Abstract:
A procura por novos recursos energéticos para suprir as necessidades mundiais aumentou o interesse
por células combustíveis microbiológicas (CCMs) que geram eletricidade a partir degradação de
matéria orgânica por bactérias exoeletrogênicas. Para a estrutura das CCMs se deve considerar o tipo
de material que irá compor os eletrodos anódicos e catódicos e suas áreas superficiais, sendo as
escovas de fibra de carbono e grafite alternativas de grande potencial para esse fim, bem como a
conformação ar-cátodo. O objetivo deste trabalho foi estudar o uso de escovas de fibra de carbono
como eletrodo anódico em CCMs do tipo ar-cátodo, comparando e avaliando o seu desempenho na
degradação de matéria orgânica proveniente do tratamento de esgoto sanitário e na geração de
energia. Para isso foi estudado o uso de eletrodos anódicos com diferentes valores de áreas
superficiais - 575 cm2 (CCM 1 e 1'), 687,5 cm2 (CCM 2) e 781,5 cm2 (CCM 3) - e comparados entre
si. As CCMs foram inoculadas com sedimento marinho e o período de startup durou até a
estabilização da diferença de potencial (ddp). Após estabilizar, foram analisadas diferentes Rext -
1000 Ω, 800 Ω, 560Ω, 330Ω, 270 Ωe 150 Ω - onde obteve-se densidades de potencia maxima media
de 11,91 mW/m2 e 12,65 mW/m2 para as CCMs 1 e 1' (duplicata) e 11,64 mW/m2 e 8,5 mW/m2 para
as CCMs 2 e 3, respectivamente, utilizando a resistência de 330 2, a qual foi escolhida para ser usada
até o final do estudo. Após a troca de Rext e mantendo as alimentações com acetato de sódio 1 g/L
até o dia 79 para as CCMs 1 e 1' e até o dia 152 CCMs 2 e 3, foram encontrados valores de ddp
máximos de 0,46 V, 0,5 V, 0,58 V e 0,44 V para as CCMs 1, 1', 2 e 3, respectivamente. Além disso,
durante esse período as remoções médias de matéria orgânica foram entre 56% a 59%. A
implementação do esgoto sanitário na operação das CCMs se iniciou nos dias 80 para as CCMs 1 e
1' e 153 para as CCMs 2 e 3, até o término do estudo. Durante esse tempo as remoções de matérias
orgânicas médias atingiram valores acima de 60%. Avaliando a capacidade energética, ao contrário
da remoção de matéria orgânica, as CCMs 1, 1' e 3 obtiveram valores semelhantes de ddp quando
feita a comparação entre efluente sintético e esgoto sanitário. Mesmo a CCM 2 obtendo valores de
ddp (0,58 V) maiores que as demais, sua densidade de corrente atingiu valores máximos de 25,57
mA/m2, sendo esse valor menor ao encontrado para a CCM 1' que continha uma área superficial de
escova menor, atingindo 0,5 V e 26,35 mA/m2. As CCMs apresentaram resultados promissores na
remoção de matéria orgânica de esgoto sanitário, sendo obtidos taxas superiores com maiores áreas
superficiais de escovas de fibra de carbono.
The search for new energy resources to supply the world's needs has increased the interest in
microbial fuel cells (MFCs) that generate electricity from the degradation of organic matter by
exoelectrogenic bacteria. For the structure of the MFCs, the type of material that will make up the
anode and cathode electrodes and their surface areas must be considered, with carbon fiber and
graphite brushes being alternatives of great potential for this purpose, as well as the air-cathode
conformation. The objective of this work was to study the use of carbon fiber brushes as an anode
electrodes in MFCs of the air-cathode type, comparing and evaluating their performance in the
degradation of organic matter from the treatment of sanitary sewage and in the generation of energy.
For this, the use of anodic electrodes with different values of surface areas was studied - 575 cm2
(CCM 1 e 1'), 687,5 cm2 (CCM 2) e 781,5 cm2 (CCM 3) - and compared to each other. The MFCs
were inoculated with marine sediment and the startup period lasted until the potential difference (ddp)
stabilized. After stabilizing, different Rext were analyzed - 1000 92, 800 92, 560 92, 330 92, 270 92 e
150 Q2 - where average maximum power densities of 11.91 mW / m2 and 12.65 mW / m2 were
obtained for MCCs 1 and 1' (duplicate) and 11.64 mW / m2 and 8.5 mW / m2 for MFCs 2 and 3,
respectively, using the resistance of 330 92, which was chosen to be used until the end of the study.
After changing Rext and maintaining the feeds with sodium acetate 1 g / L until day 79 for MFCs 1
and 1' and until day 152 MFCs 2 and 3, maximum ddp values of 0.46 V, 0.5 V, 0.58 V and 0.44 V
were found for MFCs 1, 1', 2 and 3, respectively. In addition, during this period the average removals
of organic matter were between 56% and 59%. The implementation of sanitary sewage in the
operation of MFCs started on the 80th for MFCs 1 and 1' and 153 for MFCs 2 and 3, until the end of
the study. Evaluating the energy capacity, as opposed to the removal of organic matter, MFCs 1, 1'
and 3 obtained similar values of ddp when comparing synthetic effluent and domestic wastewater.
Even though MFC 2 obtained ddp values (0.58 V) higher than the others, its current density reached
maximum values of 25.57 mA/ m2, this value being lower than that found for MFC 1' which contained
a surface area smaller brush, reaching 0.5 V and 26.35 mA / m2. MFCs showed promising results in
the removal of organic matter from domestic wastewater, with higher rates being obtained with larger
surface areas of carbon fiber brushes.
