IT202000010324A1 - Cella a combustibile microbica - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Titolo
CELLA A COMBUSTIBILE MICROBICA.
Campo tecnico
La presente invenzione si riferisce al campo delle celle a combustibile, in particolare alle celle a combustibile microbiche (Microbial Fuel Cells o MFC).
Stato della tecnica
? noto che ? possibile produrre elettricit? utilizzando la decomposizione di materiale organico operata da opportune cellule microbiologiche, l?idea di utilizzare questa capacit? di alcuni microorganismi per costruire generatori di energia elettrica risale agli inizi del secolo scorso e per molti anni ? stata oggetto di studi anche se con minime ricadute pratiche.
Tuttavia negli ultimi decenni la tecnologia ha suscitato notevole interesse per le utili applicazioni che potrebbe permettere, in particolare la produzione di energia elettrica in modo ecologico accompagnata dalla depurazione di acque contenenti materiale organico di scarto (acque reflue) e quindi si ? avuto un rapido sviluppo nella ricerca e realizzazione di pile basate sul principio suddetto.
Essenzialmente una cella a combustibile microbiologica consente di produrre energia elettrica grazie alla reazione dei microorganismi con un opportuno substrato.
Come tutte le pile, anche una cella a combustibile microbiologica ? essenzialmente costituita da una cella, isolata dall?esterno, comprendente due semicelle, un contenente l'anodo e l?altra il catodo, in cui dette due semicelle sono internamente collegate fra loro tramite un ponte salino che permette il bilanciamento delle cariche nelle reazioni di ossidoriduzione.
L?anodo ed il catodo sono poi collegati fra loro mediante un circuito elettrico esterno alla cella.
Con il collegamento in serie di pi? celle (batteria) si ottiene una differenza di potenziale pari alla somma delle differenze di potenziale parziali delle singole celle, tuttavia se si perde la discontinuit? tra le semicelle, la differenza di potenziale non ? pi? additiva e quindi la batteria diventa inservibile se ? richiesta una tensione in uscita stabile, come ad esempio nella batteria di una automobile.
Mentre nelle normali batterie l?isolamento dall?esterno delle celle non costituisce un particolare problema, nel caso di celle in cui si voglia utilizzare materiale organico, come appunto le acque reflue, per la produzione di elettroni i problemi pratici sono notevoli.
Infatti il materiale organico viene consumato dai batteri che l?utilizzano come fonte di energia per la loro sopravvivenza (producendo appunto elettroni come conseguenza) e quindi le semicelle anodiche, dove avviene questa parte del processo, devono essere regolarmente svuotate e rialimentate con acque reflue fresche; questo comporta evidenti complicazioni nella gestione di impianto di dimensioni notevoli, come quelli necessari per avere una produzione economicamente interessante di elettricit?.
Scopi e sommario dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? realizzare una batteria costituita da celle a combustibile microbiche in cui l?alimentazione del comparto anodico possa avvenire con continuit? senza richiedere particolari operazioni che implicano apertura, svuotamento e riempimento della semicella anodica. Come detto la presente invenzione consente di superare i problemi suddetti grazie ad una batteria in cui le semicelle anodiche sono costituite da anodi direttamente inseriti nel liquido di alimentazione.
? stato infatti sorprendentemente trovato che le caratteristiche del liquido utilizzato per l?alimentazione della batteria (acque reflue) fanno s? che per distanze relativamente basse (pochi millimetri) la resistenza del mezzo sia prossima ad 1 per cui gli elettrodi inseriti nei liquami anche a piccola distanza fra loro si possono considerare "approssimativamente" isolati tra loro senza bisogno di un confinamento in un?apposita semicella.
In questo modo si pu? creare una batteria in cui i catodi sono isolati in maniera tradizionale da pareti che costituiscono semicelle, mentre gli anodi sono isolati tra loro dalla resistenza e/o impedenza del mezzo in cui sono immersi, ossia dalle caratteristiche generali dei liquami.
