Desenvolvimento de biosensor de matéria orgânica com célula combustível microbiológica de câmara única à base de resíduo de pilha

Abstract

Células combustíveis microbiológicas (CCMs) são dispositivos capazes de converter biologicamente energia química em elétrica. Nas CCMs as bactérias exoeletrogênicas, presentes no ânodo, oxidam matéria orgânica e liberam elétrons extracelularmente que devido à diferença de potencial, migram para o cátodo no qual há um agente oxidante. Uma das aplicações de CCMs é seu uso como biosensores de matéria orgânica, obtendo resultados mais rápidos quando comparado ao método padrão para determinação de compostos biodegradáveis, DBO5, o qual necessita de período de incubação de 5 dias e apresenta falhas de reprodutibilidade. Em CCMs do tipo ar-cátodo o agente oxidante é o oxigênio e, por isso, para aumentar a eficiência do sistema diversos materiais vêm sendo estudados para catalisar a reações de redução do O2, sendo o óxido de manganês (MnOx) um deles. O objetivo deste trabalho foi estudar o uso de eletrodo catódico contendo resíduo de pilha em células combustíveis microbiológicas do tipo ar-cátodo e relacionar a concentração de matéria orgânica de efluente sintético com Coulombs transferidos. Na primeira etapa desse trabalho, foi estudado o uso eletrodos com carvão ativado, polivinilideno co-hexafluorpropileno e diferentes proporções de resíduo de pilha - sem resíduo, 7% (m/m) e 14% (m/m) - e comparados com uma CCM de câmara dupla utilizando ferrocianeto de potássio como agente oxidante. As CCMs ar-cátodo quando operadas com resistência externa (Rext) de 1000 e 1,0 g/L de acetato de sódio obtiveram densidade de potência acima entre 26,41 e 34,26 mW/m², mais de 35% superior à CCM operada com ferrocianeto (19,56 mW/m²). A operação das CCMs em Rext de 560 e concentração de acetato de sódio máxima de 0,20 g/L foi favorável para as CCM arcátodo e de câmara dupla, sendo obtidas densidade de corrente 33% superiores para as CCMs ar-cátodo em comparação à operação em 1000 e 3,1 vezes superior para CCM de câmara dupla comparada a sua operação em 1000 . Foi realizado um estudo de aumento da área do ânodo pela adição de pellets de grafite, porém essa modificação resultou na diminuição de ddp gerada. Já na segunda etapa desse trabalho, CCMs ar-cátodo, em triplicata, com eletrodos catódicos sem resíduo de pilha e com 14% (m/m) de resíduo, foram alimentadas com 0,25; 0,50; 1,00; 2,50 e 5,00 g/L de acetato de sódio em Rext de 1000, 560, 100, 47 e 10 e analisados o coeficiente de determinação e o tempo de resposta dos biosensores. Em todas condições de resistências externas foram obtidos coeficientes de determinação acima (R²) de 0,92 para ambos grupos de CCMs. O tempo de resposta diminuiu com a redução da resistência, sendo obtidos em Rext de 47 respostas em 16,8 h com e R² de 0,99, e em Rext de 10 respostas em 7,7 h com e R² acima de 0,95. As CCMs sem resíduo de pilha apresentaram tempo de resposta mais curtos, porém com menor R². O resíduo de pilha no eletrodo catódico de CCM é uma alternativa para reutilização deste resíduo sem que sejam realizados tratamento e purificação do mesmo. As CCMs apresentaram resultados promissores como biosensor de matéria orgânica, sendo obtidos resultados em no máximo 20% do tempo requerido pelo método DBO5.

Microbiological fuel cells (MFCs) are devices capable of biologically converting chemical energy into electric. In MFCs the exoelectrogenic bacteria, present in the anode, oxidize organic matter and release extracellular electrons that due to the potential difference migrate to the cathode in which there is an oxidizing agent. One of the applications of MFCs is its use as biosensors of organic matter, obtaining faster results when compared to the standard method for the determination of biodegradable compounds, BOD5, which requires an incubation period of 5 days and presents reproducibility issues. In air-cathode MFCs, the oxidizing agent is oxygen, therefore, in order to increase the efficiency of the system, several materials have been studied to catalyze O2 reduction reactions, with manganese oxide (MnOx) being one of them. The objective of this work was to study the use of battery waste based cathode electrode in aircathode microbial fuel cells and to relate the organic matter concentration of synthetic effluent to transferred Coulombs. In the first part of this work, cathodes made out of activated carbon electrodes, polyvinylidene co-hexafluoropropylene and different ratios of pile residue - without residue, 7% (w/w) and 14% (w/w) - were studied and compared to the performance of a double chamber MFC using potassium ferrocyanide as the oxidizing agent. The air-cathode MFCs when operated with 1000 external resistance (Rext) and 1.0 g/L sodium acetate obtained power density above 26.41 and 34.26 mW/m², 35% higher than the MFC operated with ferrocyanide (19,56 mW/m²). The operation in Rext of 560 and sodium acetate concentration of 0.20 g/L was favorable for the air-cathode and double chamber MFC, obtaining a current density 33% higher for the air-cathode MFCs compared to operation in 1000 and 3.1 times higher for double chamber MFC compared to its operation in 1000 . A study was carried out with the increase the anodes area by the addition of graphites pellets, but this modification resulted in the decrease of potential. In the second part of this work, MFCs with cathode electrodes with no battery waste and with 14% (w/w), were feed with of 0.25; 0.50; 1.00; 2.50 and 5.00 g/L of sodium acetate in Rext of 1000, 560, 100, 47 and 10 . After those experiments, the determination coefficient and the response time of the biosensors were analyzed. In all resistances, determination coefficients (R²) above 0.92 for both groups of MFCs were obtained. The response time decreased with the reduction of resistance, being obtained in Rext of 47 responses in 16.8 h with and R² of 0.99, and in Rext of 10 responses in 7.7 h and R² above 0.95. The MFCs without battery waste had shorter response times, but lower R². The utilization of this residue on the cathode MFC electrode is an alternative to its reuse without treatment and purification process. The MFCs presented promising results as organic matter biosensor, obtaining results in a maximum of 20% of the time required by BOD5 method.