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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
“EVALUACIÓN ELECTROQUÍMICA DE MATERIALES ANÓDICOS
Y SU APLICACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS”
TESIS
presentada por
RUTELY CONCEPCIÓN BURGOS CASTILLO
en opción al Título de
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
A s e s o r e s
DRA. XOCHITL DOMÍNGUEZ BENETTON
DR. CRISTIAN CARRERA FIGUEIRAS
DR. JOSÉ MANUEL DOMÍNGUEZ ESQUIVEL
Mérida, Yucatán, México.
Enero, 2012
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
“EVALUACIÓN ELECTROQUÍMICA DE MATERIALES ANÓDICOS
Y SU APLICACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS”
TESIS
presentada por
RUTELY CONCEPCIÓN BURGOS CASTILLO
en opción al Título de
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL
A s e s o r e s
DRA. XOCHITL DOMÍNGUEZ BENETTON
DR. CRISTIAN CARRERA FIGUEIRAS
DR. JOSÉ MANUEL DOMÍNGUEZ ESQUIVEL
Mérida, Yucatán, México.
Enero, 2012
Aunque un trabajo en opción a
Titulación hubiere servido para el
Examen Profesional y hubiere sido
aprobado por el Sínodo, sólo su
autor o autores son responsables de
las doctrinas en él emitidas.
Artículo 76 del Reglamento
Interior de la Facultad de
Ingeniería Química de la
Universidad Autónoma de Yucatán.
DEDICATORIAS
Dedico esta tesis a mi familia en especial a mi mamá Martina a mis hermanas
Julissa, Marlene, al tío Jorge y a mis sobrinos por las sonrisas y el apoyo que
cada quien me brindó en estos años .
A mi abuelita Josefina que desde algún lugar no ha dejado de enviarme
bendiciones y porque siempre se preocupó por mí.
A mis amigos, profesores, compañeros y personas que se cruzaron en mi
camino e hicieron mi vida diferente.
AGRADECIMIENTOS
Me es grato agradecer tanto a las personas como a las instituciones que depositan la confianza
en la comunidad estudiantil para llevar a cabo los proyectos de formación académica, que nos
definen como profesionistas y personas en el largo sendero de la vida. Aquí hay muchos
nombres por mencionar pero sin duda sería interminable la lista. Sin embargo quiero agradecer
sinceramente:
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por haber proporcionado el financiamiento para la
realización de este trabajo, a través del proyecto de ciencia básica CB-83132 de la modalidad
para Jóvenes Investigadores, “Desarrollo de celdas de combustible bacterianas para la
remediación de efluentes residuales domésticos y su optimización mediante bioelectrogénesis
dirigida”.
Al personal del Laboratorio de Biotecnología de la FIQ que me permitieron realizar mis
actividades experimentales, por su apoyo y ayuda cuando fue necesario, al Laboratorio de
Química General, como al de Análisis Instrumental de la FIQ que me permitieron llevar a cabo
parte de los experimentos y cuyo apoyo fue muy importante. Y también me es grato agradecer a
todo el personal que muchas veces tuvo la comprensión para brindarnos apoyo técnico como el
área de mantenimiento, los de conserjería y de vigilancia que siempre tuvieron un trato amable y
cordial.
Al Laboratorio de Ingeniería Ambiental que me abrió las puertas y me facilitó el uso de las
instalaciones y equipos, en verdad gracias por ese apoyo interinstitucional tan apreciable para
mí.
A mis coasesores el Dr. Cristian Carrera Figueiras por su valioso apoyo hasta el termino de la
presente tesis y al Dr. José Manuel Domínguez Esquivel del Instituto Mexicano del Petróleo que
siempre tuvo un interés por transmitir el valor de un trabajo bien hecho y con mucha paciencia
me guió para realizar una parte experimental del trabajo. Y quizá es el último agradecimiento
mencionado pero no menos significativo para la Dra. Xochitl Domínguez, no sólo por el ejemplo
de trabajo, esfuerzo y dedicación, sino por sus acertados consejos en los momentos de duda e
incertidumbre que me impulsan a buscar nuevos y mejores senderos como persona y
profesionista.
