se cambió por una solución de agua con leche en polvo como sustrato en una concentración de 10mg/Lt, garantizando una DBO de 20,000mg/Lt. En ambos casos ambas soluciones presentaban el contenido de nutrientes proteicos y energéticos necesarios para un crecimiento bacteriano adecuado. En la cámara de oxidación se inoculó una semilla de lodos activados de la planta de tratamiento de aguas residuales del municipio de Tenjo, Cundinamarca.. 31.

(32) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. En ambas cámaras se colocaron electrodos de grafito de área superficial de 26,25 cm2. Estos fueron cambiados posteriormente por electrodos del mismo material de área superficial de 10,55 cm2. La interfase entre ambos electrodos consistió en un cable de cobre de calibre 16. En este se colocó la resistencia deseada. Adicionalmente, en el circuito se colocó un multímetro digital con resolución de 2000 mV y 200 µA, que se conectó en paralelo para la medición del voltaje y en serie para la medición de corriente. En primer lugar se estableció oxígeno como agente oxidante. Este se incluyó en la cámara de reducción por medio de una piedra difusora impulsada por un aireador P-350. Posteriormente, se añadió cloruro férrico. Este compuesto aporta hierro en forma de ión férrico a la solución (Fe+++), que al recibir los electrones del cátodo, se convierte en ión ferroso (Fe++). Dicho compuesto, al ser oxidado por el oxígeno en el agua, vuelve a pasar a la forma de hierro férrico, cerrando el ciclo. Paralelamente se modificó el fondo de la cámara de reducción, de manera que se estableció una pendiente de fondo descendiente desde las paredes de este hasta el centro del área. En este nivel inferior se colocó el cátodo, de manera que se facilite el contacto del cátodo con el hierro férrico precipitado gracias a la sedimentación de este. Para esto se debió hacer un seguimiento del pH, debido a que en el rango ácido de este, el hierro férrico permanece soluble. Esto evitaría su sedimentación hasta el electrodo. El control del pH se llevó a cabo mediante la dosificación controlada de bicarbonato,. 32.

(33) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 3.3. Resultados En un comienzo se registraron voltajes en el circuito externo que oscilaban entre 1,2 o 0,1 mV, una corriente que oscilaba entre 0,0 y 0,5 µA. Estos resultados se incrementaron 18 días después, cuando se registró un voltaje de 1,3mV y una corriente que oscilaba entre 0,0 y 1,0 µA. La resistencia en el circuito externo fue de 1000Ω. Estos valores se mantuvieron por un intervalo de 6 días, para luego ambos descender hasta 0,0. Seguidamente se implementó el sistema de alimentación continua, que solucionó el problema de discontinuidad en el tiempo, ya que sin este, el reactor consistía en una batería. Al final de este periodo de operación se midió la concentración de iones cloruro en ambas cámaras y se encontró en la cámara de reducción una concentración de 800 g/Lt y en la de reducción de 2140 g/Lt. Posteriormente, se llevó a cabo el cambio de los electrodos como se ha indicado, y la resistencia se disminuyó a 283Ω . Se obtuvo un voltaje que oscilaba entre 18,1 y 25,7 mV, que aumentó hasta 29,8 mV después de una semana de operación. Y se registró una corriente que oscilaba entre 0,0 y 1,8µA, que en el mismo intervalo de tiempo aumentó hasta un valor pico de 2,9µA. Los valores de la corriente nunca se mantuvieron constantes. Este mismo montaje, luego de 2 semanas de operación, registró un voltaje de 345 mV medido entre la resistencia del circuito externo, y la cámara de oxidación y una resistencia de 5230Ω entre los mismos lugares. Entre la resistencia del circuito externo y la cámara de reducción, se registró un voltaje de 261 mV y una resistencia mayor al valor. 33.

