La estudiante de posgrado Hanyu Wang es una de las autoras principales del artículo sobre el dispositivo microbiano-solar. Imagen: Song Yang. Fuente: UCSC.
Un nuevo dispositivo que utiliza sólo la luz del sol y aguas residuales para producir hidrógeno podría proporcionar una fuente de energía sostenible, al tiempo que la mejora la eficiencia del tratamiento de aguas residuales .
Un equipo de investigación liderado por Yat Li, profesor asociado de química en la Universidad de California, Santa Cruz (UCSC, EE.UU.), desarrolló este dispositivo microbiano-solar y publicó sus resultados en la revista ACS Nano, de la American Chemical Society.
El dispositivo híbrido combina una célula de combustible microbiana (MFC) y un tipo de célula solar llamado célula fotoelectroquímica (PEC). En el componente MFC, las bacterias degradan la materia orgánica en las aguas residuales, mientras generan electricidad en el proceso. La electricidad generada biológicamente la utiliza el componente PEC para ayudar a la división del agua mediante energía solar (electrólisis), que genera hidrógeno y oxígeno.
El dispositivo PEC y el MFC se pueden usar por separado para producir hidrógeno. Ambos, sin embargo, requieren de un pequeño voltaje adicional (una "corriente de polarización" externa) para superar la barrera de energía termodinámica necesaria para la reducción de protones, de la que se obtiene el hidrógeno.
La necesidad de incorporar un elemento de energía eléctrica adicional aumenta significativamente el coste y la complicación de este tipo de dispositivos de conversión de energía, especialmente a grandes escalas. En comparación, el dispositivo de energía solar microbiana híbrido de Li es auto-guiado y auto-sostenido, debido a que la energía combinada de la materia orgánica (cosechada por el MFC) y la luz solar (capturada por el PEC) es suficiente para conducir la electrólisis del agua.
Sol y agua como fuentes de energía
En efecto, el componente MFC puede considerarse como una "bio-batería" auto-sostenida que proporciona voltaje y energía extra para el PEC, para la generación de hidrógeno. "Las únicas fuentes de energía son las aguas residuales y la luz solar", explica Li en la nota de prensa de la UCSC. "La demostración de que este dispositivo funciona podría proporcionar una nueva solución para abordar simultáneamente la necesidad de tratamiento de las aguas residuales y la creciente demanda de energía limpia."
Las células de combustible microbianas se basan en bacterias inusuales, conocidas como bacterias electrógenas, que son capaces de generar electricidad mediante la transferencia de electrones, metabólicamente generados, 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 las bacterias electrógenas y trabajando para mejorar el rendimiento del MFC. Las pruebas iniciales del dispositivo microbiano-solar utilizaron una cepa bien estudiada de bacterias electrógenas cultivadas en el laboratorio en un medio de crecimiento artificial.
En pruebas posteriores utilizaron aguas residuales municipales sin tratar de la Planta de Reciclaje de Agua Livermore (California). El agua residual contiene ricos nutrientes orgánicos y una mezcla diversa de microbios que se alimentan de dichos nutrientes, incluyendo cepas de bacterias electrógenas naturales.
Cuando es alimentado con aguas residuales e iluminado en un simulador solar, el dispositivo PEC-MFC produce hidrógeno de manera continua a una tasa promedio de 0,05 metros cúbicos por día, según el investigador del LLNL y coautor Fang Qian. Al mismo tiempo, las aguas residuales negras y turbias se hicieron más claras. La demanda de oxígeno químico soluble -una medida de la cantidad de compuestos orgánicos en el agua, que se utiliza ampliamente como una prueba de la calidad del agua- se redujo en un 67 por ciento en 48 horas.
Un equipo de investigación liderado por Yat Li, profesor asociado de química en la Universidad de California, Santa Cruz (UCSC, EE.UU.), desarrolló este dispositivo microbiano-solar y publicó sus resultados en la revista ACS Nano, de la American Chemical Society.
El dispositivo híbrido combina una célula de combustible microbiana (MFC) y un tipo de célula solar llamado célula fotoelectroquímica (PEC). En el componente MFC, las bacterias degradan la materia orgánica en las aguas residuales, mientras generan electricidad en el proceso. La electricidad generada biológicamente la utiliza el componente PEC para ayudar a la división del agua mediante energía solar (electrólisis), que genera hidrógeno y oxígeno.
El dispositivo PEC y el MFC se pueden usar por separado para producir hidrógeno. Ambos, sin embargo, requieren de un pequeño voltaje adicional (una "corriente de polarización" externa) para superar la barrera de energía termodinámica necesaria para la reducción de protones, de la que se obtiene el hidrógeno.