viii
ÍNDICE DE CONTENIDO
1. Introducción ........................................................................................................ 16
2. Antecedentes ...................................................................................................... 18
2.1. Alternativas biotecnológicas ante la crisis energética y la contaminacion
del agua……………………………….. ........................................................................... 18
2.2. Sistemas bioelectroquímicos (SBEs) .................................................................. 20
2.3. Celdas de combustible microbianas (CCMs) ...................................................... 21
2.3.1. Fundamentos y estado del arte .......................................................................... 23
2.3.2. Microorganismos como electrocatalizadores ...................................................... 23
2.3.3. Tipos y configuraciones ...................................................................................... 24
2.3.4. Naturaleza electroquímica y funcionamiento energético .................................... 25
2.3.5. Factores que impactan en el desempeño de las celdas de combustible
microbianas (CCMs) ..................................................................................................... 26
2.3.6. Diferentes materiales como electrodos anódicos ............................................... 27
2.4. Métodos de análisis electroquímico .................................................................... 29
2.4.1. Análisis de impedancia electroquímica ............................................................... 30
2.4.2. Voltametría cíclica .............................................................................................. 32
2.5. Estrategias espectrofotométricas ....................................................................... 35
2.5.1. Difracción de rayos-X (DRX) .............................................................................. 35
2.5.2. Espectroscopía de infrarrojo ............................................................................... 35
2.6. Estrategias microbiológicas ................................................................................ 36
2.6.1. Método espectrométrico de McFarland .............................................................. 36
2.6.2. Demanda Química de Oxígeno (DQO) ............................................................... 36
3. Objetivos ............................................................................................................. 39
3.1. Objetivo general ................................................................................................. 39
3.2. Objetivos particulares ......................................................................................... 39
4. Materiales y métodos.......................................................................................... 41
4.1. Estrategia general de trabajo .............................................................................. 41
4.2. Recolección y tratamiento de las muestras microbianas .................................... 42
4.3. Medio de cultivo para las biopelículas marinas .................................................. 42
4.4. Inoculos .............................................................................................................. 42
4.5. Determinación de la cantidad de biomasa .......................................................... 43
ix
4.6. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) ................................ 44
4.6.1. Tratamiento, limpieza y preparación de los tubos de digestión .......................... 45
4.6.2. Preparación de la curva de calibración ............................................................... 45
4.6.3. Tratamiento, preservación y almacenamiento de las muestras .......................... 46
4.7. Preparación de los electrodos ............................................................................ 46
4.7.1. Preparación de la solución polimérica de polianilina (PAni) ............................... 47
4.7.2. Preparación de los electrodos compositos con polianilina.................................. 47
4.7.3. Preparación de los electrodos compositos grafito/nanofibras de carbono
(CNTs)/polianilina (PAni) ............................................................................................... 47
4.8. Preparación de la celda electroquímica para evaluar el desempeño de
los electrodos y el efecto de biopelículas marinas ....................................................... 48
4.9. Caracterización electroquímica .......................................................................... 49
4.9.1. Análisis por espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE) ..................... 50
4.9.2. Análisis mediante voltametría cíclica (CV) .......................................................... 51
4.9.3. Análisis de la impedancia electroquímica mediante circuitos equivalentes ........ 52
4.10. Determinación de la diferencia de potencial (mV) y de las densidad de
corriente (A/m2) en los sistemas de estudio .................................................................. 53
4.11. Tratamiento estadístico para los resultados analíticos ....................................... 53
4.12. Tratamiento para los resultados espectroscópicos ............................................. 54
4.12.1.Difracción de rayos-X (DRX) .............................................................................. 54
4.12.2.Espectroscopía de infrarrojo (IR) ....................................................................... 54
5. Resultados y discusiones ................................................................................... 56
5.1. Medición de la densidad de corriente ................................................................. 56
5.2. Determinación del crecimiento de los microorganismos en el medio ................. 58
5.3. Determinación de la concentración de la demanda química de oxígeno
en los sistemas bióticos ................................................................................................ 59
5.4. Caracterización electroquímica (EIE) ................................................................. 61
5.4.1. Análisis con voltametría cíclica ........................................................................... 62
5.4.2. Espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE) ......................................... 70
5.4.3. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas compositos
de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo condiciones bióticas
y abióticas ..................................................................................................................... 70
x
5.4.4. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas compositos
de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo condiciones bióticas
y abióticas ..................................................................................................................... 77
5.4.5. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas de acero
con y sin polianilina bajo condiciones bióticas y abióticas ............................................ 83
5.4.6. Análisis mediante espectroscopías .................................................................... 88
6. Conclusiones ...................................................................................................... 92
7. Referencias bibliográficas ................................................................................... 93
8. Anexos................................................................................................................ 102
xi
ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1. Tipos de sistemas bioelectroquímicos. ......................................................... 20
Cuadro 2. Características definidas para reacciones reversibles en los
voltagramas cíclicos. ..................................................................................................... 34