(34) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. máximo de medición de multímetro, 100000Ω. La corriente máxima medida en el circuito fue de 0,5µA. Con la adición del cloruro férrico en la cámara de oxidación y el implante de un puente salino convencional paralelamente al ya existente, se obtuvo un voltaje de 94, 130 y 280 mV, de manera sucesiva en 3 días. Se registró una corriente que oscilaba entre 0,9 y 1,3 µA en el circuito. Al medir el voltaje entre la cámara de oxidación y la cámara de reducción directamente, se registró un valor de 206 mV. La corriente registró un valor de 60µA. También se midió el voltaje entre el puente salino y la cámara de oxidación, obteniendo un voltaje de 82 mV. Se tomó la misma medición entre la cámara de reducción y el puente salino, y se obtuvo un voltaje de 95,5 mV y una corriente de 117 µA. Adicionalmente se llevó a cabo la medición de la conductividad de las 2 cámaras y del puente salino inicial. La cámara de oxidación reportó 605 µS, la de reducción de 689 µS y el puente salino de 2 mS. Seguidamente, el ánodo fue sumergido en el puente salino durante 5 días, y el voltaje final reportado fue de 89,1 y no se registró ninguna corriente. Posteriormente se volvió a llevar a cabo la medición con el ánodo en el puente salino y fijando una resistencia de 52O. Los resultados obtenidos después de 3 días de operación fueron un voltaje de 316 mV y una corriente oscilante entre 0,0 y 1,0µ. A continuación se grafica los tres puntos obtenidos para la variación de la resistencia:. 34.

(35) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Gráfica 1: Voltaje vs Resistencia 350 Voltaje (mV). 300 250 200. Voltaje vs Resistencia. 150 100 50 0 0. 500. 1000. 1500. Resistencia (ohmnios). Se puede observar que en una fase inicial la resistencia permite la producción de voltaje, mas la limita. Seguidamente, se observa a que a partir de un valor no precisado de resistencia, que podría estar cerca a los 100O, la resistencia limita de manera determinante el voltaje registrado, presentando valores mínimos. Para la variación de la corriente ante la variación de la resistencia, no se pudo obtener una relación clara. Tal como se muestra en la gráfica 2, el flujo de electrones no presentó una tendencia clara relacionada con la resistencia.. 35.

(36) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Corriente (microamperios). Gráfica 2: Corriente vs Resistencia 2 1,5 Corriente vs Resistencia. 1 0,5 0 0. 200. 400. 600. 800. 1000. 1200. Resistencia (ohmnios). Un fenómeno sumamente interesante observado fue la deformación de las membranas iónicas del puente salino inicial. La membrana aniónica no mostró una deformación significativa, pero la catiónica mostró una deformación cóncava al puente salino. Se observó el crecimiento de biomasa en el electrodo y en la membrana aniónica. Ambos presentaron una morfología muy similar: bacilococos Gram – y cocos Gram +. Otras cepas de diversa morfología prosperaron en el reactor, pero no en lugar donde pudiese llevarse a cabo la transferencia de electrones esperada. Por esto, no se tomaron en cuenta estas últimas comunidades.. 36.

(37) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES 4.1. Análisis de Resultados El principal objetivo de este proyecto no fue cumplido a cabalidad, debido a que nunca se llegó a obtener una potencia suficiente para considerar la optimización de la celda de combustible. Es evidente que no se llegó a establecer una interfase adecuada entre la biomasa y el ánodo, de manera que se produjera el flujo de electrones esperado en el circuito externo. La variación en la resistencia en el circuito se llevó cabo, principalmente, por medio del cambio de electrodos. El área de los electrodos demostró ser un factor crucial en la producción de voltaje y corriente. A menor área de electrodo, la celda de combustible aumentó la eficiencia en la producción de energía eléctrica. Pero también se puede observar que en el momento en que se disminuyó la resistencia en el circuito aumentó el voltaje. Esto se le atribuye a que al no existir un cepa capaz de superar la resistencia en el circuito externo, la resistencia representaba un factor limitante para las bacterias que establecieron el voltaje registrado posteriormente. Al disminuir la resistencia, se establecieron unas condiciones más favorables para las bacterias presentes. Debido a la inadecuada interfase entre el ánodo y la biomasa, aparentemente el flujo de electrones extraídos de la materia orgánica se llevó a cabo a través de las membranas y el puente salino, hasta la cámara de reducción. Esto se ve respaldado por los datos de conductividad obtenidos, donde es claro que dicho camino mostró una conductividad mayor. Es claro que las deformaciones observadas en las membranas obedecen a la captación de electrones. Esto se explica con el paso de. 37.

