Membrana de nanocelulose bacteriana/grafite para aplicação como membrana de troca de prótons em células a combustível microbianas

Abstract

Devido à crescente preocupação com o esgotamento dos recursos energéticos e alterações climáticas, as células de combustível, como dispositivos eficientes para obtenção de energia elétrica, têm atraído enorme atenção por causa de suas altas capacidades energéticas e benefícios ambientais. A célula a combustível é um sistema que converte a energia química contida em um combustível em eletricidade. Uma alternativa promissora para geração de eletricidade e, simultaneamente tratamento de efluentes e biorremediação, são as células a combustível microbianas (CCMs), as quais utilizam matéria orgânica como combustível, aproveitando os processos metabólicos de bactérias para gerar uma corrente elétrica. Um dos principais componentes das CCMs é a membrana de troca de prótons (MTP). As MTPs comercialmente disponíveis e mais utilizada são feitas de polímeros de ácido perfluorossulfônico, como o Nafion®. Essas membranas possuem custo elevado e limitações operacionais em altas temperaturas e baixa umidade. Assim, abordagens para encontrar alternativas de MTPs duráveis, de baixo custo e com desempenho eficiente são necessárias para tornar as CCMs competitivas. A celulose e a grafite são materiais biocompatíveis, abundantes na natureza e não poluentes. Celulose produzida por microrganismos, chamada de nanocelulose bacteriana (NCB), possui estrutura nanofibrilar com alta resistência, estabilidade térmica e mecânica, moldabilidade, flexibilidade, biocompatibilidade e cristalinidade superior a celulose vegetal. As propriedades potenciais de grafite, como bom condutor de eletricidade, elevada resistência térmica, lubricidade, excelente resistência à corrosão, elevada estabilidade química, inerte e biocompatibilidade, o torna um material adequado para diversas aplicações industriais. O objetivo principal deste trabalho foi desenvolver membranas de NCB, com grafite incorporada na sua estrutura, para aplicações como MTP em CCMs. A morfologia e a microestrutura das membranas foram avaliadas em microscópio de varredura eletrônica (MEV) e grupos funcionais, característicos da composição química, foram identificados por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). As membranas desenvolvidas apresentaram bom desempenho como MTP em CCMs, sendo o melhor resultado observado, após 37 dias, a CCM operando com a membrana de NCB contendo 1,0% de grafite como MTP, com tensão de 308,0 mV.

Abstract: Due to the growing concern about the depletion of energy resources and climate change, fuel cells, as efficient devices for obtaining electrical energy, have attracted enormous attention because of their high energy capabilities and environmental benefits. The fuel cell is a system that converts the chemical energy contained in a fuel into electricity. A promising alternative for generating electricity and simultaneously treating effluents and bioremediation are microbial fuel cells (MFCs) which use organic matter as fuel, harnessing the energy of the metabolic processes of bacteria to generate an electric current. One of the main components of MFCs is the proton exchange membrane (PEM). Most commercially available PEM is made with perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion®. These membranes have high costs and operational limitations at high temperatures and low humidity. Thus, approaches to finding durable, low-cost, and efficient-performances PEM alternatives are needed to make MFCs competitive. Cellulose and graphite are biocompatible materials, abundant in nature and non-polluting. Cellulose produced by microorganisms is called bacterial nanocellulose (BNC), it has a nanofibrillar structure with high resistance, thermal and mechanical stability, moldability, flexibility, biocompatibility, and crystallinity superior to vegetable cellulose. The potential properties of graphite, as a good conductor of electricity, high thermal resistance, lubricity, excellent resistance to corrosion, high chemical stability, inertness, and biocompatibility, make it a suitable material for several industrial applications. The main objective of this work was to develop BNC membranes with graphite incorporated in its structure, for applications such as PEM in MFCs. The morphology and microstructure of the membranes were evaluated using a scanning electron microscope (SEM) and functional groups, characteristic of the chemical composition, were identified by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The developed membranes showed good performance as MTP in MCCs, with the best result observed, after 37 days, with the MCC operating with the NCB membrane containing 1.0% graphite as MTP, with a voltage of 308.0 mV.