Cuadro 3. Matriz experimental ...................................................................................... 41
Cuadro 4. Soluciones para la curva estándar de McFarland ........................................ 43
Cuadro 5. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos
mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos de
grafito bajo condiciones bióticas y abióticas. ................................................................ 76
Cuadro 6. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos
mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos
compositos de grafito-nanofibras de carbono bajo condiciones bióticas y
abióticas. ....................................................................................................................... 82
Cuadro 7. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos
mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los sistemas de
acero bajo condiciones bióticas y abióticas. ................................................................. 88
xii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Disposición general de una CCM de doble cámara. ...................................... 25
Figura 2. Diagrama complejo o de Nyquist. ................................................................. 31
Figura 3. Esquemas típicos de un voltagrama cíclico para diferentes sistemas .......... 34
Figura 4. Curva de calibración experimental para la aplicación del método de
McFarland. .................................................................................................................... 44
Figura 5. Curva de calibración experimental para la cuantificación de la
demanda química de oxígeno (DQO). .......................................................................... 46
Figura 6. Reactor utilizado en las mediciones electroquímicas .................................... 49
Figura 7. Interfaz del potenciostato Voltalab 80 .......................................................... 50
Figura 8. Circuito eléctrico equivalente (CEE)............................................................... 53
Figura 9. Diagramas de densidad de corriente biocatalítica. ........................................ 57
Figura 10. Curvas experimentales del crecimiento de los microorganismos
planctónicos en los sistemas bióticos evaluados. ......................................................... 59
Figura 11. Determinación experimental de las concentraciones de DQO en los
sistemas bióticos. .......................................................................................................... 60
Figura 12. Voltagrama cíclico para los electrodos de grafito a una velocidad de
barrido de 20mV/s ......................................................................................................... 64
Figura 13. Voltagrama cíclico para los electrodos compositos de grafito-
nanofibras de carbono a una velocidad de barrido de 20mV/s ..................................... 67
Figura 14. Voltagrama cíclico para los electrodos de acero a una velocidad de
barrido de 20mV/s ......................................................................................................... 68
Figura 15. Diagramas de Nyquist para los sistemas de grafito con y sin
polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas. ............................................ 71
Figura 16. Diagramas de Bode para los sistemas de grafito con y sin polianilina
expuestas a condiciones bióticas y abióticas ............................................................... 72
Figura 17. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia
para los sistemas de grafito .......................................................................................... 75
Figura 18. Diagramas de Nyquist de los sistemas compositos de grafito-
nanofibras de carbono con y sin polianilina, expuestos a condiciones bióticas y
abióticas ........................................................................................................................ 78
xiii
Figura 19. Diagramas de Bode para los sistemas compositos de grafito-
nanofibras de carbono con y sin polianilina expuestas a condiciones bióticas y
abióticas ........................................................................................................................ 79
Figura 20. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia
de los sistemas compositos de grafito-nanofibras con y sin polianilina bajo
condiciones bióticas. ..................................................................................................... 82
Figura 21. Diagramas de Nyquist para los sistemas de acero con y sin
polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas. ............................................. 83
Figura 22. Diagramas de Bode para los sistemas de acero con y sin polianilina
expuestas a condiciones bióticas y abióticas ............................................................... 84
Figura 23. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia
de los sistemas de acero con y sin polianilina expuestos a condiciones bióticas
y abióticas.. ................................................................................................................... 86
Figura 24. Espectro de difracción de rayos X de los nanomoldes de sílice
empleados para la síntesis de las nanofibras de carbono. ........................................... 89
Figura 25. Espectro de infrarrojo de los materiales de grafito recubiertos de
polianilina. ..................................................................................................................... 90
xiv
Lista de abreviaturas
j (A/m2), densidad de corriente
BA, electrodos de acero inoxidable
C, Coulombs
CCM/CCMs, celda de combustible microbiana/celdas de combustible
microbianas
CEE, circuito eléctrico equivalente
CNTs, nanofibras de carbono
CV, voltametría cíclica
DRX, difracción de rayos X
E, potencial en Volts
Ecel, diferencia de potencial de celda
E1/2, potencial de semireacción
EIE, espectroscopía de impedancia electroquímica
F, constante de Faraday (96,495C/mol)
FA, electrodos compositos de grafito-nanofibras de carbono
∆G, energía libre de Gibbs
G, electrodos de grafito
I, corriente en Amperes
IR, infrarrojo
mA, milli Amperes
mW, mili Watts
mV, mili Volts
NADH siglas en inglés, dinucleótido de nicotinamida y adenina
n, número de electrones intercambiados durante la oxidación de un sustrato
OCP siglas en inglés, potencial a circuito abierto
PAni, polianilina
DP, densidad de potencia (mW/m2)
SBEs, sistemas bioelectroquímicos
UFC/ml, unidades formadoras de colonias por mililitro
xv
RESUMEN
Durante el desarrollo del presente trabajo se fabricaron y se analizaron diversos
materiales anódicos, utilizando polímeros conductores, con el objeto de impactar el
desempeño de celdas de combustible microbianas por encima de 3.6 A/m2, como
parámetro de referencia reportado en la literatura para cultivos microbianos mixtos.
Se obtuvieron dos tipos de materiales: 1) modificados con películas del polímero
conductor polianilina (PAni) usando métodos químicos, 2) modificados con nanofibras
de carbono y polianilina. Ambos tipos de materiales fueron comparados con sus
análogos sin modificar: barras de grafito y barras de acero inoxidable Se realizaron
análisis electroquímicos para evaluar el desempeño de los electrodos, tanto en medios
abióticos como en presencia de cultivos microbianos mixtos tolerantes al oxígeno y
provenientes de ambientes marinos, como biocatalizadores.
Los parámetros electroquímicos obtenidos se asociaron a los mecanismos de
transporte de especies electroquímicamente activas, utilizando impedancia
electroquímica y voltametría cíclica. Se encontró que el desempeño de los materiales
estudiados, de más a menos favorable para ser utilizados como sustratos anódicos, es
el siguiente: barras de grafito con PAni > barras de acero con PAni > barras de grafito
sin PAni > nanofibras de carbono con PAni sobre barras de grafito > barras de acero
sin PAni, cuyos valores de densidad de corriente máxima en presencia microbiana
fueron 3.8 A/m2, 1.7 A/m2, 0.37 A/m2, 0.3 A/m2 y 0.2 A/m2, respectivamente.
