Use of microbial fuel cells (MFCs) in organic wastewater treatment


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Faculty of Engineering, Environmental Engineering, Turkey

Approval Date: 2009

Thesis Language: English

Student: PELİN ÇAVDAR

Supervisor: BARIŞ ÇALLI

Abstract:

MİKROBİYAL YAKIT HÜCRELERİNİN (MYH) ORGANİK ATIKSU ARITIMINDA KULLANIMI Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH) atık su arıtımında kullanılan biyo-elektrokimyasal sistemlerdir. Temel olarak MYH’ler bakterileri biyo-katalizör olarak kullanarak organik veya inorganik bileşiklerin bağlarında mevcut olan kimyasal enerjiyi oksijensiz ortamda elektrik enerjisine dönüştürür. Bu çalışmada, asetat içeren sentetik atıksu ile beslenen iki çift bölmeli MYH’lerin işletilmesi ve akım üretimi 192 gün boyunca incelenmiştir. Her iki MYH’de de anot elektrot olarak karbon kağıt, MYH1’in katot bölmesinde karbon kumaş, MYH-2’de ise 1 mg/cm2 platinle kaplı karbon kağıt kullanılmıştır. MYH’ler 20±0,5 oC’de yaklaşık 0.7, 0.4, ve 0.2 kg/m3/gün yüklerde çalıştırılmıştır. Kısa bir süre için MYH-1’de, güç ve akım yoğunluğuna etkisini incelemek için elektron alıcısı olarak oksijen yerine 100 mM feriksiyanür test edilmiştir. Buna ek olarak, MYH-1 154. günden sonra son 38 gün süresince biyo-katot olarak çalıştırılmıştır. MYH’lerin performansını etkileyen faktörleri incelemek amacıyla döngüsel voltametre ve empedans ölçümleri yapılmıştır. Döngüsel voltametre testlerinin sonuçlarına göre 135. gün MYH-1’de 58.6 mW/m2 ve MYH-2’de 439 mW/m2 maksimum güç yoğunluğu değerleri elde edilmiştir. 136. günde yapılan empedans ölçümlerine göre MYH-1’de (340 mA/m2) 3,3 Ω ohmik direnç ve 77.2 Ω polarizasyon direnci, MYH-2’de (850 mA/m2) 5,4 Ω ohmik direnç ve 15.4 Ω polarizasyon direnci tespit edilmiştir. le, oksijen ve katalist olarak katotdaki platin yerine elektron alıcısı olarak demirsiyanür kullanıldığı zaman MYH’lerin elektrik akımı ve güç üretimi önemli oranda artış göstermiştir. Ancak indirgenmiş demirsiyanirün periyodik olarak değiştirilmesinin gerekliliği ve platin katalistin yüksek maliyeti büyük ölçekli atıksu arıtma tesislerinde MYH kullanımını elverişsiz hale getimektedir. Bu çalışmada kullanılan biyo-katotun akım sonuçları, biyo-katot kullanımının yüksek maliyetli kimyasal katalistlere iyi bir alternatif olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Fakat biyo-katotun platin kaplı katotun yerine geçebilmesi için daha fazla geliştirilmesi gerekmektedir. ABSTRACT USE OF MICROBIAL FUEL CELLS (MFCs) IN ORGANIC WASTEWATER TREATMENT Microbial fuel cells (MFCs) are bio-electrochemical systems that can be used in wastewater treatment. Basically, MFCs produce energy by using bacteria as biocatalysts to convert chemical energy contained in the bonds of organic or inorganic compounds to electrical energy under anaerobic conditions. In this study, operation and current production of 2 two-chamber MFCs fed with acetate containing synthetic wastewater were investigated for 192 days. In both MFCs carbon paper was used as anode electrode, whereas carbon cloth and carbon paper coated with 1 mg/cm2 platinum were employed in the cathode of MFC-1 and MFC-2, respectively. They were operated at 20±0.5 oC with loading rates of about 0.7, 0.4, and 0.2 kg COD/m3/d. For a short period of time, 100 mM ferricaynide was tested at cathode of MFC-1 as electron acceptor in place of oxygen, to evaluate how it increases the power and current density. In addition, MFC-1 was operated as a bio-cathode cell for the last 38 days after Day 154. In order to monitor the factors that limit the performances of MFCs, cyclic voltammetry and impedance analyses were performed. In cyclic voltammetry tests at Day 135, maximum power densities of 58.6 mW/m2 and 439 mW/m2 were determined for MFC-1 and MFC-2, respectively. According to the impedance analysis of MFC-1 (340 mA/m2), 3.3 Ω ohmic resistance and 77.2 Ω polarization resistance and of MFC-2 (850 mA/m2) 5.4 Ω ohmic resistance and 15.4 Ω polarization resistance were found at Day 136. In summary, electrical current and power production of MFCs were increased significantly when ferricyanide was used as electron acceptor in place of oxygen and platinium on cathode as catalyst. However the need to periodically replenish the reduced ferricyanide and the high-cost of platinium catalyst make them inconvenient for large-scale MFC applications in wastewater treatment. The current output of the bio-cathode used in this study showed that using a biocathode might be a promising alternative to high-cost chemical catalysts. However, bio-cathodes has to be improved by far before being substituted for Pt-coated cathodes.