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Pedro Serra | Sabrina Guia | António Espírito Santo | António Albuquerque
1st Workshop from the CREaTION Project in Research Lines of Excellence
Covilhã, 18 de Novembro de 2013
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Pedro Serra | Sabrina Guia | António Espírito Santo | António Albuquerque
1st Workshop from the CREaTION Project in Research Lines of Excellence
Covilhã, 18 de Novembro de 2013
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Sistemas Bioeletroquímicos (BES)
Célula de Combustível
Materiais Orgânicos
Luz solar Célula de Combustível
Células de Combustível Convencionais
Hidrogénio Eletricidade
+ Enzimas ou organismos Eletricidade
Sistemas fotoquímicos ativos e material biológico
Eletricidade+
Célula de Combustível
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Sistemas Bioeletroquímicos (BES)Células de Combustível Biológicas (MFC)
1790. Galvani: Realiza experiências com electricidade e pernas de rãs.
1911. Potter: Libertação de energia eléctrica por oxidação orgânica.
1931. Cohen: Primeiras células de combustível biológicas ligadas em série.
1960. NASA: Declara o objectivo de produzir electricidade a partir de resíduos orgânicos resultantes da actividade espacial.
1962. Rohrback: Utilização de bactérias como catalisadores na produção de hidrogénio. 1963. Primeira célula de combustível biológica disponível comercialmente.
1966. Rice: Palha de arroz utilizada como substrato.1969. Yao: Prova que a glicose pode ser utilizada como substrato para a produção de electricidade.
1986. Karube: Uma MFC com ácido fosfórico como electrólito produz cerca de 300 mA.
1991. Primeira tentativa para utilizar MFC em estações de tratamento de águas residuais.
1999. Kim B. H.: MFC sem mediador
2009. Avanços na tecnologia permitem normalizar a quantidade de energia produzida em função do volume da célula.
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Materiais
• Condutividade;
• Biocompatibilidade;
• Estabilidade Química.
Ân
od
o • Área especifica e porosidade;
• Não passível de ser obstruído. C
áto
do • Tipicamente
dopados com o catalisador (platina ou outro metal de transição);
• Versátil para acomodar reacções entre electrões , protões e oxigénio.
Material mais comum para os elétrodos é a grafite e o carbono.
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Materiais
• Nutrientes para a população de bactérias;
• Fonte de energia;
• Electroquimicamente não activo.
O substrato deve ser desenvolvido de acordo com a população bacteriológica.
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Materiais
• Conduz os protões entre as câmaras;
• Protege o ânodo de ser exposto ao oxigénio;
• Impede transferências químicas entre as câmaras e impede a passagem de líquidos entre as câmaras.
CEM Membrana de Troca de Catiões
Nation: Propensa à obstrução.Menor resistência.
Ultrex: Mais barata.
AEM Membrana de Troca de Aniões:
AMI-7001.Transporte de iões fosfato.
pH mais estável (maior aumento no cátodo).
BM Membranas Bipolares:
Membranas de aniões e catiões em série.Maior resistência interna.Diminuição na potência atingida.
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Materiais
• Microorganismos procariotas:- Núcleo e outras órgãos não delimitados por membranas;- Parede celular feita de peptidoglicano;
Se o receptor de electrões for o oxigénio molecular, então o metabolismos e aeróbico, caso contrário é anaeróbico.
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Métodos: Arquitectura de reactores
Primeiro reactor: Tecnologia actual:Câmara dupla:- Manuseamento fácil;- Pode ser operado em modo contínuo ou descontínuo;- Escolha típica para estudos laboratoriais;
Figura 2 – À esquerda os elementos tipicamente constituintes de uma câmara dupla; À direita uma câmara de fluxo ascendente [2].
Figura 1 – Exemplo para a primeira arquitetura de um reactor [1].
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Métodos: Arquitectura de reactores
Primeiro reactor: Tecnologia actual:Câmara simples:- Mais simples de construir;- Não necessita de arejamento.
Figura 3 – Imagem exemplificativa de um reactor de câmara simples [1].
Figura 1 – Exemplo para a primeira arquitetura de um reactor [1].
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Métodos: Arquitetura de reatores
Reatores:
Câmara simples
Figura 4 – Proposta de construção para um reactor de câmara simples.
Vídeo 1 – Visualização 3D dos elementos e da respetiva montagem para um reactor de câmara
simples.
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Métodos: Arquitetura de reatores
Reatores:
Câmara dupla
Figura 5 – Proposta de construção para um reactor de câmara dupla.
Vídeo 2 – Visualização 3D dos elementos e da respetiva montagem para um reactor de dupla.