La eficiencia coulómbica más favorable fue para el sistema de barras de grafito con
polianilina expuesto a condiciones bióticas y fue de 33%. Se demostró que el uso de la
polianilina sobre los electrodos en sinergia con la presencia de microorganismos
activos a nivel anódico facilita el transporte de especies electroquímicamente activas,
a través de la creación de un mayor número de sitios catalíticos. Ello hace posible el
incremento de la densidad de potencia y, de esta forma, los electrodos de grafito con
PAni muestran características favorables para ser utilizados en aplicaciones de alta
densidad de potencia en el contexto de las celdas de combustible microbiana en
contraste con sus análogos abióticos con y sin polianilina. Sin embargo, se precisa de
estudios más controlados para optimizar la producción de electrodos que conduzcan a
escalamientos exitosos.
16
1. Introducción
La sociedad está preocupada por limpiar sus tecnologías, sin embargo, ésta
debería —en vez— desarrollar y utilizar tecnologías limpias, que en principio no
causen problemas de contaminación ambiental. Esto es poco factible, ya que
predominan en nuestro planeta regiones invadidas de contaminantes, ya sea
en mayor o menor grado.
Los intereses políticos mundiales (que no pueden ser ignorados) ponen sus
esfuerzos en el desarrollo de energías alternativas, como uno de los grandes
pilares para alcanzar la sostenibilidad. Afortunadamente, para el campo de los
combustibles podemos pensar en alternativas que reemplacen las actuales
fuentes en uso. No así para el agua. El agua es un recurso vital y no hay
ninguna alternativa conocida que la reemplace. Entonces, considerando los
intereses políticos y vitales, una tecnología limpia ideal sería aquella capaz de
producir energía mediante un proceso no contaminante, al mismo tiempo que
permita la remediación del agua ya contaminada.
Las celdas de combustible microbianas son sistemas bioelectroquímicos que
permiten la oxidación de materia orgánica sobre un ánodo colonizado por
microorganismos, hasta CO2 y protones. Derivado de ello, se transfieren
electrones (mediante un circuito eléctrico externo al sistema) hasta un cátodo,
en el que se lleva a cabo la reducción del O2 para formar agua. De este modo,
esta tecnología limpia permite la remediación de agua en forma paralela a la
generación directa de electricidad, sin pasar por procesos de combustión.
17
Al día de hoy, la factibilidad técnica de estos sistemas ha sido probada; en
menor grado la económica. Pese a ello, en el mundo ya se han puesto en
marcha plantas piloto e industriales en donde las celdas de combustible
microbianas forman parte del proceso de tratamiento de aguas residuales. Un
desarrollo más completo se logrará cuando logren abatirse los costos de los
materiales anódicos, catódicos y separadores (membranas) que conforman el
sistema, manteniendo su eficiencia catalítica.
Los materiales anódicos son un aspecto clave en ello, puesto que su uso se
considera el factor limitante de la cinética del proceso. Es en este contexto que
la presente tesis tuvo como estrategia el desarrollo de nuevos materiales
anódicos que permitan incrementar la densidad de potencia con respecto a los
materiales clásicamente utilizados.
Los resultados obtenidos en el presente trabajo corroboran que utilizando
polímeros conductores como la polianilina se incrementan las propiedades
conductoras y catalíticas de los materiales utilizados como electrodos
comparados con sus análogos sin modificar. Los electrodos de grafito con
polianilina dieron mejores resultados que los de acero y los de grafito-
nanofibras de carbono con y sin polianilina en ausencia y presencia de
biopelículas anódicas, los cuales exhibieron una capacidad sinérgica notable
bajo condiciones bióticas para la producción de densidad de corriente de hasta
3.8 A/m2 con un área superficial de 7.461 cm2.
La tesis se encuentra dividida en 4 capítulos. El capitulo 1 presenta los
objetivos planteados. Posteriormente, en el capítulo 2 se abordan los
materiales y métodos, el capítulo 3 discute los resultados y señala algunas
observaciones. Finalmente, la sección cuarta presenta las conclusiones
derivadas del trabajo de investigación realizado.
18
2. Antecedentes
2.1. Alternativas biotecnológicas ante la crisis en ergética y la
contaminación del agua
La preservación del medio ambiente es una necesidad que exige hacer frente a
dos de las principales preocupaciones a escala global: i) la amenaza del
cambio climático y sus efectos, que se han relacionado directamente con el uso
indiscriminado de combustibles fósiles (Maier et al., 2006), y (ii) la
disponibilidad de agua limpia de fácil acceso (Oh, 2010).
Una de las principales acciones para reducir la dependencia existente en los
combustibles fósiles, consiste en el desarrollo de fuentes de energías
renovables que sean sustentables a largo plazo (Briggs, 2005, Panwar et al.,
2011). Es decir, aquellas prácticamente inagotables en relación al tiempo de
vida del hombre en los ecosistemas, Las energías renovables se encuentran
aun poco implementadas debido, principalmente, a restricciones tecnológicas y
políticas (Zerta et al., 2008, Buran et al., 2003, Siddiqui et al., 2010, Panwar et
al., 2011). Sin embargo, las ventajas asociadas al uso de estos tipos de
energía son principalmente que: i) ocasionan mínimo impacto al medio
ambiente, ii) los residuos que generan no son difíciles de tratar, además que no
generan gases contaminantes como lo hacen los combustibles fósiles, iii)
pueden operar como dispositivos autóctonos, reduciendo los problemas
asociados a la importación y se puede lograr una considerable disminución de
la dependencia energética, iv) los impactos que producen son despreciables o
de fácil minimización y al mismo tiempo generan puestos de trabajo en su
construcción, mantenimiento y explotación, lo que las convierte en un poderoso
instrumento para lograr desarrollo económico y tecnológico (Frers, 2010).