(38) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. cargas positivas en su matriz (aniónica), que no produce deformación al recibir cargas opuestas, debido a que estas se neutralizan con las retenidas (positivas). Mientras que la membrana que permite el paso de cargas negativas, al recibir aún más cargas negativas, tiende a expandirse por la igualdad de las cargas que retiene y la de los electrones. La membrana encargada de retener las cargas negativas funciona a nivel de iones, por lo cual no puede retener electrones. El ión férrico demostró ser un agente oxidante más eficiente que el oxígeno, tal como lo demuestra la diferencia de los valores de voltaje reportados. Sin embargo, no se llevó cabo el proceso de conversión de hierro ferroso a férrico. Este hecho puede explicarse por la ausencia de la llegada de electrones al cátodo o por un exceso de aireación. Esto se evidencia en que no se observó el precipitado blanco que forma el hidróxido férrico y que el hierro permaneció soluble en la solución de la cámara de reducción. El funcionamiento de las membranas en el puente salino demostró no ser el óptimo. Esto se ve respaldado en que sí fue posible una mejoría en los resultados esperados al establecer un puente salino convencional. Sin embargo, cabe resaltar su funcionamiento como mejor aceptor de electrones que el ánodo de grafito. Cuando se colocó el ánodo en el puente salino se reportaron valores nulos de corriente. Esto se atribuye a que los electrones que llegaron por medio de la membrana aniónica encontraron una ruta con menor resistencia por medio de la membrana catiónica. Es evidente el planteamiento del diseño del reactor presentó falencias en cuanto a la ruta esperada de los electrones, ya que se permitió una ruta no. 38.

(39) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. prevista con menor resistencia. De alguna manera esto establece que la resistencia es clave en la eficiencia de la celda de combustible biológica piloto, tal como se supuso en el planteamiento teórico del presente proyecto de grado. Sin embargo, no esto no se concluye a partir de los resultados esperados. Pero sí se llegó a establecer una relación inversa entre la producción de voltaje por las bacterias y la resistencia. Esto no hace que el supuesto teórico concebido conjuntamente por asesor y autor sea erróneo, ya que fue la materialización de la celda y sus componentes los que impidieron llegar a una comprobación experimental de dicho planteamiento. Debido a la creciente concentración de iones provenientes del puente salino, para lograr una eficiencia aceptable en la obtención de energía eléctrica. de sistemas basados en proceso de oxidación-reducción. biológicos, se debe adoptar una modalidad de celda de combustible, donde el combustible sea suministrado por esta de manera constante y se lleve a cabo la evacuación de las cargas en ambas cámaras. Los compuestos utilizados como combustibles no presentan potenciales suficientemente altos para hacer el proceso viable ante las restricciones dinámicas espaciales y temporales involucradas. 4.2. Conclusiones En el presente Proyecto de Grado no se llegó a la optimización deseada para una CCB piloto acoplada al tratamiento de aguas residuales. Pero sí se obtuvieron tendencias claras de la eficiencia en el funcionamiento de. 39.

(40) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. dicha CCB ante la variación de la resistencia, que figuraba entre los objetivos específicos fijados al realizar el presente proyecto. Sería interesante profundizar entre la relación entre el voltaje y la resistencia del circuito, ya que en los datos obtenidos se podrían definir 2 rangos. En uno de los cuales la resistencia es completamente limitante en el valor de voltaje. Para futuras investigaciones en el área se puede establecer una relación útil entre los parámetros evaluados, sabiendo que es óptimo ensayar el reactor con una resistencia relativamente baja. Igualmente, sería interesante profundizar acerca de los efectos que esto tendría sobre la ecología del reactor. Esto basándose en que, en un rango muy similar al descrito por los resultados obtenidos, sea viable la producción de energía mientras que se somete la ecología del reactor condiciones específicas de resistencia. Uno de los factores principales para la determinación de la resistencia consiste en las características geométricas del electrodo. Esto debido a que en el presente proyecto de comprobó una mayor eficiencia de la celda ante una menor área de este. Esto contradice un supuesto operacional propuesto en el Marco Teórico del presente Proyecto de Grado. Dicho error se debe a que en el momento en que se propuso, no se tomó en cuenta que ante una mayor área superficial se incrementa de manera lineal la ruta de los electrones hacia el circuito externo. Así, se estableció que un electrodo de menor área permite la prosperidad de la biomasa que origina un mayor voltaje en la celda, ya que resulta un aceptor de electrones más viable a menor área.. 40.

