Αξιολόγηση ηλεκτροδίων στην παραγωγή ενέργειας και αξιοποίηση αποβλήτου μέσω μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου διπλού θαλάμου

Αθανασίου, Αντώνιος; Athanasiou, Antonios

dc.contributor.author	Αθανασίου, Αντώνιος	el
dc.contributor.author	Athanasiou, Antonios	en
dc.date.accessioned	2023-01-05T12:01:42Z
dc.date.available	2023-01-05T12:01:42Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56534
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24232
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Μικροβιακές κυψελίδες καυσίμου	el
dc.subject	Υγρά απόβλητα	el
dc.subject	Βιοαποδόμηση	el
dc.subject	Αντίδραση αναγωγής οξυγόνου	el
dc.subject	Ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός	el
dc.subject	Microbial fuel cells	en
dc.subject	Liquid waste	en
dc.subject	Biodegradation	en
dc.subject	Oxygen reduction reaction	en
dc.subject	Electrochemical characterization	en
dc.title	Αξιολόγηση ηλεκτροδίων στην παραγωγή ενέργειας και αξιοποίηση αποβλήτου μέσω μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου διπλού θαλάμου	el
dc.title	Evaluation of electrodes in energy production and waste utilization through dual-chamber microbial fuel cell	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βιοχημική Μηχανική	el
heal.classification	Περιβαλλοντική Μηχανική	el
heal.classification	Biochemical Engineering	en
heal.classification	Environmental Engineering	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-10-03
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύθηκε τη χρήση οικονομικών υλικών ηλεκτροδίων, όπως η τσόχα γραφίτη, σε ΜΚΚ διπλού θαλάμου με μεμβράνη πρωτονιακής εναλλαγής (PEM), την τροποποίηση του ηλεκτροδίου καθόδου με ηλεκτροχημική εναπόθεση καταλύτη MnO2 στην επιφάνεια της τσόχας γραφίτη και την αξιολόγηση των ηλεκτροδίων με βάση την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και το ποσοστό βιο-αποδόμησης του οργανικού φορτίου υγρού αποβλήτου βυρσοδεψίας. Το στάδιο εγκλιματισμού ολοκληρώθηκε σε 11 κύκλους, χρονικής διάρκειας 10 ημερών ο καθένας, χρησιμοποιώντας τσόχα γραφίτη τόσο στην άνοδο όσο και στην κάθοδο, διάλυμα γλυκόζης (COD~1000 mg/L) ως οργανικό υπόστρωμα στον ανοδικό θάλαμο και ρυθμιστικό διάλυμα με pH=7. Η σταθεροποίηση του ποσοστού μείωσης (~79%) του COD κατά τους δύο τελευταίους κύκλους σηματοδότησε την πλήρη ανάπτυξη του βακτηριακού πληθυσμού E.Coli στην επιφάνεια της ανόδου και συνεπώς το πέρας του σταδίου εγκλιματισμού. Η αύξηση της αγωγιμότητας σε συνδυασμό με την πτώση του pH στον καθοδικό θάλαμο κατά τους τελευταίους κύκλους εγκλιματισμού οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η αντίδραση ORR ήταν σημαντικός περιοριστικός παράγοντας στην απόδοση της κυψελίδας. Μετά το πέρας του σταδίου εγκλιματισμού ακολούθησε 1 κύκλος επεξεργασίας υγρού αποβλήτου βυρσοδεψίας (COD=1027 mg/L) χρησιμοποιώντας απλό ηλεκτρόδιο τσόχας γραφίτη στην κάθοδο της ΜΚΚ και έπειτα 3 κύκλοι επεξεργασίας με το τροποποιημένο ηλεκτρόδιο. Από τα αποτελέματα των ηλεκτροχημικών μετρήσεων πόλωσης (LSV), παρατηρήθηκε μία αξιοσημείωτη αύξηση κατά τη λειτουργία της ΜΚΚ με το τροποποιημένο ηλεκτρόδιο τόσο στην μέγιστη παραγόμενη πυκνότητα ισχύος (161,9 mW/m2) όσο και στη μέγιστη πυκνότητα έντασης 1990,1 mA/m2). Οι τιμές αυτές ήταν κατά 52 και 32 φορές μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες παρατηρούμενες κατά τη λειτουργία της ΜΚΚ με το απλό ηλεκτρόδιο στην κάθοδο. Η αύξηση αυτή ερμηνεύεται από το γεγονός ότι η παρουσία του MnO2 εξάλειψε τα φαινόμενα μεταφοράς μάζας που σχετίζονταν με τη διάχυση του O2 στην κάθοδο, ενισχύοντας τις κενές θέσεις οξυγόνου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου για την αναγωγή του οξυγόνου. Το γεγονός αυτό οδήγησε σε αύξηση του ρυθμού της αντίδρασης ORR. H παρουσία του MnO2 στο καθοδικό ηλεκτρόδιο οδήγησε επίσης, όπως προέκυψε από τα αποτελέσματα των μετρήσεων φασματοσκοπίας ηλεκτροχημικής εμπέδησης (EIS), στη σημαντική μείωση της αντίστασης του καθοδικού ηλεκτροδίου από 130,46 Ω στα 1,43 Ω, περιορίζοντας μ’ αυτόν τον τρόπο τις απώλειες ενέργειας. Τέλος, αρκετά ικανοποιητικά με βάση τη βιβλιογραφία ήταν τα αποτελέσματα που αφορούσαν στη βιο-αποδόμηση του οργανικού φορτίου του αποβλήτου, καθώς το ποσοστό μείωσης ήταν 74% στην περίπτωση του απλού ηλεκτροδίου στην κάθοδο και 80% στην περίπτωση του τροποποιημένου.	el
heal.abstract	This thesis dealt with the use of economical and state of the art electrode materials, such as graphite felt, in a double-chamber MFC with PEM, the modification of the cathodic electrode by electrochemical deposition of MnO2 catalyst on the surface of the graphite felt, and the evaluation of the electrodes based on the production of electricity and the biodegradation rate of the organic load of wet tannery waste. The acclimation stage was completed in 11 cycles, each lasting 10 days, using graphite felt in both the anode and cathode, glucose solution (COD~1000 mg/L) as organic substrate in the anode chamber, and buffer solution with pH=7. The stabilization of the COD reduction rate (~79%) during the last two cycles marked the full growth of the E.Coli bacterial population on the anode surface and thus the end of the acclimation stage. The increase in conductivity combined with the drop in pH in the cathodic chamber during the last acclimation cycles led to the conclusion that the ORR reaction was a major limiting factor in cell performance. After the end of the acclimation stage, 1 cycle of treatment of tannery waste liquid (COD=1027 mg/L) followed using a simple graphite felt electrode at the cathode of MFC and then 3 cycles of treatment with the modified electrode. From the results of electrochemical polarization measurements (LSV), a remarkable increase was observed during the operation of the MFC with the modified electrode in both the maximum generated power density (161,9 mW/m2) and the maximum intensity density (1990,1 mA/m2). These values were 52 and 32 times higher than the corresponding ones observed during the operation of the MFC with the simple electrode on the cathode. This increase is explained by the fact that the presence of MnO2 eliminated the mass transfer phenomena associated with the diffusion of O2 in the cathode, enhancing the oxygen vacancies on the electrode surface for oxygen reduction. This fact led to an increase in the rate of the ORR reaction. The presence of MnO2 in the cathode electrode also led, as revealed by the results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements, to the significant reduction of the cathode electrode resistance from 130,46 Ω to 1,43 Ω, thereby limiting the energy losses. Finally, quite satisfactory based on the literature were the results related to the bio-degradation of the organic load of the waste, as the reduction rate was 74% in the case of the simple electrode in the cathode and 80% in the case of the modified one.	en
heal.advisorName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Τσακανίκας, Άγγελος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Σύνθεσης και Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών (IV). Εργαστήριο Τεχνολογίας Ανόργανων Υλικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	69 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false