Modellierung und experimentelle Untersuchung des Einflusses der Kohlenstoffquelle auf die Leistung röhrenförmiger mikrobieller Brennstoffzellen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11070 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) dienen zwei Hauptzwecken: der Erzeugung sauberer Energie und der Abwasserbehandlung. Diese Studie untersucht den Einfluss verschiedener Kohlenstoffquellen auf die MFC-Leistung und entwickelt ein mathematisches Modell zur Nachbildung der Polarisationskurve. Der biologische Reaktor nutzte drei Arten von Kohlenstoffquellen: Glukose als einfache Zufuhr, mikrokristalline Zellulose (MCC) und eine Aufschlämmung der organischen Komponente von Siedlungsabfällen (SOMSW) als komplexe Zufuhr. Die MFCs wurden sowohl im offenen als auch im geschlossenen Kreislaufmodus betrieben. Die maximal erreichten Leerlaufspannungen betrugen 695 mV für Glucose, 550 mV für MCC und 520 mV für SOMSW als Substrate. Der Einfluss des Substrats im geschlossenen Kreislaufmodus wurde ebenfalls untersucht, was zu maximalen Leistungsdichten von 172 mW/m2, 55,5 mW/m2 und 47,9 mW/m2 für Glucose, MCC und SOMSW als Substrate führte. Im zweiten Abschnitt wurde ein mathematisches Modell entwickelt, um die Polarisationskurve unter Berücksichtigung von Spannungsverlusten, nämlich Aktivierungs-, Ohmschen- und Konzentrationsverlusten, mit einem durchschnittlichen relativen Fehler (ARE) von weniger als 10 % darzustellen. Die mathematischen Modelle zeigten, dass der Aktivierungsspannungsverlust mit der Komplexität des Substrats zunahm und seinen Spitzenwert erreichte, wenn SOMSW als Substrat verwendet wurde.

In den letzten Jahrzehnten ist der weltweite Energiebedarf erheblich gestiegen, was vor allem auf das Bevölkerungswachstum und den industriellen Fortschritt zurückzuführen ist. Derzeit wird der Großteil des Energiebedarfs durch die weitgehende Abhängigkeit von endlichen fossilen Brennstoffressourcen wie Gas, Öl und Kohle gedeckt. Da der Energieverbrauch weiter steigt, gibt es einen wachsenden Wettbewerb unter Wissenschaftlern um die Entdeckung einer erneuerbaren, umweltfreundlichen und zuverlässigen Energiealternative. Diese Bedenken müssen unbedingt angegangen werden, da fossile Brennstoffquellen nicht nur endlich, sondern auch ökologisch nicht nachhaltig sind. Zusätzlich zu den energiebezogenen Herausforderungen haben zunehmende Befürchtungen hinsichtlich der Emission von Treibhausgasen, insbesondere CO2, verstärkte Aufmerksamkeit erregt1. Daher wurden umfangreiche Forschungsanstrengungen auf die Erforschung alternativer Brennstoffe wie Kernenergie und erneuerbare Energien gerichtet, um die Abhängigkeit der Welt von fossilen Brennstoffen zu verringern. Der Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung umweltfreundlicher Energieoptionen, die auf erneuerbaren Quellen basieren2,3,4. Obwohl Kernenergie als Alternative in Betracht gezogen wurde, ist ihre Ressourcenverfügbarkeit begrenzt und eine wirksame Abfallentsorgung bleibt eine große Herausforderung5. Infolgedessen haben erneuerbare Energiequellen, die eine minimale bis keine Abfallentsorgung ermöglichen, in der wissenschaftlichen Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregt.

Mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) sind eine besondere Art von Brennstoffzellen, die Mikroorganismen als Biokatalysatoren nutzen und organische Stoffe in Elektrizität umwandeln, indem sie die Übertragung von Elektronen und Protonen erleichtern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennstoffzellen, die auf kostspielige Katalysatoren angewiesen sind, nutzen MFCs Mikroorganismen in der Anodenkammer. Die von diesen Mikroorganismen erzeugten Elektronen gelangen entweder über einen Mediator oder durch direkte Umwandlung mithilfe von Nanodrähten oder Biofilmen zur Anodenelektrode, bevor sie über einen externen Stromkreis auf die Kathodenoberfläche übertragen werden. Bei membranlosen Einkammer-MFCs (SCMFCs) durchdringen Protonen den Anolyten, um die Kathodenelektrode zu erreichen. An der Kathode werden Sauerstoffmoleküle reduziert, wodurch Wasser entsteht1. Trotz der potenziellen Vorteile von MFCs stehen jedoch mehrere kritische Herausforderungen ihrer breiten Anwendung in realen Szenarien entgegen. Zu diesen Herausforderungen gehören die Effizienz der Stromerzeugung, die mit Elektroden und Separatoren verbundenen Materialkosten, die Notwendigkeit einer Einfachheit und Durchführbarkeit bei Design und Betrieb sowie Wartungskosten und Gesamtrentabilität. Um diese Hindernisse zu überwinden, wird die Einführung von MFCs als vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Energieerzeugung auf Basis fossiler Brennstoffe angesehen. Folglich wurden in den letzten zwei Jahrzehnten erhebliche Anstrengungen unternommen, um eine oder mehrere dieser Herausforderungen anzugehen und die praktische Anwendbarkeit von MFCs zu verbessern. Verschiedene Betriebsbedingungen6,7,8 und getrennte Anoden- und Kathodenmaterialien9,10, modifizierte Anoden- oder Kathodenelektroden11, Durchflussverfahren (batch und kontinuierlich)2 und mikrobielle Art12,13,14,15,16 wurden untersucht, um eine hohe Energieproduktion zu erreichen in MFCs. Kostengünstiges Anodenelektrodenmaterial (z. B. Edelstahlgewebe17), der Separator (z. B. Canvas-Stoff18) und die Biokathode (Kathodenelektrode ohne Metallkatalysator19) wurden verwendet, um die Anschaffungskosten in MFCs zu senken. Verschiedene MFC-Strukturen20,21 wurden untersucht, um MFCs mit einfachen Strukturen und einfacher Wartung zu entwerfen. Bisher wurden zwei Arten von röhrenförmigen MFCs verwendet: Aufwärtsströmung (vertikal)22 und horizontal20. Rohrförmige MFCs können aufgrund ihrer einfachen Wartung und strukturellen Merkmalen (z. B. keine Sackgasse im kontinuierlichen Modus) in realen Stromerzeugungs- und Abwasseraufbereitungsanwendungen eingesetzt werden. Selbst bei Röhrentypen sind die Kosten für die Stromerzeugung immer noch hoch und ungerechtfertigt, was ihre Anwendung bisher einschränkt.

Die Untersuchung der Auswirkung des Futtertyps (von einfachen bis hin zu komplexen Futtermitteln) auf die Effizienz des MFC kann zur Ermittlung eines geeigneten Designs führen, um die langjährigen Herausforderungen dieser Technologie zu beseitigen und ihre Kommerzialisierung zu unterstützen. Der hohe Spannungsverlust im Vergleich zu handelsüblichen Typen ist eine der größten Schwächen von MFCs. Mithilfe mathematischer Modelle können die Hauptursachen für Spannungsverluste identifiziert werden. In der Literatur wurde den strukturellen Veränderungen im Futter und der gleichzeitigen Modellierung der Ergebnisse nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt.