No obstante, el reto mas importante en el campo de energías renovables, es la
disminución de los costos asociados a su desarrollo; sin embargo, el
agotamiento progresivo de las fuentes convencionales de energía como los
yacimientos petroleros y el incremento del costo de la energía, van creando
áreas de oportunidad insatisfechas que las convierten en una realidad
19
inaplazable (Cooke et al., 2007, Briggs, 2005, Zerta et al., 2008, Buran et al.,
2003, Barcia et al., 2006, Panwar et al., 2011).
Los distintos tipos de bioenergía constituyen la fuente mas extendida para este
propósito. El término bioenergía denomina a la energía renovable que se
produce a partir de diversas fuentes biológicas (Mitchell, 2000, Srebotnjak et
al., 2011, Panwar et al., 2011), entre las que destacan: (i) la biomasa sólida,
que involucra la materia no fósil proveniente de sistemas biológicos, de la
agricultura y del procesamiento de alimentos, (Domínguez-Benetton et al.,
2010), así como el contenido orgánico biodegradable que se encuentra disuelto
en los efluentes residuales municipales e industriales (Sequeira et al., 2007,
Srebotnjak et al., 2011), (ii) la producción de biocombustibles líquidos, iii) el
biogás y los gases recuperables de los rellenos sanitarios, (iv) el biohidrógeno,
y (v) la bioelectrogénesis que se fundamenta en la generación directa de
energía eléctrica o combustibles a través del uso de sistemas biológicos o
partes de ellos (principalmente enzimas) en sistemas bio electroquímicos. En
estos últimos se convierten sustratos orgánicos hasta electrones exocelulares y
protones, los cuales pueden ser recuperados de forma directa para producir
energía eléctrica; además de agua y dióxido de carbono (Logan et al., 2006,
Clauwaert, 2008).
Por otra parte, tratamiento del agua, ya sea de una fuente fresca o residual,
depende primordialmente de la cantidad y del tipo de contaminantes disueltos
en ella. Un adecuado proceso de tratamiento generalmente consta de una serie
de métodos convencionales de desinfección, descontaminación y reducción de
contenido de sales, el cual se establece de acuerdo al uso final del agua
(Shannon et al., 2008). Estos métodos tradicionales incluyen operaciones
físico-químicas, procesos biológicos, procesos en plantas húmedas y de
tecnología robusta (EPA, 2008).
El tratamiento mediante procesos biológicos involucra sistemas compuestos
por microorganismos, donde los contaminantes de naturaleza orgánica se
reducen utilizando la actividad microbiana. En la actualidad son la forma de
tratamiento de preferencia por su rentabilidad en cuanto al consumo de energía
20
y los requerimientos de sustancias químicas tóxicas. Sin embargo, una de sus
mayores desventajas es el elevado requerimiento energético debido a los
dispositivos mecánicos utilizados para lograr una gran eficiencia (EPA, 2008).
La eficiencia de remoción y los costos asociados a los procesos de
descontaminación de agua, han impulsado cada vez más el desarrollo de
diversos dispositivos cuyo objetivo primordial es incrementar sus aplicaciones
prácticas en la gestión de los contaminantes del medio ambiente, bajo
esquemas de sustentabilidad. Entre estos sistemas destacan también los de
naturaleza bioelectroquímica, como las celdas de combustible microbianas
(Zeyaullah et al., 2009, Lovley, 2003, Nicolaou et al., 2010).
2.2. Sistemas bioelectroquímicos (SBEs)
Los SBEs son dispositivos capaces de utilizar el metabolismo biológico para
facilitar la generación de energía eléctrica, combustibles o químicos finos
(Schroder, 2007, Pant et al., 2011). Estos dispositivos son una prometedora
alternativa para la producción de formas no convencionales de energía útil, a
partir del tratamiento de aguas residuales o empleando una amplia gama de
materiales orgánicos; así como para la producción de sustancias químicas. La
clasificación de los SBEs se basa en el modo de operación y en el producto
final obtenido en cada tipo de celda (ver cuadro 1).
Cuadro 1. Tipos de sistemas bioelectroquímicos.
Tipos de SBEs Descripción Referencia
bibliográfica
Celda de
combustible
microbiana (CCM)
Se basa en el uso de la actividad
microbiana para generar electricidad a
partir de diferentes sustratos orgánicos.
(Schroder,
2007)
Celda de
electrólisis
Estos sistemas requieren suministro de
electricidad para llevar a cabo
(Schroder,
2007)
21
En el contexto de esta tesis, destacan las CCMs debido a su alto potencial para
reducir la carga de contaminantes de diferente naturaleza mientras se recupera
electricidad directa en forma sostenible. Aunque las densidades de potencia
que se obtienen con ellas son aún bajas, trabajar en su optimización es un reto
científico-tecnológico de actualidad y una prometedora alternativa en la
solución de dos problemas importantes a nivel mundial: i) la escasez de
combustibles fósiles y su impacto sobre el cambio climático, (ii) y la
disponibilidad de agua limpia de fácil acceso.