(41) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Durante la operación de este reactor no se logró la adhesión de una biomasa al electrodo que fuera capaz de transferir los electrones extraídos de la materia orgánica. Las cepas que prosperaron en el reactor fueron capaces de hacer uso de otro aceptor de electrones distinto al ánodo. Y uno de estos fue la membrana, que resultó ser un camino mucho más viable que un medio con una resistencia superior, como en todo momento lo fue el circuito externo. Esto se ve respaldado por la gran conductividad presentada por el puente salino. Se supone que en esto radicó la deficiencia del reactor en la generación de energía eléctrica. Pero con esto se pueden sentar las bases para un modelo de celda de combustible capaz de aprovechar la energía en esta ruta de flujo. Entre los materiales de la CCB acoplada al tratamiento de aguas residuales ensayada, se propone un cambio de material para la composición de ánodo. El grafito no resultó ser un medio adecuado para llevar a cabo la interfase entre la maquinaria enzimática celular y el circuito externo. Y esto evitó que se llevara de manera adecuada el flujo de electrones esperado. Un posible nuevo material podría ser un metal de una resistencia relativamente alta a la oxidación, como el cobre, ya que en este reactor el pH de la cámara de oxidación estuvo siempre cerca a 7. De igual manera cabe decir que el grafito como material del cátodo mostró un comportamiento muy aceptable. Esto se concluye tomando en cuenta que en esta cámara se estableció un potencial de oxidación alto para cumplir con el planteamiento teórico de una celda de combustible. En gran parte de los avances realizados por investigadores citados y no citados en este documento, se han llegado a resultados positivos en cuanto. 41.

(42) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. a la producción de energía por medio de la utilización de cultivos bacterianos puros. Esto hace que el funcionamiento de una celda de combustible acoplada al tratamiento de aguas residuales sea ineficiente por el alto costo del manejo de lodos de cultivos microbianos específicos. Es por esto que se debe continuar en la línea de autores que han usado una biomasa diversa en al obtención de energía eléctrica en este tipo de celdas, tales como Escalante et al; Bond, Holmes, Tender y Lovley et al; entre otros. Es importante que se tome como punto de partida las investigaciones desarrolladas por la Universidad de los Andes en conjunto con investigadores a nivel mundial, que han logrado establecer parámetros interesantes en la operación de CCBs acopladas la tratamiento de aguas residuales. Si se llegase a optimizar este dispositivo, se establecería una fuente energética a muy bajo costo, alto rendimiento y fácil operación. Además se desarrollaría una tecnología de vanguardia aplicable en la bioremediación de diversos medios contaminados.. 42.

(43) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. 5. REFERENCIAS Orozco J., A. y Salazar A., A., Tratamiento Biológico de las Aguas Residuales, Ediciones Gráficas Ltda., 1985. Benefield, L. D. y Clifford, W.R., Biological Design for Wastewater Treatment, Prentice-Hall, Inc., 1980. Sisler, H. H., Vander Werf, C. A. y Davidson, A. W., General Chemistry, a Systematic Approach, The Macmillan Company, 1957. S. Zumdahl y S. Zumdahl, Chemistry, Houghton Mifflin Company, 2000. Linden, D., Handbook of Batteries and Fuel Cells, McGraw-Hill, 1984 Bockris, J. O’M. y Reddy A. K., Modern Electrochemistry, Plenum Press, 1970. Metcalff & Eddy, Inc., Wastewater Engineering, Treatment and Reuse, McGraw-Hill, 2003. Atkins P. W., Fisicoquímica, Adison- Wesley Iberoamericana, 1991. Gaudy, A. F. y Gaudy E. T., Microbiology for Envoronmental Scientists and Engineers, McGraw-Hill Book Company, 1980.. 43.

(44) OPTIMIZACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE ACOPLADA AL TRATAMIENTO DE AGUAS REISDUALES POR MEDIO DE LA VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DEL CIRCUITO. 2004-01-IC. Serway, R. A., Physics for Scientists and Engineers, Saunders Golden Sunburst Series, 1990. Bond D. R. y Lovley D. R., “Electricity Production by Geobacter sulfurreducens Attached to Electrodes”, Applied and Environmental Micorbiology, p. 1548 – 1555, Marzo 2003 Bond D. R., Holmes, D. E., Tender L. M. y Lovley D. R., “Electrode reducing Microorganisms Harvesting Energy from Marine Sediments”, Science 295, p. 483 – 485, 2002. Park, D. H., J. G. Zeikus, “Electricity Generation in Microbial Fuel Cells using Neutral red as Electronophore”, Applied and Environmental Micorbiology, p. 292 – 297, Abril 2000. Sell, D., “Bioelectrochemical Fuel Cells”, Biotechnology, p. 6 – 10, Vol. 10, 2001. Schröder, U., Nieben, J. y Scholz, F. A, “Generation of Microbial Fuel Cells with Current Outputs Boosted by more than one Order of Magnitude”, Angewandte Chemie International Edition, 42, 2880 - 2883, (2003). Escalante, N. y Barrera S. F., “Celda de Combustible Acoplada al Tratamiento de Aguas Residuales”, Proyecto de Grado en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, 2002.. 44.

(45)