Une introduction complète à la pile à combustible microbienne
À l'ère du développement rapide des sciences et des technologies, l'énergie est toujours l'un des centres d'intérêt de la population. Et pile à combustible microbienneEn tant que technologie innovante et potentielle de conversion de l'énergie, la technologie de l'énergie solaire est progressivement perçue par le public. Elle combine habilement les principes de la microbiologie et de l'électrochimie, et apporte une nouvelle solution à la pénurie d'énergie et aux problèmes environnementaux. Cet article se concentre sur la définition, la classification, le principe, les avantages techniques, les facteurs d'influence et le rôle de la pile à combustible microbienne.
Qu'est-ce qu'une pile à combustible microbienne ?
La pile à combustible microbienne (MFC) est une technologie d'énergie renouvelable et respectueuse de l'environnement qui convertit directement les substances organiques en électricité grâce aux activités métaboliques des micro-organismes. En d'autres termes, il s'agit de l'utilisation de micro-organismes pour décomposer les matières organiques contenues dans les eaux usées afin de produire de l'électricité, ce qui permet non seulement de purifier la qualité de l'eau, mais aussi de produire de l'énergie, réalisant ainsi la situation gagnant-gagnant de la récupération d'énergie et de la protection de l'environnement.
Classification des piles à combustible microbiennes
Les piles à combustible microbiennes contiennent des chambres de cathode et d'anode, et les deux chambres sont séparées par une membrane d'échange de protons ; ce type de pile à combustible microbienne est appelé pile à combustible microbienne à double chambre, tandis que la pile à combustible microbienne sans séparation est appelée pile à combustible microbienne à chambre unique. En fonction de la différence de mode de transfert des électrons, les piles à combustible microbiennes peuvent être classées en deux catégories : les piles à combustible microbiennes directes et les piles à combustible microbiennes indirectes.
De même, il existe d'autres types de pile à combustible, tels que pile à combustible à oxyde solide(SOFC), qui fonctionnent à des températures élevées et utilisent un électrolyte céramique solide pour produire de l'électricité, et pile à combustible à hydrogènequi utilisent l'hydrogène comme source de combustible et emploient généralement une membrane d'échange de protons pour produire efficacement de l'électricité. Chacune de ces technologies de piles à combustible offre des avantages et des applications distincts en fonction de leurs conditions de fonctionnement et de leurs sources d'énergie.
Principes de la pile à combustible microbienne
Les piles à combustible microbiennes sont principalement composées d'une chambre anodique, d'une chambre cathodique et d'une membrane d'échange de protons. Le processus de production d'énergie est complété par des réactions d'oxydoréduction. Dans la chambre anodique, les micro-organismes décomposent la matière organique, libérant des électrons et des protons. Les électrons circulent vers la cathode à travers un circuit externe, tandis que les protons se déplacent à travers la membrane d'échange de protons jusqu'à la chambre cathodique, où les électrons, les protons et l'oxygène se combinent pour produire de l'eau. Ce processus crée un courant électrique à partir du flux d'électrons, permettant la récolte d'énergie et l'utilisation secondaire de l'énergie provenant des matières organiques présentes dans les eaux usées.
En outre, l'intégration d'un cellule de stockage d'énergieLe système de pile à combustible microbienne permet de stocker l'électricité produite en vue d'une utilisation ultérieure, ce qui garantit une alimentation électrique continue et stable, même lorsque l'activité microbienne fluctue.
Avantages techniques de la pile à combustible microbienne
- Aucun apport d'énergie provenant de sources extérieures n'est nécessaire, ce qui est peu coûteux et économique ;
- Les environnements anaérobie anodique et aérobie cathodique font que la production de boues de la CMF est inférieure à celle des méthodes conventionnelles de digestion anaérobie et de boues activées ;
- Conditions d'application douces, adaptées au traitement d'une variété d'eaux usées à température et pression ambiantes ;
- Sa valeur d'application est plus large dans les régions pauvres en énergie, ce qui ouvre de vastes perspectives dans le domaine du traitement des eaux usées.
Facteurs d'influence de la pile à combustible microbienne
Les paramètres qui influencent l'efficacité de la MFC sont la conception de la configuration de la cellule, l'espacement des électrodes, les propriétés des électrodes, le type de catalyseur (micro-organisme), le type et la composition du substrat, le pH, la température et d'autres conditions de fonctionnement. Parmi les différents facteurs d'influence, la configuration de la MFC, matériau d'électrode et le type de micro-organisme sont la clé de l'amélioration de la CFM.
En ce qui concerne les matériaux d'électrode, des matériaux d'électrode peu coûteux avec des sites actifs réactifs élevés, une porosité élevée, une bonne biophilie et la promotion de la réaction de réduction de l'oxygène sont utilisés pour la MFC afin d'en améliorer l'efficacité. En outre, les micro-organismes, en tant que catalyseurs de la MFC, sont les principaux composants de la MFC et jouent un rôle clé dans le traitement des eaux usées de la MFC et dans l'amélioration de la densité de puissance. Différents micro-organismes utilisent différentes gammes de substrats, ce qui entraîne des différences significatives dans la capacité de la MFC à produire de l'électricité et à purifier les eaux usées.
Actuellement, la MFC est couramment utilisée pour la dénitrification des eaux usées, la désulfuration, l'élimination des matières organiques et des métaux lourds. Les flores microbiennes les plus étudiées sont la flore nitrifiante, la flore dénitrifiante et la flore sulfato-réductrice.
Le rôle des piles à combustible microbiennes dans la conservation écologique
Les eaux usées domestiques, les eaux usées provenant de l'industrie alimentaire, des papeteries, des usines textiles, des brasseries/distilleries, des mines, de l'industrie lourde, etc. peuvent être utilisées comme substrat de réaction pour les systèmes MFC afin de purifier l'eau tout en produisant de l'électricité.
Le faible courant généré par la MFC peut être utilisé comme signal pour créer des biocapteurs de type MFC, qui ont été largement utilisés pour détecter la demande biochimique en oxygène (DBO), les ions de métaux lourds et les substances toxiques et dangereuses.Les capteurs MFC analysent le type et la concentration des substances toxiques par le biais de la modification des signaux électriques, et certains capteurs s'appuient sur le courant généré par le fonctionnement continu indépendant du capteur pendant cinq mois.
Dans la nature, il existe un grand nombre de composés aromatiques difficiles à dégrader, et les composés aromatiques peuvent induire des cancers dans certains cas. Un système MFC à deux compartiments fabriqué en contrôlant un champ électrique toroïdal a été capable d'éliminer environ 88,3% de phénol en réagissant pendant 30 heures en circuit ouvert.
La technologie MFC peut également être utilisée pour éliminer les antibiotiques de l'environnement. Les MFC existantes peuvent éliminer la céfazoline sodique à un taux de 1,2-6,8 mg/L par heure sans affecter la génération actuelle.
Un chercheur a étudié une pile à combustible microbienne à anode saline (SA-MFC) pour le traitement des eaux usées agricoles contenant du sel 4%. Avec une charge organique de 1,25 gCOD/L, le taux d'élimination de la TCOD (demande chimique totale en oxygène) était d'environ 92 % et la production d'énergie maximale était de 369 HW par mètre carré.
Conclusion