Breve descrizione del disegno
La Fig. 1 mostra schematicamente una vista dall?alto di una batteria costituita da celle a combustibile microbiche secondo l?invenzione.
Descrizione dettagliata di una forma di attuazione dell?invenzione
Come si vede dalla figura 1 una batteria secondo l?invenzione ? costituita essenzialmente da un serbatoio (10) e da almeno due semicelle catodiche (11).
Il serbatoio (10) contiene il materiale organico che alimenta la batteria ed almeno due anodi (12); il serbatoio presenta un ingresso (A) e una uscita (B), rispettivamente per l?immissione e l?estrazione del materiale organico.
Secondo l?invenzione il serbatoio (10) pu? essere ad esempio una fossa settica tradizionale, una fossa settica tipo Imhoff o simili.
Le semicelle (11) contengono ciascuna un catodo (13) immerso in una soluzione salina (14) e comunicano con il serbatoio (10) attraverso un elemento (15) che consente il passaggio di ioni.
Gli anodi (12) sono posti in sequenza in prossimit? dell?elemento (15) della corrispondente semicella contenente il catodo (13).
Il catodo di una semicella ? collegato per mezzo di un filo conduttore di corrente (18) con l?anodo posto in prossimit? della cella adiacente (in serie) mentre un filo conduttore, comprendente l?apparecchio utilizzatore della corrente (17), collega fra loro il primo anodo e l?ultimo catodo.
Detto apparecchio utilizzatore pu? essere ad esempio: un inverter, una batteria, una lampadina, etc.
Il serbatoio (10) pu? essere costituito da un qualsiasi materiale adatto allo scopo (cemento, metallo, plastica ecc.) ed ? una struttura chiusa (a parte l?apertura per l?immissione e lo svuotamento) che comunica solo con le semicelle attraverso l?elemento (15) che consente il passaggio di ioni. Il serbatoio (10), come detto, contiene il materiale organico che funge da alimentatore della batteria, ad esempio acque reflue da impianti industriali, coltivazioni, scarichi fognari ecc.
L? elemento (15) che consente il passaggio di ioni pu? essere ad esempio un setto poroso, una membrana semipermeabile o un altro dispositivo analogo, fra quelli comunemente previsti nel campo delle batterie.
Sia gli anodi (12) che i catodi (13) sono costituiti da un materiale qualsiasi inerte alle reazioni di ossidoriduzione e capace di trasportare elettroni come ad esempio acciaio inossidabile, grafite etc. in forma di lamine sottili, barre, spazzole o maglia in modo da assicurare la massima superficie di esposizione al liquido contenuto nel serbatoio o rispettivamente con la soluzione salina contenuta nella semicella (11) catodica.
Secondo una particolare realizzazione dell?invenzione il catodo (13) comprende una spazzola, o una lastra, in carbonio conformata in modo tale da aumentare la superficie di contatto e quindi la capacit? elettrica, mentre la differenza di potenziale resta la medesima.
La distanza fra l?anodo (12) e l?elemento (15) permeabile agli ioni deve essere la pi? piccola possibile per ridurre al minimo la resistenza interna della pila, non superiore a 10 millimetri, e la distanza tra due anodi deve essere tale da assicurarsi che le piccole fluttuazioni di conducibilit? e impedenza del mezzo non pregiudichino la discontinuit? tra due anodi, generalmente pochi centimetri, preferibilmente in un range da 1 a 10 centimetri, buoni risultati si sono ottenuti con distanze oscillanti fra 3 e 4 centimetri.
La soluzione salina presente nella semicella (11) contenente il catodo (13) ? normalmente costituita da un elettrolita neutro come ad esempio cloruro di sodio.