2.3. Celdas de combustible microbianas (CCMs)
Las CCMs representan un método alternativo e innovador para el tratamiento
de residuos orgánicos y para la generación de electricidad en forma directa y
renovable sin la necesidad de añadir sustancias químicas costosas y tóxicas, si
microbiana (CEM) reacciones electroquímicas, en las que
el principal producto es el H2.
Celda de
desalinación
microbiana (CDM)
Es una CCM modificada con la finalidad
de reducir el contenido de sales,
principalmente del agua de mar.
(Jacobson et
al., 2011)
Snorkel
electroquímico
microbiano (SEM)
Es básicamente una CCM en corto
circuito, donde no se genera electricidad
pero es posible un tratamiento
optimizado de aguas residuales.
(Erable et al.,
2011)
Celda de
electrosíntesis
microbiana
(CESM)
Su enfoque es la producción de
metabolitos secundarios a partir de la
energía eléctrica liberada de las
reacciones REDOX.
(Rabaey et al.,
2011)
CCMs = Celdas de combustible bioelectroquímicos
22
se emplean los microorganismos adecuados en el medio de trabajo (Rabaey et
al., 2005, Watanabe, 2008). Consisten en dispositivos electroquímicos
catalizados, que permiten la conversión directa de la energía química contenida
en los enlaces de la materia orgánica a electricidad, a través del potencial
oxidativo de algunos tipos de bacterias fermentativas o enzimas (Venkata et al.,
2008). Las bacterias utilizadas mineralizan compuestos orgánicos—conversión
hasta CO2 y agua—generando principalmente como productos aprovechables:
agua limpia y energía eléctrica (Rabaey et al., 2005). Los sustratos son
materiales biodegradables así como aguas residuales y desechos orgánicos de
las descargas municipales, industriales, agrícolas, entre otros (Clauwaert,
2008).
Las celdas de combustible microbianas como una alternativa para generar
energía, exhiben ventajas operacionales y funcionales por encima de los
dispositivos que encuentran disponibles hoy en día para generar energía
eléctrica a partir de compuestos biodegradables, entre las que se pueden
mencionar: i) las elevadas eficiencias obtenidas durante la conversión de la
materia orgánica a electricidad (por encima de 90%), ii) los adecuados niveles
de desempeño que los dispositivos pueden alcanzar a temperatura ambiente, a
diferencia de los procesos bioenergéticos existentes, iii) los gases de escape
no requieren de tratamientos adicionales, iv) en algunas aplicaciones no se
requiere de aireación mecánica, v) poseen un amplio potencial de aplicación
en los lugares donde no existe infraestructura eléctrica y mediante su uso es
posible ampliar la cartera energética para satisfacer las demandas actuales de
energía (Rabaey et al., 2005).
Sin embargo, las aplicaciones actuales de las CCMs en el mundo son limitadas
a causa de su bajo nivel de densidad de potencia (Benetton et al., 2010). Por
tanto, para que puedan darse las aplicaciones prácticas a grandes escalas será
necesario mejorar un gran número de factores limitantes, en relación a
aspectos de diseño, investigación y desarrollo (Franks et al., 2010).
23
2.3.1. Fundamentos y estado del arte
La investigación y desarrollo a nivel mundial en celdas de combustible
microbianas (CCMs) ha sido estimulada en los últimos años debido a las
necesidades energéticas actuales. Diversos grupos de investigación han
centrado sus trabajos en la generación de energía eléctrica e hidrógeno a
través de las CCMs, ya que éstas a diferencia de las celdas de combustible
convencionales pueden ser menos costosas para la producción de electricidad,
ya que no se precisa del uso de metales preciosos para lograr una operación
eficiente, además que permiten condiciones de operación más sencillas,
seguras y amigables con el medio ambiente; ya que no existe una generación
neta de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Sin embargo las
aplicaciones industriales están aún limitadas por las bajas densidades de
potencia de apenas unos cuantos miles de mW/m2 (Franks et al., 2010, Du et
al., 2007).
2.3.2. Microorganismos como electrocatalizadores
En la mayoría de los estudios de CCMs se han utilizado cepas puras, entre las
que Shewanella putrefaciens, Escherichia coli, Geobacter sulfurreducens y
Rhodoferax ferrireducens son las más comunes. Las dos últimas son
importantes debido a la eficiencia coulómbica (~98%) con que transfieren
electrones al ánodo, a partir de glucosa y acetato. Sin embargo, la eficiencia
coulómbica no siempre es un parámetro que implica una alta transferencia
energética y es necesario considerar también la densidad de potencia
generada. Estudios con cultivos mixtos y consorcios microbianos han sido
también utilizados, en los que se han obtenido eficiencias coulómbicas
comparables con las de los cultivos puros (~90%). Esos sistemas han
demostrado hasta 79% de recuperación de la energía contenida en los enlaces
de las moléculas orgánicas que sirven como fuente de carbono; sin embargo, ni
los cultivos mixtos ni los consorcios han logrado la recuperación de energía
eléctrica que se ha obtenido con Geobacter sulfurreducens (Rabaey et al.,
2005). Geobacter sulfurreducens puede producir una energía libre de -53 kJ
24
por mol de acetato oxidado, asumiendo que la conversión del acetato es
completa hasta CO2 y agua (Cord et al., 1998). La desventaja de trabajar con
Geoberacter sulfurreducens es que requiere condiciones de anaerobiosis
estricta, que son difíciles de mantener. Por ello, se ha optado por utilizar
consorcios microbianos o cultivos mixtos, entre los que las biopelículas marinas
aerotolerantes se consideran eficaces (Erable et al., 2010).
