Modélisation et étude expérimentale de l'effet de la source de carbone sur les performances d'une pile à combustible microbienne tubulaire

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11070 (2023) Citer cet article

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Les piles à combustible microbiennes (MFC) répondent à deux objectifs principaux : la production d’énergie propre et le traitement des eaux usées. Cette étude examine l'impact de différentes sources de carbone sur les performances du MFC et développe un modèle mathématique pour reproduire la courbe de polarisation. Le réacteur biologique utilisait trois types de sources de carbone : le glucose comme alimentation simple, la cellulose microcristalline (MCC) et une suspension du composant organique des déchets solides municipaux (SOMSW) comme alimentation complexe. Les MFC fonctionnaient en mode circuit ouvert et fermé. Les tensions maximales en circuit ouvert atteintes étaient de 695 mV pour le glucose, de 550 mV pour le MCC et de 520 mV pour le SOMSW en tant que substrats. L'influence du substrat en mode circuit fermé a également été étudiée, aboutissant à des densités de puissance maximales de 172 mW/m2, 55,5 mW/m2 et 47,9 mW/m2 pour le glucose, le MCC et le SOMSW comme substrats, respectivement. Dans la deuxième section, un modèle mathématique a été développé pour représenter la courbe de polarisation tout en considérant les pertes de tension, à savoir les pertes d'activation, ohmiques et de concentration, avec une erreur relative moyenne (ARE) inférieure à 10 %. Les modèles mathématiques ont démontré que la perte de tension d'activation augmentait avec la complexité du substrat et atteignait sa valeur maximale lorsque SOMSW était utilisé comme substrat.

Au cours des dernières décennies, la demande mondiale d’énergie a connu une forte augmentation, principalement due à la croissance démographique et aux progrès industriels. À l’heure actuelle, la majorité des besoins énergétiques sont satisfaits en s’appuyant fortement sur des ressources fossiles limitées telles que le gaz, le pétrole et le charbon. Alors que la consommation d’énergie continue d’augmenter, les scientifiques se livrent une concurrence croissante pour découvrir une alternative énergétique renouvelable, respectueuse de l’environnement et fiable. Il est impératif de répondre à ces préoccupations, car les sources de combustibles fossiles sont non seulement limitées, mais également non durables sur le plan environnemental. Outre les défis liés à l’énergie, les appréhensions croissantes concernant les émissions de gaz à effet de serre, en particulier de CO2, ont fait l’objet d’une attention accrue1. Par conséquent, des efforts de recherche approfondis ont été orientés vers l'exploration de combustibles alternatifs, tels que l'énergie nucléaire et les énergies renouvelables, afin d'atténuer la dépendance mondiale à l'égard des combustibles fossiles. L’accent est mis sur l’identification d’options énergétiques respectueuses de l’environnement qui s’appuient sur des sources renouvelables2,3,4. Bien que l’énergie nucléaire ait été considérée comme une alternative, sa disponibilité en ressources est limitée et l’élimination efficace des déchets reste un défi majeur5. En conséquence, les sources d’énergie renouvelables qui génèrent des rejets minimes, voire nuls, ont suscité une attention considérable au sein de la communauté scientifique.

Les piles à combustible microbiennes (MFC) sont un type distinct de pile à combustible qui utilise des micro-organismes comme biocatalyseurs, convertissant la matière organique en électricité en facilitant le transfert d'électrons et de protons. Contrairement aux piles à combustible conventionnelles qui reposent sur des catalyseurs coûteux, les MFC utilisent des micro-organismes dans la chambre anodique. Les électrons générés par ces micro-organismes atteignent l'électrode anodique, soit par un médiateur, soit par transformation directe à l'aide de nanofils ou de biofilms, avant d'être transférés à la surface cathodique via un circuit externe. Dans le cas des MFC à chambre unique sans membrane (SCMFC), les protons pénètrent à travers l'anolyte pour atteindre l'électrode cathodique. À la cathode, les molécules d’oxygène subissent une réduction, entraînant la production d’eau1. Cependant, malgré les avantages potentiels des MFC, plusieurs défis critiques entravent leur application généralisée dans des scénarios du monde réel. Ces défis incluent l'efficacité de la production d'électricité, les coûts des matériaux associés aux électrodes et aux séparateurs, le besoin de simplicité et de faisabilité dans la conception et l'exploitation, ainsi que les coûts de maintenance et la viabilité globale. Afin de surmonter ces obstacles, l’adoption des MFC a été considérée comme une alternative prometteuse à la production d’énergie traditionnelle à base de combustibles fossiles. Par conséquent, des efforts substantiels ont été consacrés au cours des deux dernières décennies pour relever un ou plusieurs de ces défis et améliorer l’applicabilité pratique des MFC. Différentes conditions de fonctionnement6,7,8 et matériaux d'anode et de cathode séparés9,10, électrode d'anode ou de cathode modifiée11, processus de flux (par lots et continu)2 et type microbien12,13,14,15,16 ont été étudiés pour obtenir une production d'énergie élevée. dans les MFC. Un matériau d'électrode d'anode à faible coût (par exemple, un treillis en acier inoxydable17), un séparateur (par exemple, un tissu en toile18) et une biocathode (électrode cathodique sans catalyseur métallique19) ont été utilisés pour réduire le coût initial des MFC. Différentes structures MFC20,21 ont été étudiées pour concevoir des MFC avec des structures simples et une maintenance facile. Jusqu'à présent, deux types de MFC tubulaires ont été utilisés, à flux ascendant (vertical)22 et horizontal20. Les MFC tubulaires peuvent être utilisés dans des applications réelles de production d'électricité et de traitement des eaux usées pour une maintenance et des caractéristiques structurelles faciles (par exemple, pas d'impasse en mode continu). Même dans les types tubulaires, le coût de production de l’électricité reste élevé et injustifiable, ce qui a jusqu’à présent limité leur application.