Modellazione e indagine sperimentale dell'effetto della fonte di carbonio sulle prestazioni della cella a combustibile microbica tubolare

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11070 (2023) Citare questo articolo

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Le celle a combustibile microbiche (MFC) hanno due scopi principali: produzione di energia pulita e trattamento delle acque reflue. Questo studio esamina l'impatto di diverse fonti di carbonio sulle prestazioni delle MFC e sviluppa un modello matematico per replicare la curva di polarizzazione. Il reattore biologico utilizzava tre tipi di fonti di carbonio: glucosio come alimentazione semplice, cellulosa microcristallina (MCC) e un impasto della componente organica dei rifiuti solidi urbani (SOMSW) come alimentazione complessa. Gli MFC funzionavano sia in modalità a circuito aperto che chiuso. Le tensioni massime a circuito aperto raggiunte sono state 695 mV per il glucosio, 550 mV per MCC e 520 mV per SOMSW come substrati. È stata studiata anche l’influenza del substrato in modalità a circuito chiuso, risultando in densità di potenza massime di 172 mW/m2, 55,5 mW/m2 e 47,9 mW/m2 rispettivamente per glucosio, MCC e SOMSW come substrati. Nella seconda sezione, è stato sviluppato un modello matematico per rappresentare la curva di polarizzazione considerando le perdite di tensione, ovvero perdita di attivazione, ohmica e di concentrazione, con un errore relativo medio (ARE) inferiore al 10%. I modelli matematici hanno dimostrato che la perdita di tensione di attivazione aumentava con la complessità del substrato e raggiungeva il suo valore di picco quando veniva utilizzato SOMSW come substrato.

Negli ultimi decenni, la domanda globale di energia ha registrato un aumento sostanziale, guidato principalmente dalla crescita demografica e dai progressi industriali. Attualmente, la maggior parte del fabbisogno energetico viene soddisfatto facendo molto affidamento su risorse limitate di combustibili fossili come gas, petrolio e carbone. Poiché il consumo di energia continua ad aumentare, c’è stata una crescente competizione tra gli scienziati per scoprire un’alternativa energetica rinnovabile, rispettosa dell’ambiente e affidabile. È imperativo affrontare queste preoccupazioni poiché le fonti di combustibili fossili non solo sono limitate ma anche insostenibili dal punto di vista ambientale. Oltre alle sfide legate all’energia, le crescenti apprensioni riguardanti le emissioni di gas serra, in particolare di CO2, hanno suscitato un maggiore controllo1. Pertanto, ampi sforzi di ricerca sono stati diretti verso l’esplorazione di combustibili alternativi, come l’energia nucleare e rinnovabile, per mitigare la dipendenza del mondo dai combustibili fossili. L’accento è posto sull’identificazione di opzioni energetiche rispettose dell’ambiente che si basano su fonti rinnovabili2,3,4. Sebbene l’energia nucleare sia stata considerata un’alternativa, la sua disponibilità di risorse è limitata e l’efficace smaltimento dei rifiuti rimane una sfida importante5. Di conseguenza, le fonti di energia rinnovabile che offrono uno scarico di rifiuti minimo o pari a zero hanno raccolto un’attenzione significativa all’interno della comunità scientifica.

Le celle a combustibile microbiche (MFC) sono un tipo distinto di celle a combustibile che impiegano microrganismi come biocatalizzatori, convertendo la materia organica in elettricità facilitando il trasferimento di elettroni e protoni. A differenza delle celle a combustibile convenzionali che si basano su catalizzatori costosi, le MFC utilizzano microrganismi all’interno della camera anodica. Gli elettroni generati da questi microrganismi raggiungono l'elettrodo dell'anodo, attraverso un mediatore o tramite trasformazione diretta utilizzando nanofili o biofilm, prima di essere trasferiti alla superficie del catodo attraverso un circuito esterno. Nel caso degli MFC a camera singola senza membrana (SCMFC), i protoni permeano attraverso l'anolita per raggiungere l'elettrodo del catodo. Al catodo, le molecole di ossigeno subiscono una riduzione, con conseguente produzione di acqua1. Tuttavia, nonostante i potenziali vantaggi delle MFC, diverse sfide critiche ne impediscono un’applicazione diffusa per scenari del mondo reale. Queste sfide includono l’efficienza della generazione di elettricità, i costi dei materiali associati agli elettrodi e ai separatori, la necessità di semplicità e fattibilità nella progettazione e nel funzionamento, nonché i costi di manutenzione e la fattibilità complessiva. Per superare queste barriere, l’adozione delle MFC è stata considerata un’alternativa promettente alla tradizionale produzione di energia basata sui combustibili fossili. Di conseguenza, negli ultimi due decenni sono stati dedicati sforzi sostanziali per affrontare una o più di queste sfide e migliorare l’applicabilità pratica delle MFC. Sono state studiate diverse condizioni operative6,7,8 e materiali anodici e catodici separati9,10, elettrodo anodo o catodo modificato11, processo di flusso (batch e continuo)2 e tipo microbico12,13,14,15,16 per ottenere un'elevata produzione di energia negli MFC. Per ridurre il costo iniziale degli MFC sono stati utilizzati materiali per elettrodi anodici a basso costo (ad esempio, rete di acciaio inossidabile17), il separatore (ad esempio, tessuto di tela18) e biocatodo (elettrodo catodico senza catalizzatore metallico19). Sono state studiate diverse strutture MFC20,21 per progettare MFC con strutture semplici e facile manutenzione. Finora sono stati utilizzati due tipi di MFC tubolari, a monte del flusso (verticale)22 e orizzontale20. Gli MFC tubolari possono essere utilizzati in applicazioni reali di produzione di energia elettrica e di trattamento delle acque reflue per una facile manutenzione e caratteristiche strutturali (ad esempio, senza vicoli ciechi in modalità continua). Anche nelle tipologie tubolari il costo di produzione dell’energia elettrica è ancora elevato e ingiustificabile, il che ne ha finora limitato l’applicazione.