Obiettivo 2: Stoccaggio, trasporto e trasformazione in derivati ed e-fuels
REFERENTE/I
Antonella Marone – ENEA
antonella.marone@enea.it
Attività
Le celle di elettrolisi microbica (MEC) rappresentano una tecnologia innovativa che sfrutta l’attività̀ di microrganismi elettroattivi (ovvero in grado di scambiare elettroni con un elettrodo polarizzato) all’anodo per convertire la sostanza organica (COD, domanda chimica di ossigeno) presente in acque reflue e sottoprodotti di processi fermentativi in elettroni i quali, attraverso un circuito elettrico esterno, migrano al catodo favorendo la reazione di riduzione dei protoni (H+) ad idrogeno molecolare (H2).
Il vantaggio delle MEC rispetto ai tradizionali elettrolizzatori per la produzione di H2 il è il ridotto fabbisogno energetico: l’energia chimica dei substrati organici permette di produrre H2 applicando una tensione teoricamente fino a 10 volte inferiore rispetto a quella richiesta per l’elettrolisi dell’acqua (+0.18 V vs. +1.23 V). L’integrazione delle MEC con processi biologici, quali la Digestione Anaerobica (AD), permette di aumentare il recupero energetico dalla sostanza organica residua e di utilizzare l’H2 prodotto per la conversione biologica della CO2 contenuta nel Biogas in CH4 grazie al processo di metanogenesi idrogenotrofa.
Una MEC totalmente biologica posta a valle di un digestore anaerobico consente quindi di combinare il trattamento (all’anodo) della sostanza organica residua contenuta nel digestato con l’upgrading ex-situ del biogas al catodo biotico, mediante la produzione bioelettrochimica di H₂, utilizzato per la conversione della CO2 contenuta nel biogas in ulteriore CH4 ad opera di microorganismi metanigeni idrogenotrofici.
In tale contesto è stato studiato l’effetto della temperatura (Figura 1) sull’intero processo, poiché essa riveste un ruolo determinante agendo simultaneamente sui processi elettrochimici, di trasporto di massa e biologici che governano il funzionamento del sistema.
Figura 1
Cella di Elettrolisi Microbica (MEC) con catodo biologico operante a T ambiente (21-23°C) e a T controllata (30 °C).
Risultati
- – La temperatura non influenza significativamente le prestazioni del bioanodo in termini di generazione di corrente elettrica (Figura 2);
- L’incremento della temperatura da 21–22 °C a 30 °C non determina variazioni significative nella velocità di produzione bioelettrochimica di H₂;
- – L’inoculo del catodo con microrganismi metanigeni determina un più veloce consumo dell’H2 a 30 °C, insieme ad una più veloce produzione di CH₄;
- – L’incremento della temperatura da 21–22 °C a 30 °C favorisce la produzione di CH₄, con un incremento medio della velocità di produzione di circa il 53% (Figura 3).
L’effetto della temperatura è stato studiato in MEC operanti sia in condizioni batch (Figura 4) che in continuo (Figura 5) ottenendo risultati comparabili in ambo le configurazioni investigate.
In conclusione, i risultati ottenuti consentono di approfondire il ruolo della temperatura nell’upgrading biologico ex-situ del biogas in una MEC.
Il bioanodo, infatti, ha mantenuto buone prestazioni anche a temperatura ambiente, mentre l’incremento della temperatura del catodo ha favorito la conversione biologica della CO₂ in CH₄.
Questi risultati suggeriscono pertanto che il riscaldamento possa essere limitato al solo comparto catodico consentendo di ridurre il fabbisogno energetico e i costi operativi associati al controllo della temperatura, aumentando il potenziale di applicazione del processo su scala più ampia.
Figura 2
Generazione di corrente elettrica (mA) nella MEC data dall’ossidazione del COD a carico del biofilm elettroattivo all’anodo in funzione della temperatura.
Figura 3
Velocità di produzione di H2 e CH4 nei diversi batch sperimentali a 21-22 °C (T ambiente) e 30 °C (T controllata), durante le fasi del catodo abiotico (Batch I-III) e del catodo biotico (Batch IV-VI).
Figura 4
Foto delle MEC operanti in modalità batch allestite in scala di laboratorio a temperatura ambiente (A)e temperatura controllata (B)
Figura 5
Foto delle MEC operanti in modalità continua con controllo selettivo del catodo a temperatura ambiente e temperatura controllata.
Team di ricerca
Antonella Marone
Giuseppe Lembo
Antonella Signorini
Roberto Ciccoli
Elio Fantini
Loretta Daddiego
Loredana Lopez
Clara Marandola (Post-Doc, Sapienza)
Gaia Salvatori (Post-Doc, Sapienza)
Marianna Villano (Sapienza)
In collaborazione con:
Sapienza Università di Roma (Dipartimento di Chimica, Dipartimento di Ingegneria Chimica Materiali Ambiente, Dipartimento Ingegneria Civile, Edile e Ambientale)
Documenti
