Application of carbon nanomaterials in methane-producing bioelectrochemical syste

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Bruna Rafaela Cardoso
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/64669
Resumo: Dissertação de mestrado em Biotecnologia
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spelling Application of carbon nanomaterials in methane-producing bioelectrochemical systeAplicação de nanomateriais de carbono em sistemas bioelectroquímicos na produção de metanoBioelectrochemical systemsCarbon nanotubesCH4 productionCO2 reductionElectromethanogenesisEletrometanogéneseNanotubos de carbonoProdução de CH4Redução de CO2Sistemas bioeletroquímicosEngenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e TecnologiasDissertação de mestrado em BiotecnologiaStorage of renewable electricity in the form of methane (CH4) is a promising technology. Electrochemically assisted CH4 production from carbon dioxide (CO2) in a bioelectrochemical system (BES) allows the production of a biological fuel that can be stored and converted into electricity when necessary. In addition, CO2 is simultaneously captured contributing to mitigate climate change and global warming. However, this technology is still at an early stage with various technical and scientific problems and limitations that require further studies. Several aspects related to the biocathode performance, such as the low electron transfer rate between electrode and electrotrophs have been identified as important drawback to be overcame. The work developed in this thesis aimed to study the effect of carbon nanotubes (CNTs), as conductive material, on CH4 production in BESs. The production of CH4 was analyzed in two BESs, one working with a modified electrode (BESCNTs), in which CNTs were deposited, and another one that works as a control with a nonmodified electrode (BES-CTRL). The potential of CNTs to improve CH4 production was investigated under different electrochemical control modes, potentiostatic (at -1.0 V and -1.2 V vs. Ag/AgCl) and galvanostatic (at 2.7 mA and 7.5 mA). Parallel to the production of CH4, CO2 consumption, as well as the current-to-CH4, voltage and energy efficiencies were also evaluated. The results demonstrated that for both electrochemical control modes, the production of CH4 was higher in the presence of CNTs compared to the control assay. The current-to-methane efficiency varied between 15 % and 90 %, in both assays, while the voltage efficiency remained below 0.12 % and energy efficiency below 5.5 %. The study of the microbial community developed at the biocathode under galvanostatic control demonstrated a clear enrichment of methanogens (78 % in BES-CNTs and 86 % in BES-CTRL) compared to the initial inoculum (10 %), However, no significant differences were observed between both BES, since 98 % of the sample was classified as “unknown”. In conclusion, this work contributed with new insights on the effect of carbon nanomaterials to improve biocathode performance on BESs for CH4 production from CO2.O armazenamento de eletricidade renovável na forma de metano (CH4) é uma tecnologia promissora. A produção eletroquímica de CH4 a partir de dióxido de carbono (CO2) num sistema bioeletroquímico (BES) permite a produção de um combustível biológico que pode ser armazenado e convertido em eletricidade quando necessário. Além disso, o CO2 é simultaneamente capturado contribuindo para mitigar as mudanças climáticas e o aquecimento global. No entanto, esta tecnologia ainda está em fase inicial, apresentando vários problemas e limitações técnicas e científicas que exigem mais estudo. Vários aspetos relacionados com o desempenho do biocátodo, como a baixa taxa de transferência de eletrões entre elétrodos e eletrotrófitos, foram identificados como uma desvantagem a ser superada. O trabalho desenvolvido nesta tese teve como objetivo estudar o efeito dos nanotubos de carbono (CNTs), como material condutor, na produção de CH4 em BESs. A produção de CH4 foi analisada em dois BESs, um que trabalha com um elétrodo modificado (BES-CNTs), no qual os CNTs foram depositados, e outro que funciona como controlo com um elétrodo não modificado (BES-CTRL). O potencial dos CNTs para melhorar a produção de CH4 foi investigado diferentes modos de controlo eletroquímico potenciostático (em -1.0 V e -1.2 V vs. Ag/AgCl) e galvanostático (em 2.7 mA e 7.5 mA). Paralelamente à produção de CH4, o consumo de CO2, bem como as eficiências atuais para CH4, tensão e energia também foram avaliadas. Os resultados demonstraram para ambos os controlos, a produção de CH4 foi maior na presença de CNTs. A eficiência da corrente-para-CH4 variou entre 15 % e 90 %, enquanto a eficiência de voltagem permaneceu abaixo de 0.12 % e energética abaixo de 5.5 %. O estudo da comunidade microbiana desenvolvido no biocátodo do ensaio B, demonstrou um enriquecimento de metanógenos (78 % em BES-CNTs e 86 % no BES-CTRL) em comparação com o inóculo inicial (10 %). No entanto, nenhuma diferença significativa foi observada entre ambos o BES, uma vez que 98 % da amostra foi classificada como "desconhecida". Em conclusão, este trabalho contribuiu com novos insights sobre o efeito dos nanomateriais de carbono para melhorar o desempenho do biocátodo em BESs na produção de CH4 a partir de CO2.Pereira, M. A.Barbosa, Sónia Glória LinharesUniversidade do MinhoFernandes, Bruna Rafaela Cardoso20192019-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/64669eng202413586info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:34:59Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/64669Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:30:48.941564Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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