Diese Forschungsstudie zielt darauf ab, den Einfluss des Substrats auf die Leistung von membran- und mediatorlosen mikrobiellen Einkammer-Brennstoffzellen (SCMFCs) umfassend zu untersuchen. Die Studie nutzt zwei verschiedene Arten von Kohlenstoffquellen, nämlich synthetische Quellen (Glukose und mikrokristalline Cellulose) und ein industrielles Futtermittel, das aus einer Aufschlämmung besteht, die aus der organischen Fraktion von Siedlungsabfällen (SOMSW) gewonnen wird, um die Wirkung des Substrats auf die MFC-Leistung zu bewerten. Die Leistungsbewertung umfasst verschiedene Aspekte, darunter elektrische Parameter wie Leerlaufspannung (OCV) und Leistungsdichte im geschlossenen Kreislaufmodus sowie verschiedene biologische Bedingungen wie pH-Werte und Konzentrationen flüchtiger Fettsäuren (VFAs). Die erhaltenen Ergebnisse werden dann mit vorhandener Literatur verglichen, um eine umfassende Analyse zu ermöglichen. Darüber hinaus wird ein mathematisches Modell verwendet, um Spannungsverluste innerhalb des Systems zu berechnen und so Aufschluss über die zugrunde liegenden Mechanismen zu geben, die sich auf die Leistung der membran- und mediatorlosen röhrenförmigen SCMFCs auswirken.

Die röhrenförmige membranlose SCMFC wurde aus einem Plexiglasrohr (Innendurchmesser: 6 cm, Außendurchmesser: 8 cm und Länge: 17 cm) und einem Volumen von 485 ml23,24 gebaut. Die Anodenelektrode wurde aus einem 24 × 6 cm großen Edelstahlnetz hergestellt. Die Graphitbeschichtung erfolgte durch Aufsprühen von Graphitfarbe auf die Oberfläche des Edelstahlgewebes17. Als Kathodenelektrode wurde Kohlenstoffkleidung (E-TEK, USA, 64 cm2) verwendet und ihre Oberfläche wurde modifiziert, um etwa 25,26 0,5 mg Pt/cm2 und 30 Gew.-% zu erreichen. % Nafion-Beladung. Die Anodenelektrode ist auf einer Plexiglasplatte befestigt und befindet sich in der Mitte des Anodenraums. Die Kathodenelektrode wurde auf einer porösen Schutzplatte angebracht und auf beiden Seiten der Anodenelektrode an der Rohrwand angebracht, wie in Abb. 1 dargestellt. Anoden- und Kathodenelektroden wurden über einen Kupferdraht elektrisch verbunden.

Querschnitt der Anodenkammer, 1: Anodenelektrode, 2: poröse Schutzplatte, 3: Kathodenelektrode.

Im Sommer wurden Siedlungsabfälle (MSW) von der Deponie Isfahan (32,71, 51,69, Isfahan, Iran) gesammelt. Metalle und anorganische Materialien wurden aus dem Hausmüll abgetrennt. Anschließend wurde die organische Fraktion des Hausmülls (OMSW) getrocknet. Danach wurde OMSW gemahlen und auf eine Partikelgröße zwischen 833 und 177 μm gesiebt.

Das OMSW bestand hauptsächlich aus 56,0 ± 0,6 % Stärke, 6,0 ± 0,1 % Lipid, 8,1 ± 0,4 % Protein, 9,2 ± 0,8 % Pektin und 20,7 ± 0,5 % Lignozellulose. Die Lösung aus OMSW und mikrokristalliner Cellulose (MCC) wurde gerührt und etwa eine Stunde lang auf einer Heizplatte (MS300HS – Misung Scientific) auf 80–90 °C erhitzt, um eine geeignete Aufschlämmung zu ergeben, dann abgekühlt und als Substrat verwendet. Als Quelle für Mikroorganismen wurden anaerobe Behandlungsrektoren der Kläranlage Isfahan mit einem Gesamtfeststoffgehalt (TS) von 4,53 ± 0,13 % und einem Gesamtfeststoffgehalt (TVS) von 2,18 ± 0,12 % verwendet. Die SCMFCs wurden mit einer Mischung aus Mikroorganismen und synthetischer Abwasserlösung (Kohlenstoffquelle 1 g/L, KCl 0,13 g/L, Na2HPO4 4,1 g/L, NaH2PO4 2,55 g/L, NH4Cl 0,31 g/L, Minerallösung 12 ml/L) gefüllt und Vitaminlösung 5 mL/L) im Verhältnis 2:8. Als die Ausgangsspannung auf Werte von etwa der Hälfte der letzten Maximalspannung abfiel, wurde der Anolyt durch ein frisches Substrat ersetzt [Glukoselösung (1 g/L), MCC und SOMSW (2,5 g/L)]. Der pH-Wert und die Temperatur der Futtermittel wurden auf 8,5 ± 0,1 bzw. 23 ± 2 °C eingestellt.