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Pedro Serra | Sabrina Guia | António Espírito Santo | António Albuquerque
1st Workshop from the CREaTION Project in Research Lines of Excellence
Covilhã, 18 de Novembro de 2013
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O principal objectivo consiste em obter energia para alimentar dispositivos
electrónicos de baixo consumo.
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Figura 6. Esquematização do mecanismo de absorção da água por parte das plantas. [3]
Figura 7. Esquematização do mecanismo de absorção de nutrientes por parte das plantas. [4]
Absorção de Água e Nutrientes
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Movimento de Solutos na Planta
Figura 8. Esquematização do transporte de nutrientes na planta. [5]
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Transporte no Xilema
Figura 9. Esquematização do transporte de solutos através do Xilema. [6]
Transpiração
Evaporação da água para o ardiminui o potencial hídrico nafolha
Adesão-Coesão
Coluna de água no xilema émantida por coesão dasmoléculas de água noselementos dos vasos
Tensão
Baixo potencial hídrico na raizprovoca a entrada de água dosolo, que se desloca porosmose até à medula
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Células Galvânicas
Energia Química Energia Elétrica
Figura 10. Esquematização de uma pilha galvânica.
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Maximum Power Point Tracking (MPPT)
Figura 11. Curva característica IV. [7]
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Figura 12. Fotografia da experiência realizada
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Figura 13. Circuito de medição individual.
Tensão (V) Corrente (mA)
CACTO 1 0,731 0,01
CACTO 2 0,699 0,01
CACTO 3 0,766 0,01
CACTO 4 0,735 0,01
TOTAL 2,888 0,01
Tabela 1. Valores das medições efectuadas com os cactos em solo de constituição desconhecida.
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Ensaio em Série vs. Paralelo
Figura 14. a) Associação dos elementos em série (a) e paralelo (b). Eléctrodos utilizados (c).
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Resultados
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,002 0,004 0,006
V
mA
Tensão vs. Corrente
eléctrodos pequenos com 8cm2
eléctrodos médios com 16cm2
eléctrodos grandes com 24cm2
00,10,20,30,40,50,60,70,80,9
0 0,01 0,02 0,03
V
mA
Tensão vs. Corrente
eléctrodos pequenos com 8cm2
eléctrodos médios com 16cm2
eléctrodos grandes com 24cm2
Série Paralelo
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Resultados
Série Paralelo
0
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025
0,003
0 0,002 0,004 0,006
W
mA
Tensão vs. Potencia
eléctrodos pequenos com 8cm2
eléctrodos médios com 16cm2
eléctrodos grandes com 24cm2
00,0005
0,0010,0015
0,0020,0025
0,0030,0035
0,0040,0045
0 0,01 0,02 0,03
W
mA
Tensão vs. Potencia
eléctrodos pequenos com 8cm2
eléctrodos médios com 16cm2
eléctrodos grandes com 24cm2
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Ensaio Diário em Série e em Paralelo com e sem Carga
Figura 15. a) Associação dos elementos em série (a) e paralelo (b). MBED (c).
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0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 100 200 300 400 500 600 700
Tensão
Valor / 5 minutos
Circuito em Série Com e Sem Carga
circuito em série sem carga circuito em série com carga
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0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 100 200 300 400 500 600 700
V
Valor / 5 minutos
Circuito em Paralelo Com Carga
circuito em paralelo com carga
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Existe a possibilidade de alimentar dispositivos electrónicos debaixo consumo;
Futuramente pretende-se efectuar estudos e ensaios experimentaisque permitam aplicar o conceito em casos reais.
A captação da energia é tanto maior quanto maior for a superfíciede contacto entre os eléctrodos e as plantas e entre oseléctrodos e os cactos;
A partir do conceito de MPPT é possível optimizar-se o processo derecolha de energia;
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[1]
H. P. Bennetto, "Electricity generation by microorganisms," Biotechnology Education, vol.1, pp. 163-168, 1990.
[2]
Z. Du, H. Li and T. Gu, "A state of the art review on microbial fuel cells: A promisingtechnology for wastewater treatment and bioenergy," Biotechnology Advances, vol. 25, pp.464-482, 2007
[3]
http://biotic.no.sapo.pt/images/absorcaoraiz1.jpg
[4]
http://biotic.no.sapo.pt/images/sl.jpg
[5]http://2.bp.blogspot.com/_v6uOZuoCvoI/TDTE_u4t3XI/AAAAAAAAANc/KAu7IYU533Q/s1600/Imagem7_thumb%5B2%5D.jpg
[6]
http://img384.imageshack.us/img384/6044/htcaxi8.jpg
[7]http://www.strumentazioneelettronica.it/images/stories/tecnologie/thumbnails/1005_HT_Curva_I-V_modulo_fotovoltaico.jpg