Down Under – Aspects of Microbial Fuel Cell’s sewer implementation

Andrich, Jonas Maximilian Sven

Increasing energy demand and simultaneous depletion of raw materials requires us to use existing resources more wisely. Microbial Fuel Cells (MFCs) recover energy from waste water while clearing it. The sewage system with its million-kilometer-length is a highly interesting field for its application. The present work is therefore dedicated to aspects of Microbial Fuel Cells’ sewer implementation. Firstly, the wastewater infrastructure was evaluated with respect to suitable implementation sites. For this purpose, the physiochemical requirements of an MFC were assessed and evaluated along the City of Braunschweig’s waste water infrastructure. An outlying section was identified as suitable and a general procedure for future studies was shown. In addition to the location, the individual MFC-parts have a decisive influence on its performance - especially the cathodes. Thus, various carbonaceous materials were compared for their reduction rate, their conductivity and the effect of nitric acid treatment. It became evident that typical material-performance studies had to be adapted to make more precise performance predictions for the intended application area. Afterwards, the question arose how to place oxygen cathodes in an anaerobic waste water environment. Porous air cathodes protruding the electrolyte provided a possible solution. Capillary forces kept the electrolyte in the exposed electrodes and thus allowed an improved mass transfer. On the scale of cm, these effects improved current flow of all materials. However, disadvantages such as increased overall resistance or the adhesion of electrode blocking oils have also been found. The penultimate part is devoted to the control of sewer-damaging biogenic sulfide emissions and their toxicity towards electroactive organisms. The balance between emission and re-oxidation could be shown in comparison of electroactive organisms and an artificial sewer slime. Finally, an electroanalytical method for online sulfide determination was adapted to the complex sample matrix of the artificial sewage. In addition, the production and aging processes of the gold-amalgam microelectrode necessary for this purpose were investigated to provide advice on construction and usage.

Steigender Energiebedarf und sich gleichzeitig verknappende Rohstoffe lenken unser Interesse auf eine effizientere Ressourcennutzung. Mikrobielle Brennstoffzellen gewinnen Energie aus Abwasser zurück, während dieses gleichzeitig aufbereitet wird. Ein spannendes Anwendungsfeld ist das Millionen Kilometer lange Abwasserkanalsystem. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher Aspekten der Implementation in diese Umgebung. Zuerst wurde das Abwasserkanalsystem als mögliches Anwendungsfeld für die MFC bewertet. Dazu wurden die physiochemischen Anforderungen einer MFC als Bewertungskriterien für die Standorte herangezogen und genutzt, um einen Teil der Braunschweiger Abwasserinfrastruktur zu evaluieren. Damit wurde die Eignung eines stadtauswärts liegenden Kanalabschnittes festgestellt und ein generelles Vorgehen für zukünftige Studien aufgezeigt. Neben dem Standort beeinflussen die einzelnen Komponenten einer MFC erheblich, ob und mit welcher Leistung diese zum Einsatz kommen kann. Verschiedene kohlenstoffartige Kathodenmaterialien wurden hinsichtlich ihrer Reduktionsrate, ihrer Leitfähigkeit und einer Säurebehandlung verglichen. Es wurde dabei deutlich, dass die Methoden typischer Performance-Studien an das angestrebte Einsatzgebiet angepasst werden müssen, um genauere Leistungsvorhersagen treffen zu können. Nach der Untersuchung der Komponenten, stellte sich die Frage wie Sauerstoffkathoden im anaeroben Kanal platziert werden könnten. Aus dem Elektrolyten herausragende poröse Luft-Kathoden blieben durch ihre Kapillarkräfte Elektrolyt getränkt und erlaubten so einen verbesserten Massentransfer. Im cm-Maßstab konnte diese Interphaseneffekte die Ströme aller Materialien verbessern. Es zeigten sich jedoch auch Nachteile wie ein erhöhter Gesamtwiederstand oder die Adhäsion von Elektroden blockierenden Ölen. Der vorletzte Teil widmet sich der Kontrolle kanalschädigender biogener Sulfid-Emission und dessen Toxizität für elektroaktive Organismen. Die Balance zwischen Emission und Rückoxidation wurde vergleichend für elektroaktive Organismen und artifizielle Sielhäute untersucht. Zuletzt wurde eine elektroanalytische Methode zur Online Sulfid-Bestimmung an die komplexe Matrix des artifiziellen Abwassers adaptiert. Zusätzlich wurde die Herstellung und der Alterungsprozesse der dazu nötigen Gold-Amalgam-Mikroelektrode untersucht, um Ratschläge für den Bau und die Verwendung geben zu können.

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Andrich, Jonas: Down Under – Aspects of Microbial Fuel Cell’s sewer implementation. 2017.

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