Χρήση βιοηλεκτροχημικών συστημάτων για παραγωγή βιοενέργειας (βιοηλεκτρισμός και βιοαέριο) και ανάκτηση πολύτιμών μετάλλων

Κυριακόπουλος, Δημήτριος; Kyriakopoulos, Dimitrios

dc.contributor.author	Κυριακόπουλος, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Kyriakopoulos, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2022-01-28T19:59:47Z
dc.date.available	2022-01-28T19:59:47Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54460
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22158
dc.rights	Default License
dc.subject	Βιοηλεκτρισμός	el
dc.subject	Απόβλητα	el
dc.subject	Βιοαέριο	el
dc.subject	Ανάκτηση Μετάλλων	el
dc.subject	Βιοηλεκτρικά συστήματα (BES)	el
dc.subject	Μικροβιακό κελί καυσίμου	el
dc.subject	Μικροβιακό κελί ηλεκτρόλυσης	el
dc.subject	Bioelectricity	en
dc.subject	Biogas	en
dc.subject	Microbial fuel cell	en
dc.subject	Microbial electrolysis cell	en
dc.subject	Treatment metal recovery	en
dc.title	Χρήση βιοηλεκτροχημικών συστημάτων για παραγωγή βιοενέργειας (βιοηλεκτρισμός και βιοαέριο) και ανάκτηση πολύτιμών μετάλλων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	chemical engineering	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-07-07
heal.abstract	Τα βιοηλεκτρικά συστήματα (BES) αποτελούνται από τις Μικροβιακές Κυψελίδες Καυσίμων (ΜΚΚ) και τις Μικροβιακές Κυψελίδες Ηλεκτρόλυσης (ΜΚΗ). Τα δύο αυτά συστήματα είναι βιοαντιδραστήρες που μελετώνται και αναπτύσσονται με στόχο να προσφέρουν νέες προοπτικές στην επεξεργασία αποβλήτων και τη παραγωγή ενέργειας. Στη παρούσα μελέτη η ΜΚΚ λειτούργησε με αρχικό στόχο τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιήθηκε συνθετικό απόβλητο με πηγή οργανικού φορτίου τη γλυκόζη και με οξειδωτικό μέσο το οξυγόνο. Μελετήθηκε η απόδοση παραγωγής ενέργειας σε διαφορετικές συγκεντρώσεις της γλυκόζης στο συνθετικό απόβλητο, όπου παρατηρήθηκε η καλύτερη απόδοση ηλεκτρικού φορτίου με 1.5 g COD/L (CE=55%) από την αντίστοιχη με 0.5 g COD/L (39%). Εν συνεχεία χρησιμοποιήθηκε η πιο αποδοτική σύσταση για τη μελέτη της ανάκτησης πολύτιμων παραπροϊόντων. Έπειτα, μελετήθηκε η ανάκτηση Ag, Cu και Al από απόβλητο Φωτοβολταϊκών κυττάρων m-Si (PV0), της εταιρείας Hyundai. Σε πρώτο στάδιο τοποθετήθηκαν διαλύματα που περιείχαν το κάθε μέταλλο μεμονωμένα στον καθοδικό διάλυμα. Οι ανακτήσεις που σημειώθηκαν στις 3 πρώτες ώρες λειτουργίας ήταν για τον Ag 100%, για τον Cu 36.6% και για το Al 11.3% , ενώ οι αντίστοιχη απομάκρυνση COD για τον Ag 55.96%, για τον Cu 56.1% και για το Al 42%. Σε δεύτερο σταδιο πραγματοποιήθηκε η επεξεργασία του πραγματικού αποβλήτου ύστερα από απαιτούμενη προεπεξεργασία. Οι ανακτήσεις που σημειώθηκαν στις 6.5 πρώτες ώρες λειτουργίας ήταν για τον Ag 100%, για τον Cu 30% και για το Al 6.9% , ενώ οι αντίστοιχη απομάκρυνση COD ήταν 64.6%. Επιπλέον μελετήθηκε η ικανότητα παραγωγής μεθανίου από παροχή διοξειδίου του άνθρακα σε ΜΚΗ. Για την παραγωγή μεθανίου εφαρμόστηκε δυναμικό 0.5V. Πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη βιοκαθόδου κατά τον εγκλιματισμό με παροχή CO2 ως μόνη πηγή άνθρακα. Μελετήθηκαν δύο κύκλοι μετατροπής του CO2 σε CH4. Κατά τον πρώτο κύκλο υπήρχε ανακυκλοφορία CO2 στο διάλυμα καθόδου ενώ στον δεύτερο αυτή σταμάτησε. Και στις δύο περιπτώσεις ο αέριος χρωματογράφος επιβεβαίωσε τη δημιουργία μεθανίου από τη πρώτη μέρα λειτουργίας των κύκλων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν παρατηρώντας τα ηλεκτροχημικά πειράματα της γραμμικής βολταμετρίας σάρωσης και της ηλεκτρονικής φασματοσκοπίας εμπέδησης. Η χρήση των Μικροβιακών Κυψελίδων Καυσίμου για παραγωγή βιοηλεκτρισμού με ταυτόχρονη απομάκρυνση οργανικού φορτίου από συνθετικό απόβλητο έδειξε ικανοποιητικές προοπτικές και αποτελεσματικότητα. Επιπλέον, η ΜΚΚ κατάφερε να ανακτήσει πλήρως τον άργυρο, ο οποίος ανήκει στα