Un gruppo di ricercatori dell’Università di Napoli Parthenope presenta lo studio di due diverse configurazioni di celle a combustibile microbico (MFC)

Ricercatori e scienziati lavorano costantemente per sviluppare soluzioni che possano salvare il nostro mondo futuro, dalla risoluzione di problemi come l’aumento dell’inquinamento e del cambiamento climatico alla produzione di energia pulita. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Napoli Parthenope ha recentemente pubblicato un documento intitolato ” Sviluppo e analisi delle prestazioni delle celle a combustibile microbico a base di biomassa fabbricate utilizzando tecnologie di produzione additiva “, riguardo ai loro sforzi per testare due diverse configurazioni di celle a combustibile microbico (MFC): dispositivi bio-elettrochimici che possono produrre direttamente energia convertendo l’energia immagazzinata in un substrato. Gli MFC hanno questa capacità unica grazie ai batteri elettrogeni che possono produrre e trasferire elettroni a un elettrodo con cui sono già in contatto.

L’abstract dice: “In questo lavoro vengono testate due diverse configurazioni di MFC, valutando l’importanza delle condizioni operative sulla produzione di energia. Tutti gli MFC sono stati fabbricati utilizzando tecnologie di stampa 3D e, utilizzando materiali biocompatibili come per il corpo come per gli elettrodi, vengono analizzati il ​​punto di forza e lo sviluppo necessari allo stato dell’arte per questa particolare applicazione. Le produzioni energetiche e la stabilità in termini di produzione di energia sono approfondite per entrambi i sistemi al fine di quantificare la quantità di energia che può essere estratta dai batteri quando un carico viene fissato per lungo tempo. ”
Progettazione del reattore.
I tre principali meccanismi di trasferimento sono gli shuttle elettronici, i nanofili conduttivi e le reazioni redox tra i batteri e l’elettrodo. Scalare le vere applicazioni MFC sarebbe costoso, in quanto i materiali necessari, come Nafion® e platino, sono costosi. Ma la stampa 3D può essere utilizzata per ridurre i costi e offrire una produzione di energia più stabile.

“A causa di ciò una produzione più sostenibile e meno dispendiosa può essere applicata ai bioreattori MFC. Inoltre, i materiali adatti alla stampa 3D si stanno spostando verso soluzioni a base biologica completamente riciclabili che rafforzerebbero la sostenibilità chiudendo il ciclo anche per i materiali “, hanno scritto i ricercatori.
Per il loro studio, il team ha studiato e testato due tipi di reattori: camera singola e camera doppia. La più grande differenza tra loro riguarda l’uso, o meno, di una camera per la localizzazione dell’elettrodo catodico.

“Nella progettazione dei reattori le distanze tra i catodi e gli anodi in entrambi i layout sono fissate a 2 cm”, hanno spiegato i ricercatori.

“Nella configurazione a camera singola, carbone attivo rivestito con PTFE e una rete di nichel come collettore di corrente vengono utilizzati come catodo (7 cm2 come area di superficie attiva) e un materiale a base di PLA viene utilizzato per realizzare l’anodo (superficie attiva 9,7 cm2).

“Nel reattore a doppia camera, entrambi gli elettrodi (catodo e anodo) sono realizzati utilizzando il materiale a base di PLA come quello utilizzato per l’anodo del reattore a camera singola. Questi elettrodi hanno anche la stessa forma (superficie attiva 9,7 cm2). Inoltre, una membrana a scambio cationico (CEM) viene utilizzata come mezzo tra le due camere. ”
Il CAD open source gratuito è stato utilizzato per progettare i reattori a forma di cubo, che includevano un foro circolare interno per un volume extra, e una stampante 3D Delta Wasp 20 40 fabbricato i reattori da PLA non tossico conduttivo da Proto-pasta .

I ricercatori hanno osservato: “Questo materiale è adatto per l’applicazione in MFC, ma sono necessari miglioramenti per ottenere una migliore produzione di energia”.
Il team ha utilizzato i batteri da una miscela di compost prelevati da un impianto di trattamento dei rifiuti e da scarti vegetali domestici per i loro esperimenti e ha lasciato i reattori stampati in 3D in un ambiente a temperatura controllata di 20 ° C per 48 ore prima di iniziare le acquisizioni.

“Un sistema di acquisizione dati sperimentale, è utilizzato per registrare le prestazioni degli MFC, costituiti da un sistema embedded controllato da una scheda Arduino collegata a sensori che registravano tensione e corrente in ogni condizione operativa impostata. Il DAQ, con frequenza di campionamento di 0,1 Hz (10 s), è in grado di commutare automaticamente la resistenza applicata alle estremità degli elettrodi per ottenere facilmente curve di polarizzazione. In particolare, la procedura di polarizzazione consiste nell’applicazione di quattro diverse resistenze (36000-27000-12000-8000 W) per 5 minuti ciascuna “, hanno scritto i ricercatori.

“La procedura è continua, quindi il tempo totale necessario è di 20 minuti. Infine, il valore della resistenza che dà la massima potenza viene applicato per quattro ore al fine di testare come la risposta dello stesso a un carico esteso. ”
Elettrodo conduttivo PLA Design.
I ricercatori hanno registrato continuamente l’Open Circuit Voltage (OCV) degli MFC e il sistema a doppia camera ha mostrato un potenziale di avviamento più elevato di 0,95 V rispetto allo 0,59 V del sistema a camera singola. Hanno notato una “grande stabilità” durante i loro test sperimentali e hanno stabilito che la stampa 3D è “una tecnologia adatta per la fabbricazione dell’MFC in termini di precisione e costi”.

“I risultati dell’esperimento mostrano che entrambe le configurazioni sono influenzate da un’alta resistenza interna e, di conseguenza, è stata raggiunta una produzione di energia limitata. Come previsto, i risultati migliori sono registrati per la camera doppia, principalmente a causa dell’uso di CEM e della presenza di permanganato di potassio al catodo che, probabilmente, ha bilanciato meglio le reazioni redox che si sono verificate “, ha concluso il team. “Tuttavia, questa differenza è molto bassa (+ 11%) e la ragione può essere trovata nei materiali utilizzati per gli elettrodi. Il rivestimento CA con elettrodo PTFE (resistenza 1 W), utilizzato come catodo nella prima configurazione, consente prestazioni migliori rispetto al PLA conduttivo (circa 400 W di resistenza). ”
Co-autori del giornale sono Elio  Jannelli,  Pasquale  Di Trolio,  Fabio  Flagiello e  Mariagiovanna  Minutillo.

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