Der pH-Wert des Anolyten wurde mit einem pH-Meter (SL 901, SANA, Iran) basierend auf der APHA 4500-Standardmethode gemessen. Die Glukosekonzentration wurde durch die Methode der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) mit einem Brechungsindexdetektor (RI) (Jasco International Co., Tokio, Japan) analysiert, ergänzt durch eine Ionenaustauschsäule (Aminex HPX-87H, Bio-Rad, Richmond, Kalifornien, USA). Die Glukose wurde mit einer Ionenaustauschsäule (Aminex HPX-87P, Bio-Rad, Richmond, CA, USA) mit 0,6 ml/min entionisiertem Wasser als Elutionsmittel bei 80 °C analysiert.

Die Morphologie des auf der Anodenelektrode gebildeten Biofilms wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (Philips, XL30 SEM) untersucht. Die Spannung wurde mit einem Multimeter gemessen und alle 10 Minuten von einer Analog-Digital-Wandlerplatine (ADC) auf einer Speicherkarte aufgezeichnet. Zur Erstellung einer Polarisationskurve wurde eine Reihe externer Widerstände von 100 kΩ bis 10 Ω verwendet. Der externe Widerstand wurde geändert, als die Ausgangsspannung ihren stabilen Wert erreichte (ca. 6 Stunden bei jedem externen Widerstand).

Die Stromdichte Id (mA/m2) wurde nach dem Ohm-Gesetz berechnet (Id = V/(Rex*Acat)). V (mV), Rext (Ω) und ACat (m2) sind die Spannung, der äußere Widerstand bzw. die Oberfläche der Kathodenelektrode. Die Leistungsdichte Pd (mW/m2) wurde nach Gleichung berechnet. (1).

Die Coulomb-Effizienz (CE) wurde mit der folgenden Gleichung berechnet:

Dabei ist I (mA) der Strom, F die Faradaysche Konstante (96.500 C/mol), M das Molekulargewicht (Glukose 180,16 g/mol und Sauerstoff 32 g/mol), b die Anzahl der pro Mol ausgetauschten Elektronen (Glukose und Sauerstoff). 24 bzw. 4 e−), VAn (L) ist das Volumen des Anolyten, ∆C/(g/L) ist die Gesamtkonzentrationsänderung während der Laufdauer und tb ist die Laufzeit (s).

Die wichtigsten anodischen und kathodischen Reaktionen fanden in mikrobiellen Brennstoffzellen statt

Die anodische Reaktion mit Polymeren (große Moleküle (MCC und SOMSW)) unterscheidet sich von Glucose als Futtermittel. Große Moleküle müssen in einfache Moleküle (flüchtige Fettsäuren) zerfallen (Proteine und Polysaccharide)27, und danach wandeln sich einfache Substrate in Elektrizität um.

Im ersten Zyklus (Startdauer) wurden drei SCMFCs im Open-Circuit-Modus (OCM) betrieben. Zu Beginn des Prozesses wurden in SCMFC mit Glucose als Substrat drei Anstiegsstufen für OCV beobachtet. Im ersten Schritt stieg die OCV innerhalb von 20 Minuten schnell von 294 auf 507 mV an (Anstiegsrate = 0,639 V/h), dann sank die Anstiegsrate auf 12,65 mV/h (von 507 auf 642 mV) und im letzten Schritt , OCV stieg innerhalb von 16,5 Stunden auf 695 mV. Der zunehmende Trend des OCV setzte sich fort, bis ein begrenzender Faktor (die maximale Fähigkeit der Mikroorganismen, eine Senkung des pH-Werts oder der Temperatur) erreicht wurde. Danach wurde die stationäre Phase gestartet und der OCV-Wert schwankte zwischen 536 und 665 mV. Der gleiche Trend des OCV mit der Temperatur wurde in der stationären Phase beobachtet; OCV nahm mit sinkender Temperatur (von 23 auf 20,5 °C) ab (von 693 auf 536 mV). Darüber hinaus erhöhte ein Temperaturanstieg auf 23,5 °C die OCV auf 664 mV. In MFC mit Glucose (MFC-G) als Substrat wurde ein maximaler OCV-Wert von 693 mV erreicht. Der gleiche Trend wurde bei drei SCMFCs im OCM-Modus beobachtet. Für MFC-MCC- und MFC-SOMSW-Systeme wurden maximale OCV-Werte von 550 und 520 mV erhalten.

