Uso de Celdas de Combustible Apiladas para la Generación de Electricidad Usando Vinazas como Anolito

Abstract

La producción del mezcal genera agua residual durante su destilación, la cual es la vinaza de mezcal. Esta es un desecho líquido que contiene grandes cantidades de materia orgánica, DQO entre 50,000 y 100,000 mg/L o incluso mayor, y tiene un pH ácido, como 3.5, ya que se fermenta de forma natural. Más de la mitad de sus componentes, como sales y sólidos, son solubles. Las vinazas, al contener una vasta cantidad de materia orgánica y nutrientes, frecuentemente se emplean como abono para los campos agrícolas, pero también pueden ser aprovechadas en las Celdas de Combustible Microbianas (CCM) para la generación de energía eléctrica y el tratamiento de agua residual. Las CCM generalmente tienen dos cámaras, anódica y catódica. En la primera se introduce la vinaza y la biomasa anaerobia desarrollada sobre los ánodos degrada la materia orgánica para que se liberen electrones hacia la superficie del ánodo y posteriormente se trasfieran al cátodo por un circuito externo; los protones que se liberaron en la primera cámara, atraviesan la MIP para llegar a la cámara catódica en donde reaccionan con el aceptor de electrones para completar el circuito. Al observar que el voltaje producido por CCM de solo un compartimento de cámaras anódica y catódica no ha sido significativo para comercializar con esta tecnología, así que, se han propuesto las CCM apiladas como un área de oportunidad para elevar la producción de energía eléctrica. Así que, el propósito de la investigación presente fue evaluar las producciones de voltaje y las remociones de DQO en celdas apiladas de 3, 5 y 7 compartimentos de dos cámaras, y compararlas con las determinadas en las celdas de 1 compartimento. Las celdas operaron durante 41 días en circuito cerrado, con una resistencia de 1000 Ω, y en un flujo continuo. El anolito fue vinaza diluida al 8% para evitar la inhibición de las bacterias. El catolito empleado fue de tipo químico para tener un agente oxidante fuerte, el cual fue una solución de persulfato de potasio (K2S2O8) 20mM. Los electrodos fueron de fieltro de carbón, de los cuales los cátodos se doparon con Pt para mejorar el transporte de los electrones. Las cámaras se dividieron mediante una membrana de intercambio protónico, MIP (Nafion 117, de la marca Dupont Co). Al terminar el tiempo de operación, se obtuvo que la CCM de 7 compartimentos produjo el mayor voltaje (0.540±0.154V) y densidad de potencia, DP, (31.79 mW/m2), pero tuvo la menor eficiencia coulómbica (EC) de 0.13±0.05%, aunque, no tuvo una diferencia significativa con la CCM de 5 compartimentos. La celda de 1 compartimento presentó una EC mayor, 0.23±0.07%, pero generó el potencial más bajo, de 2.93±4 mW/m2 (0.164±0.108V). Como la celda de 7 compartimentos tuvo la mayor DP, se caracterizó su biomasa de cuatro compartimentos. Las arqueas metanogénicas se encontraron en menor proporción, con valores por abajo del 0.5%, en todas las ámaras. Del total de bacterias, entre el 4 y 10% perteneció al filo Proteobacteria, y entre el 29 y 34% fue del filo Firmicutes. El filo dominante fue Bacteroidota, con una concentración que representó entre el 58 y 61%, lo cual demostró que hubo una actividad electroactiva baja y que se llevaron a cabo otros procesos metabólicos como la fermentación natural de las vinazas mezcaleras.