2.3.3. Tipos y configuraciones
Las CCMs pueden adoptar diversas configuraciones geométricas y funcionales
como de una cámara simple o de doble cámara, sistemas en serie, en paralelo,
entre otros. Los mismos sistemas pueden operar en modo continuo, por lotes o
en semi-continuo (Davis et al., 2007, Rabaey et al., 2005, Logan et al., 2006,
Clauwaert, 2008, Watanabe, 2008).
En un sistema de una sola cámara el oxígeno presente en el medio ambiente
es usado por lo general como aceptor de electrones, así mismo como
catalizador en la reducción del oxígeno por lo general se utiliza platino. Los
electrodos catódicos se colocan en el interior de una membrana que permite la
difusión de los protones desde la cámara anódica y al mismo tiempo debe ser
permeable al oxígeno. (Du et al., 2007). En una configuración de doble cámara,
ambos compartimentos están separados por una membrana de intercambio
catiónico (ver figura 1). La cámara anódica opera bajo condiciones anaerobias,
en tanto que el oxígeno se alimenta en la cámara catódica (Logan et al., 2006,
Du et al., 2007). Los arreglos en serie o paralelo o una combinación de ambos,
se emplean para para incrementar la densidad de potencia.
25
Figura 1. Disposición general de una CCM de doble cámara, en el
compartimiento anódico las bacterias dan lugar a reacciones oxidativas,
mientras en el compartimiento catódico pueden ocurrir procesos reductivos
químicos y microbianos Figura editada de la fuente. Fuente:(Rabaey et al.,
2005).
2.3.4. Naturaleza electroquímica y funcionamiento energético
Las CCMs son sistemas electroquímicos porque necesitan de dos electrodos,
un ánodo y un cátodo para que sea posible el transporte y la recuperación de
electricidad a través de un circuito externo (Ouitrakul et al., 2007), donde la
principal fuerza motriz en la generación de potencia (Watts), es la diferencia de
potencial (Volts) entre el ánodo y el cátodo, junto con la tasa de flujo de
electrones (Amperes).
En general, el potencial ideal de CCM o la fuerza electromotriz se puede
calcular por la ecuación de Nernst. La energía adquirida se denomina energía
libre de Gibbs (∆G) y puede ser calculada mediante la siguiente ecuación: ∆G
= -nFEemf, donde n es el número de electrones intercambiados, F es la
constante de Faraday (96,485C/mol) y Eemf es el potencial de equilibrio
termodinámico de celda (también referido como ∆E en volts), que define la
diferencia de potencial entre el donador y el aceptor de electrones (Rabaey et
al., 2005, Rozendal et al., 2008). No obstante, es importante considerar que la
26
eficiencia energética depende del tipo de bacteria utilizada y de la fuente de
carbono, además de las condiciones de operación de cada sistema (Liu et al.,
2007, Rabaey et al., 2005, Du et al., 2007, Rozendal et al., 2008).
2.3.5. Factores que impactan en el desempeño de las celdas de
combustible microbianas (CCMs)
El desempeño de una CCM depende de numerosos factores, principalmente
aquellos de naturaleza biológica y electroquímica (Rabaey et al., 2005). Entre
los aspectos fundamentales que impactan el desempeño global de las CCMs
se encuentran: (A) la arquitectura del sistema, ya que minimizando las
resistencias internas y los sobrepotenciales de los electrodos se puede
obtener una mayor densidad de potencia, (B) el uso de membranas de
intercambio protónico o catiónico y los materiales utilizados como electrodos,
ya que impactan directamente en la catálisis y en los costos de producción, por
lo que el desarrollo y uso de los materiales adecuados deberá tener un punto
de equilibrio costo-eficiencia, (C) la velocidad de la transferencia de electrones
de los procesos catabólicos al electrodo anódico y la conductividad interfacial,
(D) la tasa de conversión de los sustratos determinado por las reacciones y los
procesos catalizados por los sistemas microbianos que impactan en los
rendimientos energéticos alcanzados (Xing et al., 2009), (E) los aceptores
finales de electrones tanto en la cámara anódica como catódica, (F) la
velocidad de la transferencia de electrones del ánodo al cátodo, (G) el uso de
mediadores exógenos o biopelículas microbianas para mantener elevadas
velocidades en la transferencia de masa y electrones (Zhang et al., 2010,
HaoYu et al., 2007, Rabaey et al., 2005, Watanabe, 2008, Du et al., 2007).
