Effects of operating parameters such as hydraulic retention time(HRT), recycle ratio and influent COD concentration on the performance of a continuous flow microbial fuel cell(MFC) were investigated. Decrease of HRT improved mass transfer of substrate to electrogenic microorganisms, therefore resulting in increased electrode voltage and power generation of MFC. Increase of HRT promoted COD removal by elongating retention time for COD removal in MFC. Recycling of effluent increased the COD removal and coulombic efficiencies by returning suspended microorganisms into MFC. Increase of influent COD enhanced COD removal due to the improved mass transfer of substrate. Decrease of coulombic efficiency by the increase of the HRT and influent COD concentration indicated that they enhanced the activities of fermentative bacteria.
The cathode reaction is one of the most seriously limiting factors in a microbial fuel cell (MFC). The critical dissolved oxygen (DO) concentration of a platinum-loaded graphite electrode was reported as 2.2 mg/l, about 10-fold higher than an aerobic bacterium. A series of MFCs were run with the cathode compartment inoculated with activated sludge (biotic) or not (abiotic) on platinum-loaded or bare graphite electrodes. At the beginning of the operation, the current values from MFCs with a biocathode and abiotic cathode were $2.3{\pm}0.1$ and $2.6{\pm}0.2mA$, respectively, at the air-saturated water supply in the cathode. The current from MFCs with an abiotic cathode did not change, but that of MFCs with a biotic cathode increased to 3.0 mA after 8 weeks. The coulomb efficiency was 59.6% in the MFCs with a biotic cathode, much higher than the value of 15.6% of the abiotic cathode. When the DO supply was reduced, the current from MFCs with an abiotic cathode decreased more sharply than in those with a biotic cathode. When the respiratory inhibitor azide was added to the catholyte, the current decreased in MFCs with a biotic cathode but did not change in MFCs with an abiotic cathode. The power density was higher in MFCs with a biotic cathode ($430W/m^3$ cathode compartment) than the abiotic cathode MFC ($257W/m^3$ cathode compartment). Electron microscopic observation revealed nanowire structures in biofilms that developed on both the anode and on the biocathode. These results show that an electron-consuming bacterial consortium can be used as a cathode catalyst to improve the cathode reaction.
Surface floating air cathode microbial fuel cell (MFC) having horizontal flow was developed for the application of MFC technology. RVC (Reticulated vitreous carbon) coated with anyline was used as anode electrode and carbon cloth coated with Pt (5.0 g Pt/$m^2$, GDE LT250EW, E-TEK) was used as cathode electrode. As results of continuous operation with changing the flow rate from 4.3 mL/min to 9.5 mL/min, maximum power density of 4.5 W/$m^3$ was acquired at 5.4 mL/min, which was at 0.35 m/hr of flow velocity under anode electrode. When the ratio of cathode surface area to anode surface area($A_c/A_a$) was changed to 1.0, 0.5, and 0.25, the maximum power density of 2.7 W/$m^3$ was shown at the ratio of 1.0. As the ratio decreased from 1.0 to 0.25, the power density also decreased, which is caused by increasing the internal resistance resulted from reducing the surface area to contact with oxygen. Actually, internal resistances of the ratio of 1.0, 0.5, and 0.25 were 63.75${\Omega}$, 142.18${\Omega}$, and 206.12${\Omega}$, respectively.
Microbial fuel cell (MFC) is a bio-electrochemical device that generates electricity by utilizing bacterial catalytic activity that degrades wastewater. Proton exchange membrane (PEM) is the core component of MFC that decides its performance, and Nafion membrane is the most widely used PEM. In spite of the excellent performance of Nafion, it has drawbacks such as high cost, biofouling issue, and non-biodegradable property. Recent studies in MFC attempted to synthetize the alternative membrane for Nafion by incorporating various polymers, sulfonating, fluorinating, and doping other chemicals. This review summarizes characteristics and performances of different composite membrane based MFCs, mostly focusing on PEM.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.32
no.2
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pp.113-120
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2010
Air-cathode microbial fuel cell consisted of 4 unit cells were operated under batch condition and electricity generation and microbial community structure variation were investigated, depending on separator types and cathode characteristics: A) PEM(Proton Exchange Membrane)-30% Wet proofing Carbon Cloth(WC), B) AEM(Anion Exchange Membrane-WC, C) CEM(Cation Exchange Membrane)-WC, D) PEM-No Wet proofing Carbon Cloth(NC). Maximum power densities of PEM-WC, AEM-WC and CEM-WC were 510.9, 522.1 and 504.8 $mW/m^2$, respectively. But PEM-NC showed relatively lower maximum power density of 218.3 $mW/m^2$. And PEM-WC, AEM-WC and CEM-WC showed similar internal resistances(20.0-28.2 ${\Omega}$). PCRDGGE, PCA and diversity indices showed that uncultured bacteria which reported in previous MFC studies were detected in suspended growth bacteria and attached growth bacteria would be affected not by separator type but by cathode characteristic. Thus, cathode characteristic can be one of the critical factors for power generation in air-cathode MFC using PEM, AEM, and CEM as separator.
