Desenvolvimento de membranas compósitas à base de celulose bacteriana para pilhas de combustível microbianas

Abstract

As pilhas de combustível microbianas constituem uma tecnologia com a potencialidade de produção de energia elétrica com simultâneo tratamento de efluentes. Esta potencialidade assume particular relevância num mundo que cada vez mais procura soluções ecológicas e sustentáveis para a produção de eletricidade. Neste sentido, o desenvolvimento de membranas de permuta protónica com base em celulose bacteriana (BC) irá contribuir para aumentar o caráter ecológico das pilhas de combustível microbianas (MFCs). O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de membranas compósitas baseadas em BC e no ácido poli(4-estireno sulfónico) (PSSA) para aplicação em MFCs. Deste modo, a produção, caraterização e aplicação de membranas de PSSA/BC numa pilha de combustível microbiana é descrita como uma abordagem relevante à produção de eletricidade por microrganismos com recurso a materiais de base biológica. O polímero PSSA foi incorporado com sucesso na estrutura tridimensional da BC através da polimerização radicalar in situ do monómero ácido 4-estirenosulfónico na presença de um agente reticulante. Estas membranas compósitas apresentam uma capacidade de troca iónica de 1,85 ± 0,83 mmol.g-1 e condutividades protónicas máximas de 17,3 mS.cm-1 (94 ºC, 98% humidade relativa, configuração através-do-plano) e 344 mS.cm-1 (80 ºC, 98% humidade relativa, configuração em-plano). Estes resultados demonstram um comportamento anisotrópico da condutividade protónica das membranas compósitas dependente da configuração em que é medida. A aplicação de uma membrana de PSSA/BC numa pilha de combustível microbiana originou uma potencia máxima de 2,42 mW.m-2, uma voltagem de circuito aberto de 0,436 V e uma resistência interna de 1,51×104 Ω. Estes valores são superiores aos obtidos com uma membrana comercial de Nafion®.

Microbial fuel cells are a technology with the potentiality to be used on the production of electricity while simultaneously treating effluents. This potentiality is particularly relevant in a world that actively searches for ecological and sustainable solutions for electricity production. In this sense, the development of proton exchange membranes based on bacterial cellulose (BC) can contribute to increase the ecological character of microbial fuel cells (MFCs). The present work has the objective of developing nanocomposite membranes based on BC and poly(4-styrene sulfonic acid) (PSSA) for application on MFCs. As such, the production, characterization and application of PSSA/BC membranes in a MFC is described as a relevant approach on the production of electricity by microorganisms and with the resort to bio-based materials. The PSSA polymer was successfully incorporated into the BC three-dimensional structure by the in situ free radical polymerization of the 4-styrene sulfonic acid monomer in the presence of a cross-linking agent. This nanocomposite membrane shows an ionic exchange capacity of 1.85 ± 0.83 mmol.g-1 and maximum protonic conductivities of 17.3 mS.cm-1 (94 ºC, 98% relative humidity (RH), through-plane configuration) and 344 mS.cm-1 (80 ºC, 98% RH, in-plane configuration). These results show a nanocomposite membrane with anisotropic proton conductance behaviour dependant on the configuration in which the protonic conductivity is measured. The PSSA/BC application on a single-chamber MFC yielded a maximum power density of 2.42 mW.m-2, an open circuit voltage of 0.436 V and an internal resistance of 1.51×104 Ω. These results are superior than those obtained with a commercial Nafion® membrane.