Celdas de combustible microbianas con membrana intercambiadora de iónes

Autores: Daniel Herranz González, Pilar Ocón – UAM

Las celdas de combustible microbianas son una tecnología en desarrollo y generalmente se usan, más que para la producción directa de energía, para para el tratamiento energéticamente eficiente de distintos tipos de aguas residuales, las cuales contienen los substratos que hacen la función de combustibles. Algunos ejemplos de estos combustibles/substratos son el acetato o la sacarosa. También pueden ser usadas con otras funcionalidades interesantes como la descalcificación del agua, descontaminación de amoniaco o la electrosíntesis.

Las celdas de combustible microbianas suelen tener ánodos basados en carbono en los cuales ha sido inoculado alguna de las siguientes opciones: un conjunto microbiótico que contiene especies electroactivas (llamadas “exoelectrogens” en inglés) para el tratamiento de aguas residuales de distintos tipos en estudios más aplicados a situaciones reales ó una sola especie electroactiva (en cuyo caso se trata de un monocultivo) en estudios más fundamentales.1 Algunos ejemplos de estas especies electroactivas son la Escherichia coli, la Shewanella oneidensis, o la Geobacter Sulfurreducens. Estas especies se encargan de oxidar los substratos y descargar los electrones en el ánodo, deben estar en una cámara anaeróbica ya que si no descargarían los electrones en el oxígeno (que es el funcionamiento natural de estas bacterias en medios aeróbicos). Una vez los electrones han sido descargados en el ánodo viajan por el circuito externo hasta llegar al cátodo, donde se da la reacción de reducción de la especie aceptora de los electrones (generalmente es el oxígeno). El cátodo puede ser alimentado con una disolución que contenga esta especie o por “air breathing” (con aire del exterior que contiene el oxígeno, ya sea de forma pasiva o bombeado). Como se ha visto, en general no debe haber presencia de oxígeno en el ánodo y por lo tanto ambas zonas deben tener un separador eficiente entre ellas que no permita su paso. Los catalizadores usados en el cátodo pueden ser tanto abióticos (basados en Pt u óxidos de manganeso por ejemplo) como bióticos (pudiendo ser microbiales o enzimáticos). También pueden usarse cátodos fotoelectroquímicos.

Este tipo de celdas pueden diseñarse de muchas formas, y en bastantes casos incluyen la presencia de membranas de intercambio iónico. Si los iones que se mueven a través de la membrana están cargados positivamente se trata de CEM (Cation Exchange Membranes) y si están cargados negativamente son AEM (Anion Exchange Membranes). Varios estudios realizados hasta el momento indican que se obtiene mejor funcionamiento (en potencia y eficiencia culómbica) y estabilidad temporal usando AEM que CEM. Las razones más relevantes aportadas son las siguientes: las AEMs (o las celdas que las usan) tienen menor permeabilidad de oxígeno, menor problema de diferenciación de pH entre la cámara del ánodo y la del cátodo, menor resistencia catódica, menor formación de precipitados sobre el catalizador del cátodo y mayor conductividad iónica. Esto último es un contraste curioso con las celdas de combustible comunes (no bióticas), en las que las membranas transportadoras de cationes suelen tener mejor conductividad que las de aniones, aunque hay que resaltar que los iones implicados son distintos a los de las celdas de combustible microbianas. En cualquier caso este tipo de celdas de combustible aún se hayan en una etapa muy inicial de su desarrollo y más investigación será necesaria antes de poder afirmar qué tipo de membranas serán las que aporten un mejor funcionamiento.2

 

Bibliography

1         B. E. Logan, Nat. Rev. Microbiol., 2009, 7, 375–381.

2         J. R. Varcoe, P. Atanassov, D. R. Dekel, A. M. Herring, M. a. Hickner, P. a. Kohl, A. R. Kucernak, W. E. Mustain, K. Nijmeijer, K. Scott, T. Xu and L. Zhuang, Energy Environ. Sci., 2014, 7, 3135–3191.

 

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