Diseño del ánodo de una celda de combustible microbiológica para la producción de energía a partir de aguas residuales

Abstract

El tratamiento de aguas residuales es uno de los procesos más importantes que se deben realizar para cuidar el medio ambiente. El principal objetivo de este tratamiento es permitir la disposición de estos efluentes, tanto domésticos como industriales, asegurando que estos no pongan en peligro la salud humana o causen daños inaceptables al medio ambiente. Sin embargo, este proceso tiene un alto costo energético, alcanzando un consumo de entre 560 y 2.300 GWh por año. Es por esto que hoy en día se buscan procesos alternativos para disminuir el gasto energético de estos tratamientos. Una de las alternativas que han surgido son las celdas de combustible microbiológicas, estos dispositivos son celdas electroquímicas que tienen la particularidad de utilizar microorganismos como catalizadores en el proceso de oxidación y/o reducción. El gran potencial de estos sistemas radica en la enorme variedad de microorganismos existentes, ya que, gracias a su metabolismo, abren la posibilidad de degradar diversos compuestos orgánicos presentes en aguas residuales y usarlos como combustibles. Bajo este contexto, el objetivo general de este trabajo de memoria de título fue diseñar, fabricar y caracterizar el ánodo de una celda de combustible microbiológica para la producción de energía a partir de la oxidación de compuestos orgánicos presentes en aguas residuales. Para cumplir con este objetivo, se utilizó el carbono vítreo reticular como material para la construcción de los ánodos utilizados en el estudio. Al calcular el área superficial del material y su conductividad eléctrica, éstas resultaron ser 70 m^2 g^{-1} y 1,11x10^4 Omega^{-1} m^{-1}, respectivamente. Estos valores lo hacen adecuado para su uso como electrodo en sistemas bioelectroquímicos. Con el fin de caracterizar el desempeño electroquímico del ánodo y la electroactividad de éste, se realizaron voltametrías cíclicas e impedancias de espectroscopía electroquímica en dos esquemas experimentales: uno con el anolito inoculado con la bacteria Acidiphilium cryptum y el otro utilizando un electrodo que fue previamente cultivado con el mismo microorganismo. Las voltametrías cíclicas mostraron que en ambos casos, al tener una mayor concentración de bacterias en la celda, la corriente aumentaba. Por otra parte, las impedancias de espectroscopía electroquímica arrojaron que los microorganismos causaron un aumento de la resistencia, tanto en el electrodo, como en la solución de la cámara anódica. Al complementar estos resultados con los de las voltametrías cíclicas, se notó que la actividad catalítica que muestra el microorganismo utilizado tiene un efecto mayor sobre la producción de corriente que el aumento de las resistencias del sistema que causa. En base a los resultados obtenidos a lo largo del estudio, se concluye que la bacteria Acidiphilium cryptum genera un aumento de corriente al ser utilizada en el ánodo de una celda de combustible microbiológica. En vista de lo anterior, se recomienda comenzar con el estudio del cátodo a utilizar, con el fin de realizar una caracterización electroquímica general del sistema.