Generación de Energía Eléctrica en Celdas de Combustible Microbianas Biocatódicas de Tres Cámaras Usando Nejayote como Sustrato

Abstract

El nejayote es un agua residual derivada de la producción de tortillas caracterizada por tener una alta concentración de materia orgánica medida como demanda química de oxígeno (DQO) y un pH alcalino, por lo que, se decidió tratar el nejayote por medio celdas de combustible microbianas (CCM), que han sido un tema de interés en el tratamiento de aguas residuales por su escasa producción de lodos y su simplicidad en el diseño y operación. En este trabajo se evaluó la producción de energía eléctrica y la degradación de materia orgánica medidas en densidad de potencia y DQO respectivamente, en dos CCM de tres cámaras biocatódicas con dos concentraciones y cargas orgánicas diferentes de nejayote: CCM1 con 14 g/L de DQO y 1 g DQO/L·d y CCM2 con 7 g/L de DQO y 0.5 g DQO/L·d respectivamente, al mismo tiempo que se analizó su comportamiento electroquímico. Para lo anterior se instalaron dos CCM idénticas, cada una de ellas con una cámara anódica y dos catódicas con volúmenes de 0.95 y 0.7 L respectivamente, se usaron cepillos de grafito como electrodos y membranas de intercambio protónico (MIP) como separadores, a la vez que se implementaron biocátodos en las cámaras catódicas. El sistema operó 196 d, equivalente a 14 ciclos de operación de 14 d (7 d a circuito abierto y 7 d a circuito cerrado) durante los cuales se monitorearon el voltaje y la DQO principalmente. La CCM1-14 g/L obtuvo 1.02 V y 1,102 mW/m3 como voltaje y densidad de potencia máximos y una remoción de DQO promedio del 50 %, a la vez que la CCM2-7 g/L obtuvo 0.98 V y 992 mW/m3 como voltaje y densidad de potencia máximos y una remoción de DQO promedio del 40 %. Después de un periodo de aclimatación de 6 ciclos los voltajes se estabilizaron, y durante el tiempo de operación no se mostraron diferencias significativas en la producción de densidad de potencia de las dos CCM. Las curvas de polarización y pruebas de espectroscopia de impedancia electroquímica dieron como resultado una menor resistencia interna del sistema en la CCM1-14 g/L que en la CCM2-7 g/L y la voltamperometría cíclica demostró un mayor transporte de electrones en la CCM1-14 g/L, la cual también obtuvo 12.5% más SSV por área en el electrodo. Los resultados mostraron que en una operación de larga duración (mayor a 84 d) la producción de energía de una CCM con 14 g/L y otra con 7 g/L de DQO de nejayote fue similar, sin embargo, se obtuvo una mayor degradación de DQO en la CCM con 14 g/L de nejayote, una menor resistencia interna y una mayor actividad electrogénica.