Als Stromverbraucher im Closed-Circuit-Modus (CCM) wurde ein externer Widerstand von 100 Ω verwendet. Die erzeugte Leistungsdichte in MFCs ist in Abb. 2 dargestellt. Dementsprechend gab es in der Anstiegsphase der CCM drei Bereiche, in denen Glukose als Kohlenstoffquelle verwendet wurde. Die Anstiegsphase wies jedoch unterschiedliche Spannungstrends bei OCM und CCM auf. Im ersten Bereich stieg die Stromdichte innerhalb von 25 Stunden von 131 auf 317 mA/m2 und blieb dann nahezu konstant mit einer kleinen Schwankung zwischen 317 und 293 mA/m2 während 48 Stunden. Schließlich erreichte die Stromdichte innerhalb von 15 Stunden 517 mA/m2 (Leistungsdichte 171 mW/m2). Zwei Mechanismen (die für die drei genannten Schritte verantwortlich zu sein scheinen) wurden für die direkte und indirekte Umwandlung von Glukose in Elektrizität durch Mikroorganismen definiert (Glukose wird in Mittelprodukte wie VFAs umgewandelt und Mittelprodukt wird in Elektrizität umgewandelt). Ein Teil des Substrats wird durch den Wechsel der Zufuhrquelle direkt in Strom umgewandelt; folglich steigt die Stromdichte (erster Schritt). Ein weiterer Teil des Substrats wurde zu Mittelprodukten verarbeitet. Anschließend wurde Strom erzeugt, indem ein Teil der Mittelprodukte als Substrat verwendet wurde (letzter Schritt der Aufstiegsphase). Es wurde festgestellt, dass die Reaktion von MFC auf die Futterinjektion von der Futterkomplexität abhängt. Der Austausch der Einspeisung verursachte in MFC-MCC- und MFC-SOMSW-Fällen eine Verzögerung bei der Verstärkung der Ausgangsspannung (als Rückkopplung zur Einspeisung). Diese Verzögerung kann auf die Phase der Umwandlung großer Moleküle (Polymere) in Mittelprodukte zurückgeführt werden. Anschließend werden diese Mittelprodukte von elektrogenen Bakterien verbraucht und in Elektrizität umgewandelt. Die Größe der Polymere in SOMSW war größer als die von MCC. Ein höheres Molekulargewicht erforderte mehr Zeit für den Abbau der Polymere in SOMSW, und dementsprechend wurde für MFC-SOMSW im Vergleich zu MFC-MCC eine höhere Verzögerungszeit erwartet. Die wichtigsten Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Stromdichte erzeugt in MFC bei einem Außenwiderstand von 100 Ω.