Le semicelle (11) contenenti il catodo (13) possono essere aperte, cio? in comunicazione con l?esterno, in modo da assorbire l?ossigeno necessario per la reazione di ossidazione che ha luogo nella semicella catodica; alternativamente possono essere chiuse completamente e provviste di un sistema di insufflaggio di aria od ossigeno (o altro elemento accettore di elettroni) dall?esterno.
I microrganismi preferibilmente utilizzati per il degradamento dei reflui sono quelli normalmente presenti nei reflui, normalmente si tratta di lieviti, batteri, attinomiceti che spontaneamente colonizzano l?anodo.
Il funzionamento della batteria si basa sui normali processi di ossidoriduzione.
La sostanza organica proveniente da scarichi fognari o agricoli giunge alle vasche di raccolta dove viene attaccata dagli organismi fermentativi che da essa ricavano l?energia che gli ? necessaria per vivere, con un processo che usa come fonte e come accettore di elettroni un?unica molecola con produzione di prodotti di scarto quali acidi, alcoli e anidride carbonica.
In questo processo il potenziale redox del liquame si abbassa a causa del consumo di ossigeno, seppur ridotto, di questi microrganismi.
Raggiunti i -100mV di potenziale redox, valore che ? riportato in letteratura come un vero e proprio on-off switch, inizia il lavoro dei metanogeni che sono in grado di usare come donatore di elettroni la matrice (generalmente l?idrogeno molecolare contenuto nel liquame) e come accettore l?anidride carbonica. Tale metano ? gi? usato in impianti di produzione di energia elettrica sia da rifiuti che da liquami attraverso o la combustione in motori endotermici o il flusso in forma gassosa in celle a combustibile con una resa migliore, ma sempre piuttosto bassa.
Nel caso delle MFC si pensa che i microrganismi usino direttamente l?elettrodo inserito nel liquame come accettore di elettroni (l?accettore vero e proprio sar? l?ossidante contenuto nell?altra semicella) ed il potenziale redox che generalmente si misura ? paragonabile a quello di un citocromo ridotto (si tratta di una molecola che le cellule usano per il passaggio di elettroni nelle catene respiratorie).
Secondo una particolare forma realizzativa le semicelle catodiche possono comprendere un elettrodo inserito direttamente in un mezzo poroso in comunicazione con l?esterno, come descritto in CN102544562.
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Claims (10)
1. Cella a combustibile microbica, MFC, in cui la semicella anodica ? costituita dagli anodi (12) direttamente inseriti nel liquido di alimentazione.
2. Cella MFC secondo la rivendicazione 1 comprendente:
- un serbatoio (10) contenente il materiale organico che alimenta la batteria ed almeno due anodi (12);
- almeno due semicelle catodiche (11) contenenti ciascuna un catodo (13) immerso in una soluzione salina (14) e comunicanti con il serbatoio (10) attraverso un elemento (15) che consente il passaggio di ioni.
3. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detto serbatoio (10) presenta un ingresso (A) e una uscita (B) rispettivamente per l?immissione e l?estrazione del materiale organico.
4. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detti anodi (12) sono posti in sequenza in prossimit? dell?elemento (15) della corrispondente semicella catodica (11) contenente il catodo (13).
5. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui il catodo (13) di una semicella (11) ? collegato per mezzo di un filo conduttore di corrente (18) con l?anodo (12) posto in prossimit? della cella adiacente ed in cui un filo conduttore (16), comprendente l?apparecchio utilizzatore della corrente (17), collega fra loro il primo anodo (12) e l?ultimo catodo (13).
6. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui il serbatoio (10) ? di un qualsiasi materiale adatto allo scopo ed ? una struttura chiusa, a parte l?apertura per l?immissione e lo svuotamento, che comunica solo con le semicelle (11) catodiche attraverso detto elemento (15) che consente il passaggio di ioni.
7. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui detto elemento (15) che consente il passaggio di ioni ? un setto poroso, una membrana semipermeabile o altro dispositivo analogo fra quelli comunemente previsti nel campo delle batterie ed in cui detti anodi (12) e catodi (13) sono costituiti da un materiale conduttore inerte alle reazioni di ossidoriduzione.
8. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la distanza fra l?anodo e l?elemento (15) permeabile agli ioni ? compresa fra 0 e 10 mm.
9. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la soluzione salina presente nella semicella (11) contenente il catodo (13) ? costituita da un elettrolita neutro.
10. Cella MFC secondo una delle rivendicazioni che precedono in cui le semicelle (11) contenenti il catodo (13) possono essere aperte, cio? in comunicazione con l?esterno, in modo da assorbire l?ossigeno necessario per la reazione di ossidazione che ha luogo nella semicella catodica o, alternativamente, possono essere chiuse completamente e provviste di un sistema di insufflaggio dall?esterno di aria od ossigeno o altro elemento accettore di elettroni.
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| Jiang et al. | Granular activated carbon single-chamber microbial fuel cells (GAC-SCMFCs): a design suitable for large-scale wastewater treatment processes | |
| Gajda et al. | Miniaturized ceramic-based microbial fuel cell for efficient power generation from urine and stack development | |
| US10954145B2 (en) | Method of desalination and wastewater treatment in a microbial desalination cell reactor | |
| Ahn et al. | A multi-electrode continuous flow microbial fuel cell with separator electrode assembly design | |
| Cheng et al. | Increasing power generation for scaling up single-chamber air cathode microbial fuel cells | |
| US7491453B2 (en) | Bio-electrochemically assisted microbial reactor that generates hydrogen gas and methods of generating hydrogen gas | |
| Chen et al. | Sustainable water desalination and electricity generation in a separator coupled stacked microbial desalination cell with buffer free electrolyte circulation | |
| Zhang et al. | Anodic current distribution in a liter-scale microbial fuel cell with electrode arrays | |
| An et al. | New architecture for modulization of membraneless and single-chambered microbial fuel cell using a bipolar plate-electrode assembly (BEA) | |
| Zhang et al. | Innovative self-powered submersible microbial electrolysis cell (SMEC) for biohydrogen production from anaerobic reactors | |
| Ye et al. | Improved performance of the microbial electrolysis desalination and chemical-production cell with enlarged anode and high applied voltages | |
| Wang et al. | Reduced internal resistance of microbial electrolysis cell (MEC) as factors of configuration and stuffing with granular activated carbon | |
| Walter et al. | Microbial fuel cell scale-up options: Performance evaluation of membrane (c-MFC) and membrane-less (s-MFC) systems under different feeding regimes | |
| Abazarian et al. | The effect of number and configuration of sediment microbial fuel cells on their performance in an open channel architecture | |
| Oliot et al. | Removable air-cathode to overcome cathode biofouling in microbial fuel cells | |
| Gajda et al. | A new method for urine electrofiltration and long term power enhancement using surface modified anodes with activated carbon in ceramic microbial fuel cells | |
| Li et al. | Response of anodic biofilm and the performance of microbial fuel cells to different discharging current densities | |
| KR20100025831A (ko) | 박층의 수평흐름을 가진 수면부유양극 미생물연료전지 | |
| CN106086934A (zh) | 一种用微生物燃料电池从含铜废水中回收单质铜的方法 | |
| Zhang et al. | Effect of proton transfer on the performance of unbuffered tubular microbial fuel cells in continuous flow mode | |
| Su et al. | A graphene modified biocathode for enhancing hydrogen production | |
| CN102786330A (zh) | 生物产电加速脱水污泥厌氧堆肥的系统 | |
| Yoshida et al. | Current recovery from sewage wastewater using electrochemically oxidized graphite felt | |
| IT202000010324A1 (it) | Cella a combustibile microbica | |
| KR101040185B1 (ko) | 기능성 전극을 장착한 미생물 연료 전지 단위체 및 이를 이용한 미생물 연료 전지 |