Mikroalg içeren mikrobiyal yakıt hücrelerinin biyoelektriksel özelliklerinin geliştirilmesi ve atık su arıtımında kullanılmaları
Development of bioelectrical properties of microalgae containing microbial fuel cells and their use in wastewater treatment
Yazar: NECLA ALTIN
Danışman: DOÇ. DR. BAŞAR UYAR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Atık su enerjisi = Waste water energy ; Biyoelektrik enerji kaynakları = Bioelectric energy sources ; Biyoyakıtlar = Biofuels ; Elektrokimya = Electrochemistry ; Elektrokimyasal depolama = Electrochemical deposition ; Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells ; Fosil yakıtlar = Fossil fuels

Özet:
Bu çalışmanın amacı; bir mikrobiyal-mikroalgal yakıt hücresinin performansının substrat
olarak hayvansal ve evsel atık su kullanılarak karşılaştırılması, yakıt hücresinin genel
verimliliği üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla grafit keçe, karbon keçe, karbon
kumaş ve karbon fiber olmak üzere farklı elektrotlar ve 15, 50 ve 127 μm kalınlıklarındaki
proton değişim membranlarının etkilerinin incelenmesidir. Çalışma kapsamında,
elektrotlar nitrik asit ve çoklu duvarlı karbon nanotüplerle modifiye edilmiş ve bu
modifikasyonların mikrobiyal yakıt hücresi sistemindeki iletkenlik, elektrokimyasal
aktivite ve performans gibi temel parametreler üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir.
İşlenmemiş tüm elektrotlar arasında, karbon fiber elektrot 67 mW/m2 ile en yüksek güç
yoğunluğunu göstermiştir. Nitrik asitle yüzeyi modifiye edilmiş tüm elektrotlarda, işlem
görmemiş elektrotlara kıyasla hem voltaj hem de güç çıkışlarında bir artış gözlenmiştir.
İşlem görmemiş elektrotlara benzer şekilde, karbon fiber elektrot 193 mW/m2 güç
üreterek en yüksek güç yoğunluğuna ulaşmıştır. Nitrik asit uygulaması, mikrobiyal yakıt
hücresi sistemi içinde verimli elektron transferi ve katalitik reaksiyonlar açısından yüksek
performans sergilemiştir. Buna rağmen, çok duvarlı karbon nanotüp ile modifiye edilmiş
elektrotlar, işlem görmemiş elektrotlara kıyasla daha kararlı voltaj üretimi ile uzun süreli
çalışma dayanıklılığı sergilemiştir. Tüm nanotüp kaplanmış elektrotlar arasında karbon
fiber elektrotta 107 mW/m2 ile en yüksek güç yoğunluğu gözlemlenmiştir. Her bir
modifikasyon yönteminin çok yönlü faydaları belirtilmiş ve mikrobiyal yakıt hücresi
teknolojilerinde kapsamlı iyileştirmeler için kullanılabilecek potansiyel sinerjileri
vurgulanmıştır. Hayvansal atık su kullanılan mikrobiyal yakıt hücrelerin performansının
evsel atık suyun performansını aştığı ortaya koyulmuştur. Nitrik asitle modifiye edilmiş
grafit keçe, karbon keçe, karbon kumaş ve karbon fiber elektrotların hayvansal atık su
beslemesi yapılan mikrobiyal yakıt hücrelerinde ürettikleri güç yoğunlukları sırasıyla 49
mW/m2, 59 mW/m2, 23 mW/m2 ve 67 mW/m2'dir. Bu değerler evsel atık su ile beslenen
mikrobiyal yakıt hücrelerinden sırasıyla %65, %64, %52 ve %39 daha fazladır.
Performanstaki bu fark, evsel atık suya kıyasla tipik olarak daha yüksek düzeyde organik
madde ve besin içeren hayvansal atık suyun bileşiminden kaynaklanmaktadır.

Abstract:
The aim of this study was to compare the performance of a microbial-microalgal fuel cell
using animal and domestic wastewater as substrate, and to investigate the effects of
different electrodes (graphite felt, carbon felt, carbon cloth and carbon fiber) and proton
exchange membranes with thicknesses of 15, 50 and 127 μm on the overall efficiency of
the fuel cell. In this study, the electrodes were modified with nitric acid and multi-walled
carbon nanotubes and the effects of these modifications on key parameters such as
conductivity, electrochemical activity and performance in the microbial fuel cell system
were evaluated. Among all untreated electrodes, the carbon fiber electrode showed the
highest power density of 67 mW/m2. An increase in both voltage and power outputs was
observed for all nitric acid surface modified electrodes compared to untreated electrodes.
Similar to the untreated electrodes, the carbon fiber electrode achieved the highest power
density, producing 193 mW/m2 of power. Nitric acid treatment exhibited high
performance in terms of efficient electron transfer and catalytic reactions within the
microbial fuel cell system. Nevertheless, the multi-walled carbon nanotube modified
electrodes exhibited long-term operating durability with more stable voltage generation
compared to untreated electrodes. Among all nanotube coated electrodes, the highest
power density of 107 mW/m2 was observed at the carbon fiber electrode. The
multifaceted benefits of each modification method are outlined and their potential
synergies that can be utilised for comprehensive improvements in microbial fuel cell
technologies are highlighted. It was revealed that the performance of microbial fuel cells
using animal wastewater exceeds the performance of domestic wastewater. The power
densities produced by nitric acid modified graphite felt, carbon felt, carbon cloth and
carbon fiber electrodes in microbial fuel cells fed with animal waste water are 49 mW/m2,
59 mW/m2, 23 mW/m2 and 67 mW/m2, respectively. These values are 65%, 64%, 52%
and 39% higher than microbial fuel cells fed with municipal wastewater, respectively.
This difference in performance is due to the composition of animal wastewater, which
typically contains higher levels of organic matter and nutrients compared to domestic
wastewater.