In der Anodenkammer wurde in der täglichen Analyse ein Abfall des pH-Werts des Anolyten von 8,5 auf 6,5, 7,4 bzw. 7,5 in MFCs mit Glucose, MCC und SOMSW beobachtet. In der Anodenkammer wurde das erzeugte Kohlendioxid im Anolyten gelöst und anschließend in Kohlensäure umgewandelt. pH-Schwankungen können auf VFAs und die Kohlensäureproduktion im Anolyten zurückzuführen sein. Einige Mikroorganismen verbrauchen Glukose und produzieren VFAs und andere Zwischenprodukte (Acidogenese-Schritt), während andere VFAs in ihrem Stoffwechsel verwenden, um Strom oder Methan zu erzeugen. Zu Beginn des Zyklus (hohe Substratkonzentration) war die Produktionsrate von VFAs höher als die Verbrauchsrate, was zur Akkumulation (positive Nettoproduktion) von VFAs führte. Allerdings nahm die Konzentration der Futtermittel allmählich ab, was zu negativen Werten für die Nettoproduktion von VFAs führte. Die Entfernungs- und Coulomb-Effizienz (CE) von Glucose (berechnet nach Gleichung 2) betrugen 97 ± 1 bzw. 18 ± 0,1 %. Außerdem wurden in MFC mit SOMSW eine CSB-Entfernung von 74 % (nach zehn Tagen) und eine CE von 8,43 % erzielt. Die Ergebnisse (CSB-Entfernung, maximale Leistungsdichte und CE) zeigten, dass die Behandlung von Abfällen durch MFC und direkte Stromerzeugung als alternativer Prozess zu typischen Methoden angesehen werden könnte.

Die durch die Evolution OCV erzeugten Polarisationskurven und die Spannung an externen Widerständen sind in Abb. 3 dargestellt. Gemäß Abb. 3 wies die Polarisationskurve drei Bereiche auf: Aktivierung, Ohmscher Wert und Konzentrationsverlust28. Der erste Bereich der Polarisationskurve ist der Aktivierungsverlust. In dieser Region wurde ein starker Spannungsabfall beobachtet. Die den Kathoden- und Anodenreaktionen entsprechende Aktivierungsenergie verursachte den Aktivierungsverlust. Im zweiten Teil der Polarisationskurve nahm die Spannung nahezu linear mit steigendem Strom ab. Der letzte Bereich in der Polarisationskurve ist der Konzentrationsverlust. Die Steigung des ohmschen Teils in der Polarisationskurve und der optimale Außenwiderstand wurden zur Berechnung des Innenwiderstands verwendet, wie in Tabelle 1 dargestellt. Gemäß Tabelle 1 betrugen die Innenwiderstände in MFC-G, MFC-MCC und MFC-SOMSW 130, 280 bzw. 332 Ω, was darauf hindeutet, dass der Innenwiderstand mit zunehmender Substratkomplexität zunahm. Der höchste Innenwiderstand wurde bei Verwendung von MFC-SOMSW beobachtet, was auf die Komplexität von SOMSW im Vergleich zu den anderen Substraten zurückzuführen sein kann.

Polarisationskurve von SCMFC (Spannung: linke Achse und Leistungsdichte: rechte Achse).

Wie oben erwähnt, gilt nach Gl. (3)28,29,30, der tatsächliche Spannungsverlust in FCs mit drei Überspannungen relativ zum OCV wie folgt:

In Gl. (3) ηact, ηohmic und ηconc beziehen sich auf die Aktivierung der Anoden- und Kathodenreaktion (Tafel-Gleichung), ohmsch (Verlust aufgrund des Innenwiderstands wie Anolytwiderstand, Abstand zwischen Elektroden usw.) und Konzentrationsspannungsverlust, definiert durch Sekunde und Drittel und der vierte Term auf der rechten Seite von Gleichung. (4). In Gl. (4), S (m2), a (V), i0 (mA/m2), il (mA/m2) und Rohmic (kΩ) sind Oberfläche, Tafel-Steigung, Austauschstromdichte, maximal erreichbarer Strom und Ohmsche Widerstand bzw. Gleichung (4) wurde bei der Modellierung der Polarisationskurve unterstützt. Fünf Anpassungsparameter, darunter a, i0, Rohmic, C und il, wurden anhand der experimentellen Daten (erstellt in MFC mit unterschiedlichen Substraten) angepasst, was zu relativen Fehlern von weniger als 10 % und R2 von mehr als 0,98 führte. Die Ergebnisse der Modellierung sind in Tabelle 2 dargestellt.