πολύτιμα μέταλλα, από το συνθετικό απόβλητο αλλά και το απόβλητο φωτοβολταϊκών. Παράλληλα πραγματοποιήθηκε μερική απομάκρυνση τοξικών, μεταλλικών προσμίξεων από το απόβλητο, σε μορφή οξειδίων που επικολλήθηκαν στην ηλεκτροδιακή επιφάνεια. Αντίστοιχα, η Μικροβιακή Κυψελίδα Ηλεκτρόλυσης κατάφερε επιτυχώς να παράξει μεθάνιο, ανάγοντας διοξείδιο του άνθρακα. Η παραπάνω ποσοτική μελέτη της μετατροπής δεν ήταν δυνατόν να μελετηθεί λόγω ανεπιθύμητων διαρροών του συστήματος. Συμπερασματικά επιβεβαιώνεται η πολυδιάστατη λειτουργία και τα πολλαπλά οφέλη της τεχνολογίας των βιοηλεκτροχημικών συστημάτων, όπως και η μηδαμινές ενεργειακές τους απαιτήσεις για την επίτευξή τους.	el
heal.abstract	Bioelectric systems (BES) consist of Microbial Fuel Cells (MFC) and Microbial Electrolysis Cells (MEC). These two systems are bioreactors that are being studied and developed with the aim of offering new perspectives on waste treatment and energy production. In the present study, the MFC operated with the initial goal of generating electricity. Synthetic waste was used with organic charge source glucose and oxidizing agent oxygen. The efficiency of energy production at different concentrations of glucose in the synthetic waste was studied, where the best coulombic efficiency at 1.5 g COD / L (CE = 55%) was observed from the corresponding one at 0.5 g COD / L (39%). The most efficient recommendation was then used to study the recovery of valuable by-products. At the next stage, the recovery of Ag, Cu and Al from m-Si (PV0) Photovoltaic cell waste by Hyundai was studied. In the first step, solutions containing each metal were placed individually in the cathodic solution. The recoveries recorded in the first 3 hours of operation were for Ag 100%, for Cu 36.6% and for Al 11.3%, while the respective COD removals for Ag 55.96%, for Cu 56.1% and for Al 42% . In the second stage, the actual waste was treated after the required pretreatment. The recoveries recorded in the first 6.5 hours of operation were for Ag 100%, for Cu 30% and for Al 6.9%, while the corresponding COD removals were 64.6%. In addition, MEC’s ability to produce methane from the supply of carbon dioxide was studied. A potential of 0.5V was applied for methane production. Biocathode development was carried out during acclimatization with CO2 supply as the only carbon source. Two cycles of conversion of CO2 to CH4 were studied. During the first cycle there was CO2 recirculation in the cathode solution while in the second it stopped. In both cases the gas chromatograph confirmed the formation of methane from the first day of operation of the cycles. The results were confirmed by observing the electrochemical experiments of linear scan voltammetry and electronic impedance spectroscopy. The use of Microbial Fuel Cells for bioelectricity production with simultaneous removal of organic charge from synthetic waste has shown satisfactory prospects and efficiency. In addition, MFC managed to fully recover the silver, which belongs to the precious metals, from the synthetic waste but also the photovoltaic waste. At the same time, toxic, metallic impurities were partially removed from the waste in the form of oxides that adhered to the electrode surface. Correspondingly, the Microbial Electrolysis Cell successfully produced methane, reducing carbon dioxide. The above quantitative conversion study could not be studied due to unwanted system leaks. In conclusion, the multidimensional operation and the multiple benefits of the technology of bioelectrochemical systems are confirmed, as well as their zero energy requirements for their achievement.	en
heal.advisorName	Λυμπεράτος, Γεράσιμος
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	101σ.	el
heal.fullTextAvailability	false	el