Ανάπτυξη καινοτόμου διεργασίας κυψελίδας καυσίμου για την ενεργειακή αξιοποίηση υγρών αποβλήτων

Abstract

A microbial fuel cell (MFC) is a bioreactor that converts the chemical energy ofthe bonds of organic compounds to electrical energy, through the catalytic reactionsof microorganisms under anaerobic conditions. Over the last years the MFCtechnology has gained increasing interest from the scientific community, because itoffers the advantage of simultaneous wastewater treatment and electricity generation.The present thesis proposes an innovative single chamber MFC design of a specialarchitecture, which combines several advantages. The aim of the experiments was tooptimise the design and the operational parameters of the proposed MFC, under theview of its practical implementation at wastewater treatment plants. In order toaccomplish this goal the cost was kept low, by replacing all the expensive materialswith lower-cost ones, while gradually increasing the cell performance even duringlong term operation. The MFC was operated both in batch and continuous mode.In parallel with single chamber MFC operation, the effects of several parameterson the performance of a dual chamber MFC (H-type) were examined. The findingsfrom these experiments as well as the experience gained are of great significance,because they were used as guides for the construction and operation of the prototypecell.In conclusion, during the present research, synthetic (glucose, peptone, trypsinfrom meat digested and corn oil) as well as real wastewater (cheese whey, domesticwastewater) were examined. Specifically, the ionic strength, pH, the type of electronacceptor, the temperature, the initial substrate concentration, the Hydraulic RetentionTime (HRT), the surface area of the anodic electrode as well as the quantity of thecathode catalyst were tested. Additionally, aiming at a detailed electrochemicalcharacterization of the MFCs, the impedance characteristics were also investigated byperforming Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) experiments, whileScanning Electron Microscopy (SEM), images of the anodic biofilm were collected.Finally, for the valorization of the experimental results of the present thesis, themathematical model of Zeng et al was appropriately modified in order to describe theexperimental results of the dual chamber MFC.

Η μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου (ΜΚΚ) είναι ένας βιοαντιδραστήρας ο οποίοςμετατρέπει απευθείας τη χημική ενέργεια ποικίλων υποστρωμάτων σε ηλεκτρικήενέργεια μέσω μικροβιακών καταλυτικών αντιδράσεων, σε αναερόβιες συνθήκες. Ηδιττή υπόστασή της τεχνολογίας να επεξεργάζεται λύματα με ταυτόχρονη παραγωγήηλεκτρικής ενέργειας, έχει κερδίσει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον τηςεπιστημονικής κοινότητας.Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει μια πρωτότυπη ΜΚΚ ενός θαλάμουιδιαίτερης αρχιτεκτονικής, η οποία συνδυάζει πληθώρα πλεονεκτημάτων. Ταπειράματα που διεξήχθησαν είχαν ως απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση τόσο τωνσχεδιαστικών όσο και των λειτουργικών παραμέτρων της κυψελίδας, η οποίαμελετήθηκε κάτω από το πρίσμα της εφαρμογής της σε μονάδες βιολογικούκαθαρισμού αστικών λυμάτων. Η λογική που εργάστηκα βασίστηκε στη λειτουργίατης συσκευής με πλήρη αντικατάσταση των ακριβών υλικών από φθηνότερα, ενώταυτόχρονα προσπάθησα σταδιακά να βελτιώσω την απόδοσή της, ακόμα και σελειτουργίες μακράς διαρκείας. Η καινοτόμος κυψελίδα λειτούργησε σε συνθήκεςδιαλείποντος και συνεχούς έργου.Παράλληλα, με τη λειτουργία της καινοτόμου διάταξης, μελετήθηκε η επίδρασηδιαφορετικών παραμέτρων στην απόδοση ΜΚΚ δύο θαλάμων (τύπου H). Η εμπειρίαπου αποκτήθηκε από την προκειμένη λειτουργία, καθώς και τα αποτελέσματα τωνπειραμάτων αυτών, είναι πρωταρχικής σημασίας, καθώς αποτέλεσαν τον οδηγό γιατην καινοτόμο κατασκευή και τη λειτουργία της ΜΚΚ ενός θαλάμου.Έτσι λοιπόν, στα πλαίσια της παρούσας έρευνας μελετήθηκαν τόσο συνθετικά(γλυκόζη, πεπτόνη από χωνευμένο με τρυψίνη κρέας και αραβοσιτέλαιο) όσο καιπραγματικά απόβλητα (ορρός τυρογάλακτος, αστικό λύμα). Ειδικότερα, μελετήθηκανοι παράμετροι της ιοντικής ισχύος, του pH, του είδους του αποδέκτη ηλεκτρονίων,της θερμοκρασίας, της αρχικής συγκέντρωση του υποστρώματος, του υδραυλικούχρόνου παραμονής (HRT), της επιφάνειας του ανοδικού ηλεκτροδίου αλλά και τηςποσότητας του καταλύτη της καθόδου. Επιπρόσθετα, προκειμένου να επιτευχθείπλήρης ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός των κυψελίδων, διεξήχθηκαν πειράματαΦασματοσκοπίας Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (Electrochemical ImpedanceSpectroscopy, EIS) ενώ παράλληλα ελήφθησαν ηλεκτρονικές μικρογραφίες τωνανοδικών ηλεκτροδίων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Τέλος, στα πλαίσια αξιοποίησης των πειραματικών αποτελεσμάτων της παρούσαςδιατριβής το μαθηματικό μοντέλο των Zeng et al τροποποιήθηκε κατάλληλα ώστε νακαταστεί δυνατή η περιγραφή των αποτελεσμάτων της ΜΚΚ δύο θαλάμων.