Die Modellierungsergebnisse von MFC mit Glucose als Substrat und der Anteil jedes Spannungsabfallverlusts sind in Abb. 4 dargestellt, und es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentellen Daten beobachtet. Der Prozentsatz des Aktivierungsverlusts am gesamten Spannungsabfall bei MFC-G, MFC-MCC und MFC-SOMSW betrug 9,7, 56,6 bzw. 78 %. Daraus lässt sich schließen, dass der Anteil des Aktivierungsverlusts mit zunehmender Substratkomplexität zunahm. Daher sollte bei realen Anwendungen von MFC in der industriellen Abfallbehandlung die Quelle des Aktivierungsverlusts (elektrochemische Reaktionskinetik) geklärt und unter Kontrolle gehalten werden. Die Austauschstromdichte sollte für beide natürlichen Prozesse hoch sein, was bedeutet, dass eine höhere Austauschstromdichte zu einem geringeren Spannungsabfall führt29. Den Modellierungsergebnissen zufolge war der geschätzte Wert der Austauschstromdichtefolge MFC-G > MFC-MCC > MFC-SOMSW. Daher kann ein höherer Aktivierungsverlust in MFC-SOMSW auf die geringere Austauschstromdichte zurückzuführen sein.

Berechnete (durchgezogene Linie) und experimentelle (offene Kreise) Spannung.

Morphologien des gebildeten Biofilms auf der Anodenelektrode wurden mithilfe von REM-Diagrammen untersucht.

REM-Diagramme von Edelstahlgewebe, mit Graphit beschichtetem Edelstahlgewebe und der Anodenelektrode nach der Biofilmbildung sind in Abb. 5 dargestellt. Dementsprechend vergrößerte sich die Oberfläche der Anodenelektrode durch die Bildung des Biofilms. Betrachtet man Abb. 5c, d, ist das Auftreten der Hohlräume in der Biofilmschicht offensichtlich. Es wurde festgestellt, dass diese Hohlräume auf zwei Arten nützlich sein könnten: (1) Verstärkung des Stofftransfers vom Massenanolyten zum Biofilm (durch Bildung von Wasserkanälen, die den Substrattransfer zu Unterschichten des Biofilms unterstützen), (2) Übertragung von Produkten, insbesondere Protonen, auf Anolyt.

SEM-Diagramme. (a) Edelstahlgewebe, (b) Graphit auf Edelstahlgewebe beschichtet, (c) Anodenelektrode nach Biofilmbildung mit 1000-facher Vergrößerung, (d) Anodenelektrode nach Biofilmbildung mit 4000-facher Vergrößerung.

Die Ergebnisse der aktuellen Studie und der Literatur (Batch-Modus, ähnliches Substrat und ähnliche Zellform (röhrenförmig)) werden in Tabelle 3 verglichen. Glucose wurde in vielen Studien als Substrat verwendet. Der Hauptteil dieser Studien konzentrierte sich jedoch auf Materialien oder Modifikationen von Elektroden31. Gemäß Tabelle 3 stieg der CE von MFC-G in der vorliegenden Studie in derselben Größenordnung des Anodenkammervolumens um mehr als das Dreifache und die Leistungsdichte stieg um 50 % im Vergleich zum Durchschnittswert von CE32 und Leistungsdichte2 in der Literatur. Die Membrankosten betrugen etwa 30 % der anfänglichen MFC-Kosten, während die Mischtechnik (Mischen mit dem Magnetrührer oder Rezirkulation) oder der Mediator bei MFCs im Batch-Modus einen erheblichen Teil der Betriebskosten ausmachte. Trotz der erheblichen Senkung der Gesamtkosten (Anschaffungs- und Betriebskosten) war die ordnungsgemäße Leistung des röhrenförmigen MFC hauptsächlich auf einen ausreichenden Oberflächenkontakt zwischen der Anodenelektrode und den angesiedelten Mikroorganismen zurückzuführen.

