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Otimização de parâmetros de construção e operação de células de energia microbiana aplicadas à remoção de sulfato.
Use este link compartilhar ou citar este material: http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/650240
Registro completo de metadados
| Metadados | Descrição | Idioma |
|---|---|---|
| Autor(es): dc.contributor | Leão, Versiane Albis | - |
| Autor(es): dc.contributor | Leão, Versiane Albis | - |
| Autor(es): dc.contributor | Lobo, Fernanda Leite | - |
| Autor(es): dc.contributor | Sancinetti, Giselle Patrícia | - |
| Autor(es): dc.contributor | Nucci, Edson Romano | - |
| Autor(es): dc.contributor | Teixeira, Mônica Cristina | - |
| Autor(es): dc.creator | Rodrigues, Isabel Cristina Braga | - |
| Data de aceite: dc.date.accessioned | 2022-02-21T19:57:44Z | - |
| Data de disponibilização: dc.date.available | 2022-02-21T19:57:44Z | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2021-07-07 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2021-07-07 | - |
| Data de envio: dc.date.issued | 2020 | - |
| Fonte completa do material: dc.identifier | http://www.repositorio.ufop.br/jspui/handle/123456789/13348 | - |
| Fonte: dc.identifier.uri | http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/650240 | - |
| Descrição: dc.description | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental. Núcleo de Pesquisas e Pós-Graduação em Recursos Hídricos, Universidade Federal de Ouro Preto. | - |
| Descrição: dc.description | A tecnologia das células de energia microbiana (CEM) explora a capacidade de alguns microorganismos transferirem os elétrons produzidos durante a oxidação da matéria orgânica para um anodo, na forma de uma célula eletroquímica. Nesta tese foram estudadas CEM visando a remoção de sulfato e concomitante geração de potencial elétrico e remoção de DQO. O foco principal do trabalho foi estudar o impacto dos seguintes parâmetros de engenharia, nas respostas citadas: (i) utilização de carvão de ossos como material de preenchimento da câmara anódica; (ii) tipo de fonte de carbono; (iii) relação DQO/SO4 2- e (iv) tipo de membrana separadora. A utilização do carvão de ossos e o tipo de fonte de carbono foram inicialmente estudados em uma etapa de triagem utilizando o planejamento fatorial completo 22. Nesta etapa, a utilização de lactato como fonte de carbono gerou uma densidade de potência média de 13,3 mW m-3 (com ou sem carvão na câmara anódica), enquanto com lactose, a CEM com carvão atingiu 5,6 mW m-3 e a CEM sem carvão não ultrapassou 0,8 mW m-3 durante todo o ensaio. No caso da remoção de DQO e SO4 2-, as CEM com carvão também mostraram os melhores resultados, com destaque para a lactose como fonte de carbono, alcançando 95% de remoção de DQO e 90% de remoção de SO4 2-. Em seguida, diferentes membranas separadoras foram testadas e, neste caso, foi aplicada análise de componentes principais (PCA), a qual indicou que as maiores contribuições para a geração de potencial foram referentes às membranas de microfiltração e látex, ambas atingindo 26,7 mW m-3. Definida a utilização do carvão de ossos na câmara anódica e a lactose como fonte de carbono, seguiu-se à otimização da massa de carvão utilizada e da relação DQO/SO4 2- para as respostas (i) geração de potencial elétrico; (ii) remoção de DQO e (iii) remoção de SO4 2-. A etapa de otimização foi aplicada para ambas as construções (membrana de microfiltração e látex) e foi utilizada a metodologia da superfície de respostas com planejamento Doehlert. As análises estatísticas mostraram que é possível aumentar a densidade de potência volumétrica em até 42% em relação à triagem e atingir remoções de sulfato acima de 1400 mg L-1 (70%), em CEM com membrana de microfiltração. E no caso da CEM com membrana de látex, houve um incremento de 20% na densidade de potência volumétrica e a remoção de sulfato chegou a 1800 mg L-1 (90%) No entanto, a remoção de DQO não foi otimizada, em ambos os casos, mas alcançou remoções da ordem de 70%. A partir das condições otimizadas, foi feita a determinação dos ácidos graxos voláteis sendo proposto um mecanismo preliminar para a degradação da lactose e interação entre a remoção de sulfato e a geração de eletricidade. A glicose oriunda da lactose é fermentada a butirato e este é consumido na redução de sulfato, gerando acetato que é utilizado preferencialmente pelos micro-organismos eletrogênicos. Esse processo foi incialmente acompanhado da elevação nos potenciais elétricos. Esta observação sugere que a presença de BRS homoacetogênicas em CEM é fundamental para a geração do acetato usado na eletrogênese. Por fim, o efluente das CEM foi utilizado para precipitar arsênio, sendo alcançado 80% de remoção deste metaloide. Esta tese mostrou a versatilidade dos sistemas bioeletroquímicos, em especial das células de energia microbianas no tratamento de efluentes complexos concomitante à geração direta de eletricidade. | - |
