Nuevo Dispositivo Produce Hidrógeno A Partir De La Luz Solar Y Las Aguas Residuales

Nuevo dispositivo utiliza luz solar y aguas residuales para producir gas hidrógeno

Un novedoso dispositivo solar-microbiano para generar combustible de hidrógeno. Foto de Song Yang

Al combinar una celda de combustible microbiana y un tipo de celda solar llamada celda fotoelectroquímica, los investigadores de UC Santa Cruz han desarrollado un dispositivo híbrido que produce gas hidrógeno a partir de aguas residuales y luz solar.

Un dispositivo novedoso que utiliza solo luz solar y aguas residuales para producir gas hidrógeno podría proporcionar una fuente de energía sostenible al tiempo que mejora la eficiencia del tratamiento de aguas residuales.

Un equipo de investigación dirigido por Yat Li, profesor asociado de química en la Universidad de California, Santa Cruz, desarrolló el dispositivo solar-microbiano e informó sus resultados en un artículo publicado en la revista ACS Nano de la American Chemical Society. El dispositivo híbrido combina una celda de combustible microbiana (MFC) y un tipo de celda solar llamada celda fotoelectroquímica (PEC). En el componente MFC, las bacterias degradan la materia orgánica en las aguas residuales, generando electricidad en el proceso. La electricidad generada biológicamente se envía al componente PEC para ayudar a la división del agua con energía solar (electrólisis) que genera hidrógeno y oxígeno.

Se puede usar un dispositivo PEC o MFC solo para producir gas hidrógeno. Sin embargo, ambos requieren un pequeño voltaje adicional (un “sesgo externo”) para superar la barrera de energía termodinámica para la reducción de protones en gas hidrógeno. La necesidad de incorporar un elemento de energía eléctrica adicional aumenta significativamente el costo y la complicación de este tipo de dispositivos de conversión de energía, especialmente a gran escala. En comparación, el dispositivo híbrido solar-microbiano de Li es autónomo y autosuficiente, porque la energía combinada de la materia orgánica (recolectada por el MFC) y la luz solar (capturada por el PEC) es suficiente para impulsar la electrólisis del agua.

En efecto, el componente MFC puede considerarse como una “biobatería” autosuficiente que proporciona voltaje y energía adicionales al PEC para la generación de gas hidrógeno. “Las únicas fuentes de energía son las aguas residuales y la luz solar”, dijo Li. “La demostración exitosa de un dispositivo microbiano sustentable y auto-sesgado para la generación de hidrógeno podría proporcionar una nueva solución que pueda abordar simultáneamente la necesidad de tratamiento de aguas residuales y la creciente demanda de energía limpia”.

Las pilas de combustible microbianas se basan en bacterias inusuales, conocidas como bacterias electrogénicas, que pueden generar electricidad transfiriendo electrones generados metabólicamente a través de sus membranas celulares a un electrodo externo. El grupo de Li colaboró ​​con investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) que han estado estudiando bacterias electrogénicas y trabajando para mejorar el rendimiento de MFC. Las pruebas iniciales de “prueba de concepto” del dispositivo solar-microbiano (PEC-MFC) utilizaron una cepa bien estudiada de bacterias electrogénicas cultivadas en el laboratorio en un medio de crecimiento artificial. Las pruebas posteriores utilizaron aguas residuales municipales sin tratar de la planta de recuperación de agua de Livermore. Las aguas residuales contenían ricos nutrientes orgánicos y una mezcla diversa de microbios que se alimentan de esos nutrientes, incluidas cepas naturales de bacterias electrogénicas.

Cuando se alimenta con aguas residuales y se ilumina en un simulador solar, el dispositivo PEC-MFC mostró una producción continua de gas hidrógeno a una tasa promedio de 0.05 m3 / día, según el investigador y coautor de LLNL Fang Qian. Al mismo tiempo, las aguas negras turbias se volvieron más claras. La demanda de oxígeno químico soluble, una medida de la cantidad de compuestos orgánicos en el agua, ampliamente utilizada como prueba de calidad del agua, disminuyó en un 67 por ciento en 48 horas.

Los investigadores también notaron que la generación de hidrógeno disminuyó con el tiempo a medida que las bacterias consumían la materia orgánica de las aguas residuales. El reabastecimiento de las aguas residuales en cada ciclo de alimentación llevó a la restauración completa de la generación de corriente eléctrica y la producción de gas hidrógeno.

Qian dijo que los investigadores son optimistas sobre el potencial comercial de su invención. Actualmente planean ampliar el pequeño dispositivo de laboratorio para hacer un prototipo más grande de 40 litros alimentado continuamente con aguas residuales municipales. Si los resultados del prototipo de 40 litros son prometedores, probarán el dispositivo in situ en la planta de tratamiento de aguas residuales.

“El MFC se integrará con las tuberías existentes de la planta para la alimentación continua de aguas residuales, y el PEC se instalará al aire libre para recibir iluminación solar natural”, dijo Qian.

“Afortunadamente, el Estado Dorado está bendecido con abundante luz solar que se puede utilizar para la prueba de campo”, agregó Li.

Qian y Hanyu Wang, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Li en UC Santa Cruz, son los primeros coautores del artículo de ACS Nano. Los otros coautores incluyen al estudiante graduado de UCSC Gongming Wang; El investigador del LLNL, Yongqin Jiao; y Zhen He del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia. Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation y el Departamento de Energía.

Publicación : Hanyu Wang, “Dispositivo solar-microbiano auto-sesgado para la generación sustentable de hidrógeno”, ACS Nano, 2013; DOI: 10.1021 / nn403082m

Imagen: Song Yang

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