Examination of Titanium Electrode Performance for Compost Microbial Fuel Cells

Abstract

Microbial fuel cell is a nice energy production technology where both wastewater treatment and electricity generation take place concurrently. There is increasing demand for green energy, and bioelectrochemical devices, such as microbial fuel cells, can be used for this goal. The compost microbial fuel cell is one promising way to produce electrical energy from compost materials. In a compost microbial fuel cell, organic compost materials are decomposed with the bacteria at the microbial fuel cell and used to generate bioenergy by the microbial action on organic materials. The organic matter released through from compost materials is converted into electrons and protons by the bacteria present in soil near the organic materials. The electrons are go to to cathode electrode through from anode electrode and the external circuit. Protons are go to the cathode electrode through the electrolyte. The electrons, protons, and oxygen from air combine in the cathode electrode. Thus, the microbial fuel cell produces electrical energy and water. In this study, the single chambered, non-membrane microbial fuel cells with titanium plates as electrodes, fed with the different quantities organic materials of compost, were run for 10 days. Microbial fuel cells containing 1%, 10% and 20% by weight of compost materials were named as MYH-I, MYH-II and MYH-III, respectively. The maximum energy obtained was expressed by a maximum power density of 4.025 mW/m2 value and this value belongs to MYH-III. The open circuit voltages (Voc) of compost microbial fuel cells varies over time in 10 days of operation. The highest open circuit voltages of MYH I, MYH-II and MYH-III were measured as 375 mV, 380 mV and 383 mV, respectively. In this study, coccus type bacteria, which were imaged with microscope images, acted as biocatalysts for MYH I, MYH-II and MYH-III. This study demonstrated that titanium electrodes has the ability to produce electricity for compost microbial fuel cells. In addition, titanium electrodes have been found to be an alternative electrode to electrodes such as carbon cloth, graphite, graphene oxide.

Keywords

• Microbial fuel cell
• Titanium
• Organic materials
• Compost

Kompost Mikrobiyal Yakıt Hücreleri İçin Titanyum Elektrot Performansının İncelenmesi

Öz

Mikrobiyal yakıt hücresi, hem atıksu arıtımı hem de elektrik üretiminin aynı anda gerçekleştiği güzel bir enerji üretim teknolojisidir. Yeşil enerjiye olan talep artıyor ve mikrobiyal yakıt hücreleri gibi biyoelektrokimyasal cihazlar bu amaç için kullanılabilir. Kompost mikrobiyal yakıt hücresi, kompost malzemelerden elektrik enerjisi üretmenin umut verici bir yoludur. Bir kompost mikrobiyal yakıt hücresinde, organik kompost malzemeleri, mikrobiyal yakıt hücresindeki bakterilerle ayrışır ve organik materyallerdeki mikrobiyal etki ile biyoenerji üretmek için kullanılır. Kompost malzemelerinden salınan organik madde, organik maddelerin yakınında toprakta bulunan bakteriler tarafından elektronlara ve protonlara dönüştürülür. Elektronlar, anot elektrottan ve dış devreden katot elektrotuna gider. Protonlar, elektrolit aracılığıyla katot elektrotuna gider. Elektronlar, protonlar ve havadan gelen oksijen katod elektrodunda birleşir. Böylece, mikrobiyal yakıt hücresi elektrik enerjisi ve su üretir. Bu çalışmada, farklı miktarlarda organik kompost malzemelerle beslenen, elektrotlar olarak titanyum plakaları olan, tek odacıklı, membransız mikrobiyal yakıt hücreleri 10 gün boyunca çalıştırıldı. Ağırlıkça % 1, % 10 ve% 20 kompost malzemeleri içeren mikrobiyal yakıt hücreleri, sırasıyla, MYH-I, MYH-II ve MYH-III olarak adlandırılmıştır. Elde edilen maksimum enerji, 4.025 mW/m2 değerinde bir maksimum güç yoğunluğu ile ifade edildi ve bu değer MYH-III'e aittir. Kompost mikrobiyal yakıt hücrelerinin açık devre gerilimleri (Voc) 10 günlük çalışma sırasında zamanla değişir. MYH I, MYH-II ve MYH-III'ün en yüksek açık devre gerilimleri sırasıyla 375 mV, 380 mV ve 383 mV olarak ölçülmüştür. Bu çalışmada mikroskop görüntüleri ile görüntülenen coccus türü bakteriler, MYH-I, MYH-II ve MYH-III için biyokatalizör görevi gördü. Bu çalışma, titanyum elektrotların kompost mikrobik yakıt hücreleri için elektrik üretme kabiliyetine sahip olduğunu göstermiştir. İlaveten, titanyum elektrotlarının karbon bezi, grafit, grafen oksit gibi elektrotlara alternatif bir elektrot olduğu bulunmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Mikrobiyal yakıt hücresi
• Titanyum
• Organik malzeme
• Kompost