The heavy reliance on fossil fuels, especially oil and gas has triggered the global energy crisis. Continued use of petroleum fuels is now widely recognized as unsustainable because of their depleting supplies and degradation to the environment. To become less dependent on fossil fuels, current world is shifting paradigm in energy by developing alternative energy sources mainly through the utilization of renewable energy sources. In particular, bioenergy recovery from wastes with the help of microorganism is viewed as one of the promising ways to mitigate the current global warming crisis as well as to supply global energy. It has been proved that microorganism can generate power by converting organic matter into electricity using microbial fuel cells (MFCs). MFC is a bioelectrochemical device that employs microbes to generate electricity from bio-convertible substrate such as wastewaters including municipal solid waste, industrial, agriculture wastes, and sewage. Sustainability, carbon neutral and generation of renewable energy are some of the major features of MFCs. However, the MFC technology is confronted with a number of issues and challenges such as low power production, high electrode material cost and so on. This paper reviews the recent developments in MFC technology with due consideration of electrode materials used in MFCs. In addition, application of biocathodes in MFCs has been discussed.
The group of Fe(III) oxide-reducing bacteria includes exoelectrogenic bacteria, and they possess similar properties of transferring electrons to extracellular insoluble-electron acceptors. The exoelectrogenic bacteria can use the anode in microbial fuel cells (MFCs) as the terminal electron acceptor in anaerobic acetate oxidation. In the present study, the anodic community was compared with the community using Fe(III) oxide (ferrihydrite) as the electron acceptor coupled with acetate oxidation. To precisely analyze the structures, the community was established by enrichment cultures using the same inoculum used for the MFCs. High-throughput sequencing of the 16S rRNA gene revealed considerable differences between the structure of the anodic communities and that of the Fe(III) oxide-reducing community. Geobacter species were predominantly detected (>46%) in the anodic communities. In contrast, Pseudomonas (70%) and Desulfosporosinus (16%) were predominant in the Fe(III) oxide-reducing community. These results demonstrated that Geobacter species are the most specialized among Fe(III)-reducing bacteria for electron transfer to the anode in MFCs. In addition, the present study indicates the presence of a novel lineage of bacteria in the genus Pseudomonas that highly prefers ferrihydrite as the terminal electron acceptor in acetate oxidation.
Sediment microbial fuel cells (SMFCs) illustrated great potential for powering environmental sensors and bioremediation of sediments. In the present study, array anodes for SMFCs were fabricated with graphite rods as anode material and stainless steel plate as electric current collector to make it inconvenient to in situ settle down and not feasible for large-scale application. The results demonstrated that maximum power of 89.4 ㎼ was obtained from three graphite rods, twice of 43.3 ㎼ for two graphite rods. Electrochemical impedance spectroscopy revealed that three graphite rods resulted in anodic resistance of 61.2 Ω, relative to 76.0 Ω of two graphite rods. It was probably caused by the parallel connection of the graphite rods, as well as more biomass which could reduce the charge transfer resistance of the biofilm anode. The presently designed array configuration possesses the advantages of easy to enlarge the surface area, decrease in anodic resistance because of the parallel connection of each graphite rod, and convenience to berry into sediment by gravity. Therefore, the as prepared array node would be an effective method to fabricate large-scale SMFC and make it easy to in situ applicate in natural sediments.
The present study was conducted to compare the voltage generation in two-chamber microbial fuel cells (MFCs) with a biocathode where nitrate and oxygen are used as a terminal electron acceptors (TEA) and to investigate the nitrogen removal and the electrochemical characteristics depending on the separators of the MFCs for denitrification. The maximum power density in a biocathode MFC using an anion exchange membrane (AEM) was approximately 40% lower with the use of nitrate as a TEA than when using oxygen. The MFC for denitrification using an AEM allows acetate ($CH_3COO^-$) as a substrate and nitrate ($NO_3{^-}$) as a TEA to be transported to the opposite sides of the chamber through the AEM. Therefore, heterotrophic denitrification and electrochemical denitrification occurred simultaneously at the anode and the cathode, resulting in a higher COD and nitrate removal rate and a lower maximum power density. The MFC for the denitrification using a cation exchange membrane (CEM) does not allow the transport of acetate and nitrate. Therefore, as oxidation of organics and electrochemical denitrification occurred at the anode and at the cathode, respectively, the MFC using a CEM showed a higher coulomb efficiency, a lower COD and nitrate removal rate in comparison with the MFC using an AEM.
Microbial fuel cells (MFCs) are a bioelectrochemical system where electrochemically active bacteria convert organic waste into electricity. Poly(vinyl alcohol) (PVA) and chitosan (CS) are polymers that have been studied as potential alternative ion exchange membranes to Nafion for many electrochemical systems. This study examined the optimal mixing ratio of PVA and chitosan CS in a PVA:CS composite membrane for MFC applications. PVA:CS composite membranes with 1:1, 2:1, and 3:1 ratios were synthesized and tested. The water uptake and ion exchange capacity, Fourier transform infrared spectra, and scanning electron microscopy images were analyzed to determine the physicochemical properties of PVA:CS membranes. The prepared membranes were applied to the ion exchange membrane of the MFC system, and their effects on the electrochemical performance were evaluated. These results showed that the composite membrane with a 3:1 (PVA:CS) ratio showed comparable performance to the commercialized Nafion membrane and produced more electricity than the other synthesized membranes. The PVA:CS membrane implemented MFCs produced a maximum power density of 0.026 mW cm-2 from organic waste with stable performance. Therefore, it can be applied to a cost-effective MFC system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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