La necesidad de incorporar un elemento de energía eléctrica adicional aumenta significativamente el coste y la complicación de este tipo de dispositivos de conversión de energía, especialmente a grandes escalas. En comparación, el dispositivo de energía solar microbiana híbrido de Li es auto-guiado y auto-sostenido, debido a que la energía combinada de la materia orgánica (cosechada por el MFC) y la luz solar (capturada por el PEC) es suficiente para conducir la electrólisis del agua.
Sol y agua como fuentes de energía
En efecto, el componente MFC puede considerarse como una "bio-batería" auto-sostenida que proporciona voltaje y energía extra para el PEC, para la generación de hidrógeno. "Las únicas fuentes de energía son las aguas residuales y la luz solar", explica Li en la nota de prensa de la UCSC. "La demostración de que este dispositivo funciona podría proporcionar una nueva solución para abordar simultáneamente la necesidad de tratamiento de las aguas residuales y la creciente demanda de energía limpia."
Las células de combustible microbianas se basan en bacterias inusuales, conocidas como bacterias electrógenas, que son capaces de generar electricidad mediante la transferencia de electrones, metabólicamente generados, 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 las bacterias electrógenas y trabajando para mejorar el rendimiento del MFC. Las pruebas iniciales del dispositivo microbiano-solar utilizaron una cepa bien estudiada de bacterias electrógenas cultivadas en el laboratorio en un medio de crecimiento artificial.
En pruebas posteriores utilizaron aguas residuales municipales sin tratar de la Planta de Reciclaje de Agua Livermore (California). El agua residual contiene ricos nutrientes orgánicos y una mezcla diversa de microbios que se alimentan de dichos nutrientes, incluyendo cepas de bacterias electrógenas naturales.
Cuando es alimentado con aguas residuales e iluminado en un simulador solar, el dispositivo PEC-MFC produce hidrógeno de manera continua a una tasa promedio de 0,05 metros cúbicos por día, según el investigador del LLNL y coautor Fang Qian. Al mismo tiempo, las aguas residuales negras y turbias se hicieron más claras. La demanda de oxígeno químico soluble -una medida de la cantidad de compuestos orgánicos en el agua, que se utiliza ampliamente como una prueba de la calidad del agua- se redujo en un 67 por ciento en 48 horas.
Con el tiempo
Los investigadores también observaron que la generación de hidrógeno se redujo con el tiempo ya que las bacterias gastaban la materia orgánica de las aguas residuales. La reposición de las aguas residuales en cada ciclo de alimentación llevó a la completa recuperación de la producción de gas de hidrógeno y la generación de corriente eléctrica .
Qian asegura que los investigadores se muestran optimistas sobre el potencial comercial de su invención. Actualmente se están planeando ampliar el pequeño aparato de laboratorio para hacer un prototipo más grande, de 40 litros, alimentado continuamente con las aguas residuales municipales.
Si los resultados del prototipo de 40 litros son prometedores, pondrán a prueba el dispositivo directamente en la planta de tratamiento de aguas residuales .
"El MFC se integrará con las tuberías existentes de la planta para la alimentación continua y el PEC se instalará en el exterior para recibir la iluminación solar natural", avanza Qian. "Afortunadamente, el Estado Dorado [California] tiene la bendición de tener abundante luz solar que puede utilizarse para la prueba de campo", añade Li.
Los investigadores también observaron que la generación de hidrógeno se redujo con el tiempo ya que las bacterias gastaban la materia orgánica de las aguas residuales. La reposición de las aguas residuales en cada ciclo de alimentación llevó a la completa recuperación de la producción de gas de hidrógeno y la generación de corriente eléctrica .
Qian asegura que los investigadores se muestran optimistas sobre el potencial comercial de su invención. Actualmente se están planeando ampliar el pequeño aparato de laboratorio para hacer un prototipo más grande, de 40 litros, alimentado continuamente con las aguas residuales municipales.
Si los resultados del prototipo de 40 litros son prometedores, pondrán a prueba el dispositivo directamente en la planta de tratamiento de aguas residuales .
"El MFC se integrará con las tuberías existentes de la planta para la alimentación continua y el PEC se instalará en el exterior para recibir la iluminación solar natural", avanza Qian. "Afortunadamente, el Estado Dorado [California] tiene la bendición de tener abundante luz solar que puede utilizarse para la prueba de campo", añade Li.
Referencia bibliográfica:
Hanyu Wang, Fang Qian, Gongming Wang, Yongqin Jiao, Zhen He, Yat Li. Self-Biased Solar-Microbial Device for Sustainable Hydrogen Generation. ACS Nano (2013). DOI: 10.1021/nn403082m.
Hanyu Wang, Fang Qian, Gongming Wang, Yongqin Jiao, Zhen He, Yat Li. Self-Biased Solar-Microbial Device for Sustainable Hydrogen Generation. ACS Nano (2013). DOI: 10.1021/nn403082m.