Im Allgemeinen ist der Rückgang der elektrischen Leistung (Strom und Leistungsdichte) ein wesentlicher Nachteil bei der Skalierung von MFCs. Darüber hinaus stellen strukturelle Veränderungen wie ein größerer Spalt zwischen den Elektroden (erhöhter Innenwiderstand) bei der Großserienfertigung ein wichtiges Hindernis dar. Darüber hinaus muss die Abfallbehandlung in großem Maßstab erfolgen (mehr als 1000 m3/Tag oder Tonne/Tag), was eine groß angelegte Auslegung von MFCs erfordert. Der Vergleich der Ergebnisse der aktuellen Forschung und der in der Literatur vorgestellten kleinräumigen röhrenförmigen MFC ergab eine erfolgreiche Skalierung. Darüber hinaus entsprach die erzeugte Leistungsdichte in etwa der am besten berichteten Leistungsdichte bei röhrenförmigen MFCs mit Membran35. Darüber hinaus wurde im Fall von MFC-SOMSW (mit dem größten MFC in der Literatur) eine um mehr als 50 % gesteigerte Leistung erzielt37.

Die durchgeführte Forschung untersuchte umfassend die elektrische und biologische Leistung mikrobieller Brennstoffzellen (MFCs) unter Verwendung verschiedener Substrate. Bemerkenswerterweise zeigte MFC-G im Vergleich zu den anderen untersuchten MFCs eine überlegene elektrische Leistung. Die maximale Leistungsdichte, die bei MFC-G erreicht wurde, betrug 171 mW/m2 und war damit etwa dreimal höher als bei MFC-MCC und MFC-SOMSW. Diese elektrischen Ergebnisse deuten darauf hin, dass MFCs als praktikable Alternative zu herkömmlichen Abfallbehandlungsprozessen dienen können, selbst wenn mit komplexen Substraten wie natürlichen Polymeren gearbeitet wird, die in der Aufschlämmung des organischen Anteils fester Siedlungsabfälle vorkommen. Darüber hinaus ergab die Modellanalyse, dass eine zunehmende Substratkomplexität zu einer Eskalation des Aktivierungsverlusts führte. Die Modellierungsergebnisse zeigten, dass der Anteil des Aktivierungsverlusts am Gesamtverlust bei MFC-G, MFC-MCC und MFC-SOMSW 8,9 %, 49 % bzw. 52,2 % betrug. Dies bedeutet, dass fast die Hälfte des Gesamtverlusts in MFCs, die mit komplexen Feeds arbeiten, auf Aktivierungsverluste zurückzuführen ist. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die Leistung und Optimierung von MFCs bei der Verwendung verschiedener Substrate. Sie tragen zum Verständnis der Faktoren bei, die Aktivierungsverluste in MFCs beeinflussen, was bei der Entwicklung von Strategien zur Verbesserung der Gesamteffizienz und -leistung in der Zukunft hilfreich sein kann.

Die Daten sind mit Genehmigung von [Milad Kadivarian] verfügbar. Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor, [Milad Kadivarian], erhältlich.

Logan, BE Microbial Fuel Cells 1–11 (Wiley, 2007).

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Fakultät für Chemieingenieurwesen, Iranische Universität für Wissenschaft und Technologie, Teheran, Iran

Masoud Karamzadeh

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Technische Universität Isfahan, Isfahan, 84156-83111, Iran

Milad Kadivarian & Peyman Mahmoodi

Abteilung für Chemieingenieurwesen, Technische Universität Babol Noshirvani, Babol, Iran

Seyedeh Sajedeh Asefi & Amirhossein Taghipour

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Korrespondenz mit Milad Kadivarian.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Karamzadeh, M., Kadivarian, M., Mahmoodi, P. et al. Modellierung und experimentelle Untersuchung des Einflusses der Kohlenstoffquelle auf die Leistung röhrenförmiger mikrobieller Brennstoffzellen. Sci Rep 13, 11070 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38215-5

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Eingegangen: 24. Dezember 2022

Angenommen: 05. Juli 2023

Veröffentlicht: 08. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38215-5

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