Kaynakça

1. Baykara, S.Z., 2018. Sulfur Resistant Perovskite Electrocatalysts for High Temperature Applications. European Journal of Science and Technology, 13, 98-102.
2. Çek, N., 2013. Yeni Biyoenerji Tekniğiyle Elektrik Üretilmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28(2), 35-49.
3. Çek, N., 2016a. Parçacıklar ve Enerji Kaynakları. Lambert Academic Publishing, 338 s, Saarbrucken, Almanya.
4. Çek, N., 2016b. Parçacıklar ve Parçacıkların Enerji Kaynakları Üzerinde Etkileri. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 4(7), 1-8.
5. Çek, N., 2017. Examination of zinc electrode performance in microbial fuel cells. Gazi University Journal of Science, 30(4), 395-402.
6. Erensoy, A., Çek, N., 2018. Alternative Biofuel Materials for Microbial Fuel Cells from Poplar Wood. ChemistrySelect, 3, 1251-11257.
7. Florio, C., Nastro, R.A., Flagiello, F., Minutillo, M., Pirozzi, D., Pasquale, V., Ausiello, A., Toscano, G., Jannelli, E., Dumontet, S., 2019. Biohydrogen production from solid phase-microbial fuel cell spent substrate: A preliminary study. Journal of Cleaner Production, 227, 506-511.
8. Garita-Meza, M.A., Ramírez-Balderas, L.A., Contreras-Bustos, R., Chávez-Ramírez, A.U., Cercado, B., 2018. Blocking oscillator-based electronic circuit to harvest and boost the voltage produced by a compost-based microbial fuel cell stack. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 29, 164-170.

9. Güven, Ş.Y., 2014. Biyouyumluluk ve Biyomalzemelerin Seçimi. Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 2(3), 303-311.
10. Moqsud, M. A., Omine, K., Yasufuku, N., Hyodo, M., Nakata, Y., 2013. Microbial fuel cell (MFC) for bioelectricity generation from organic wastes. Waste Management, 33(11), 2465-2469.
11. Moqsud, M. A., Yoshitake, J., Bushra, Q.S., Hyodo, M., Omine, K., Strik, D., 2015. Compost in plant microbial fuel cell for bioelectricity generation. Waste Management, 36, 63-69.
12. Nandy, A., Kumar, V., Khamrai, M., Kundu, P.P., (2015). MFC with vermicompost soil: power generation with additional importance of waste management. RSC Advances, 5, 41300-41306.
13. Pareek, A., Sravan, J.S., Mohan, S.V., 2019. Exploring chemically reduced graphene oxide electrode for power generation in microbial fuel cell. Materials Science for Energy Technologies, 2(3), 600-606.
14. Wang, C., Jiang, H., 2019. Real-time monitoring of sediment bulking through a multi-anode sediment microbial fuel cell as reliable biosensor. Science of The Total Environment, 697, 1-8.