| Descrição: dc.description | Microbial fuel cells (MFC) are based on the ability of some microorganisms to transfer electrons, produced during organic matter oxidation, directly to an anode in a bioelectrochemical cell. Specifically, the current thesis investigated sulphate reduction and COD removal coupled to the production of electrical potential in microbial fuel cells, focusing on the following parameters related to cell construction: (i) the presence bone char in the anodic chamber; (ii) organic matter type, (iii) COD/SO4 2- mass ratio and (iv) membrane type. The effects of the presence of bone char in the anode chamber and the organic matter type on the electrical potential were initially investigated through a screening step performed through a 22 full factorial design. In this step the use of lactate as the carbon source resulted in an average power density of 13.3 mW.m-3, irrespective of the presence of bone chair in the anodic chamber. Conversely, 5.6 mW.m-3, were registered in the presence of bone chair in the lactose-fed MFC, whereas values below 0.8 mW.m-3 were determined in the absence of bone char in the same MFC. With regards to both sulphate and COD removals, the MFC containing bone chair also showed the best results, particularly in the case of lactose, for which 95% COD and 90% sulphate removals were achieved. Subsequently, the effect of the membrane type was studied and the principal component analysis (PCA) was applied, revealing that: (i) the 0.45μm-poresize nitrocellulose (microfiltration) and (ii) the latex membranes were the best options because they enabled to reach power density around 26.7 mW.m-3. Optimization was the second step, which was performed applying the response surface methodology and the Doehlert matrix design to the MFC constructed with each one of both membranes. The statistical analysis revealed an increase of 42% in the volumetric power density (to 9.6 mW.m-3) as compared to the values determined in the screening step in addition to sulphate reduction yields over 70% in the MFC constructed with the microfiltration membrane operating with 75 g of bone char (for a nominal volume of 200mL) in the anode and a COD/SO4 2- ratio of 2.35. In the case of the latex-membrane-MFC, the volumetric power density increased 20% and attained 7.0 mW.m-3, whereas the sulphate reduction yield was 90% when the cell operated with 50 g of bone char (for a nominal volume of 130 mL) and 3.2 as the COD/SO4 2- ratio. However, the maximum COD removal yield was 70%, which was lower than the value predicted by the model. Applying the experimental conditions determined in the optimization step, the profile of the volatile fatty acids in the reactor was investigated and enabled to speculate a pathway describing lactose degradation during sulphate reduction and electricity production. Specifically, lactose is converted to glucose, which is then fermented to butyrate. The latter is used by sulphate reducing bacteria (SRB) to produce sulphide ions and acetate, which is the growth substrate for electrogenic bacteria. This process is initially accompanied by an increase in the electrical potential, which suggests that the presence of homoacetogenic SRB in MFC is fundamental for the production of the acetate used in electrogenesis. An application of the MFC eletrolite was devised in which the sulphide-laden solution was used to precipitate both arsenate and arsenite ions resulting in around 80% removal. Summarizing the current thesis demonstrated the versatility of the bioelectrochemical systems, particularly MFC, in the processing of complex organic matter to reduce sulphate and also in the production of electricity. | - |
| Formato: dc.format | application/pdf | - |
| Idioma: dc.language | pt_BR | - |
| Direitos: dc.rights | aberto | - |
| Direitos: dc.rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/ | - |
| Direitos: dc.rights | Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 09/06/2021 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação. | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Lactose | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Arsênio | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Bioquímica - sistemas bioeletroquímicos | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Bactérias redutoras de sulfato | - |
| Palavras-chave: dc.subject | Metodologia de superfície de resposta | - |
| Título: dc.title | Otimização de parâmetros de construção e operação de células de energia microbiana aplicadas à remoção de sulfato. | - |
| Tipo de arquivo: dc.type | livro digital | - |
| Aparece nas coleções: | Repositório Institucional - UFOP | |
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