DESENVOLVIMENTO DE BIOSENSOR DE MATÉRIA ORGÂNICA COM CÉLULA COMBUSTÍVEL MICROBIOLÓGICA DE CÂMARA ÚNICA À BASE DE RESÍDUO DE PILHA
Autor: Pablo Eduardo Godinho Guerreiro (Currículo lattes)
Resumo
Células combustíveis microbiológicas (CCMs) são dispositivos capazes de converter biologicamente energia química em elétrica. Nas CCMs as bactérias exoeletrogênicas, presentes no ânodo, oxidam matéria orgânica e liberam elétrons extracelularmente que devido à diferença de potencial, migram para o cátodo no qual há um agente oxidante. Uma das aplicações de CCMs é seu uso como biosensores de matéria orgânica, obtendo resultados mais rápidos quando comparado ao método padrão para determinação de compostos biodegradáveis, DBO5, o qual necessita de período de incubação de 5 dias e apresenta falhas de reprodutibilidade. Em CCMs do tipo ar-cátodo o agente oxidante é o oxigênio e, por isso, para aumentar a eficiência do sistema diversos materiais vêm sendo estudados para catalisar a reações de redução do O2, sendo o óxido de manganês (MnOx) um deles. O objetivo deste trabalho foi estudar o uso de eletrodo catódico contendo resíduo de pilha em células combustíveis microbiológicas do tipo ar-cátodo e relacionar a concentração de matéria orgânica de efluente sintético com Coulombs transferidos. Na primeira etapa desse trabalho, foi estudado o uso eletrodos com carvão ativado, polivinilideno co-hexafluorpropileno e diferentes proporções de resíduo de pilha – sem resíduo, 7% (m/m) e 14% (m/m) – e comparados com uma CCM de câmara dupla utilizando ferrocianeto de potássio como agente oxidante. As CCMs ar-cátodo quando operadas com resistência externa (Rext) de 1000 Ω e 1,0 g/L de acetato de sódio obtiveram densidade de potência acima entre 26,41 e 34,26 mW/m², mais de 35% superior à CCM operada com ferrocianeto (19,56 mW/m²). A operação das CCMs em Rext de 560 Ω e concentração de acetato de sódio máxima de 0,20 g/L foi favorável para as CCM arcátodo e de câmara dupla, sendo obtidas densidade de corrente 33% superiores para as CCMs ar-cátodo em comparação à operação em 1000 Ω e 3,1 vezes superior para CCM de câmara dupla comparada a sua operação em 1000 Ω. Foi realizado um estudo de aumento da área do ânodo pela adição de pellets de grafite, porém essa modificação resultou na diminuição de ddp gerada. Já na segunda etapa desse trabalho, CCMs ar-cátodo, em triplicata, com eletrodos catódicos sem resíduo de pilha e com 14% (m/m) de resíduo, foram alimentadas com 0,25; 0,50; 1,00; 2,50 e 5,00 g/L de acetato de sódio em Rext de 1000, 560, 100, 47 e 10 Ω e analisados o coeficiente de determinação e o tempo de resposta dos biosensores. Em todas condições de resistências externas foram obtidos coeficientes de determinação acima (R²) de 0,92 para ambos grupos de CCMs. O tempo de resposta diminuiu com a redução da resistência, sendo obtidos em Rext de 47 Ω respostas em 16,8 h com e R² de 0,99, e em Rext de 10 Ω respostas em 7,7 h com e R² acima de 0,95. As CCMs sem resíduo de pilha apresentaram tempo de resposta mais curtos, porém com menor R². O resíduo de pilha no eletrodo catódico de CCM é uma alternativa para reutilização deste resíduo sem que sejam realizados tratamento e purificação do mesmo. As CCMs apresentaram resultados promissores como biosensor de matéria orgânica, sendo obtidos resultados em no máximo 20% do tempo requerido pelo método DBO5.