Como se mencionó con anterioridad, la optimización de los consorcios
microbianos junto con un adecuado aceptor final de electrones en contacto con
las bacterias juegan un papel importante para mejorar las densidades de
potencia en una celda de combustible microbiana (Du et al., 2007). Muchos
autores coinciden en que uno de los principales factores limitantes es la
dificultad que existe en la transferencia de electrones en forma extracelular,
27
entre las células bacterianas y el electrodo (HaoYu et al., 2007, Rabaey et al.,
2005, Rozendal et al., 2008). Entonces resulta claro que la densidad de
potencia y la eficiencia global se ven significativamente afectadas por factores
de diferente naturaleza como la selección de los ánodos (Watanabe, 2008).
Por lo tanto, el uso de materiales con un alto rendimiento para la transferencia
de electrones es esencial, además es deseable que al mismo tiempo posean
una alta capacidad para el almacenamiento de energía, ya que especialmente
el tipo de material y estructura pueden afectar directamente el acoplamiento de
la biopelícula bacteriana, la transferencia de electrones, la oxidación del
sustrato y la recuperación de la energía disponible (Marinus et al., 2009,
Dumas, Claire et al., 2008).
2.3.6. Diferentes materiales como electrodos anódic os
En general se ha visto que la configuración geométrica y el material de los
electrodos anódicos impactan el metabolismo microbiano, desde la formación
de la biopelícula, hasta la oxidación directa de la fuente de carbono, así como
los mecanismos de transferencia de electrones. La superficie disponible del
ánodo y la distribución de los electrodos, son factores que junto con la
selección y diseño de materiales, afectan la resistencia de la celda y la
densidad de potencia que se genera. Además, una adecuada selección de los
electrodos en un sistema dado, puede disminuir los efectos de polarización e
impactar en el desempeño global (Marinus et al., 2009, Dumas, Claire et al.,
2008, Du et al., 2007).
Usualmente los diferentes tipos de materiales generan diferentes pérdidas y
una de las más significativas para el desempeño global son las pérdidas
debidas a la polarización por activación. Los electrodos que hasta ahora se han
utilizado son de platino (Pt), Pt-negro, grafito y tela de carbón toray, acero
inoxidable, principalmente. Los materiales con platino presentan una mayor
actividad catalítica y permiten obtener mayor densidad de corriente, pero sus
costos son muy elevados (Logan et al., 2006, Du et al., 2007). Diferentes
28
grupos de investigación han utilizado la modificación de electrodos como
estrategia para mejorar el costo y desempeño de las celdas de combustible
microbianas (Watanabe, 2008).
Hasta la fecha, los materiales fabricados a base de carbono, como la tela de
carbón, papel carbón, grafito, entre otros, se han empleado como electrodos en
la mayoría de las CCMs debido a su buena estabilidad en el inoculo
microbiano, a su alta conductividad eléctrica, a su baja toxicidad en el medio
ambiente y a su facilidad relativa de síntesis (Borole et al., 2009). No obstante,
éstos materiales poseen poca actividad electrocatalítica durante las reacciones
microbianas sobre el electrodo, por lo que la modificación de los materiales a
base de carbono ha sido una de las principales estrategias para mejorar el
rendimiento de las celdas de combustible microbianas. Algunos materiales
compositos de grafito que han sido utilizados incluyen metales y sus óxidos
(por ejemplo: Fe3+, Mn4+ Ni2+, Fe3O4, Fe3O4/Ni2+), polímeros conductores como
la polianilina sobre Pt, principalmente en los electrodos anódicos, cuya finalidad
ha sido facilitar la conducción de los electrones disponibles en el medio (Yuan
et al., 2011). El uso de mediadores electrónicos exógenos modificados (como
el colorante rojo neutro) también han sido utilizado en las modificaciones de
electrodos anódicos y se ha observado que la corriente eléctrica generada
aumenta cuando se incorporan los mediadores en los electrodos anódicos,
pero son muy tóxicos, a diferencia de los electrodos anódicos que se han
modificado con películas delgadas de polímeros conductores (Watanabe, 2008)
como la polianilina y el polipirrol, que debido a sus características funcionales,
resultan ideales para estás aplicaciones (Maser et al., 2008).
Los electrodos compositos con polianilina (PAni) exhiben una importante
disminución en la resistencia a la transferencia de carga (Rct), lo que se podría
traducirse en prometedores incrementos de las densidades de potencia y al
mismo tiempo en la factibilidad de fabricar ánodos económicos que permitan
escalar las celdas de combustible microbianas para aplicaciones prácticas. Sin
embargo resulta indispensable evaluar otros materiales de bajo costo, que
sean capaces de conducir importantes incrementos en el área superficial, para
29
facilitar la adhesión de las biopelículas microbianas que generan la electricidad
(Benetton et al., 2010).
Aunque el funcionamiento de una CCM depende de un sistema complejo de
parámetros, se ha establecido que las rutas y los mecanismos electroquímicos
durante la conversión energética determinan la densidad de potencia y la
energía de salida, siendo el mecanismo que regula la transferencia de
electrones desde las células microbianas al electrodo el factor clave, que
además de vincular los procesos microbiológicos con los electroquímicos,
define el límite teórico de la conversión energética en un sistema dado
(Schroder, 2007). Todo lo anterior nos señala la importancia del uso de un
adecuado electrodo para mejorar significativamente la transferencia de
electrones y se traduzca en rendimientos elevados de densidad de potencia,
durante la operación de una celda de combustible microbiana.
Algunos puntos a destacar durante este proceso son: (i) el material del
electrodo no debe ser toxico para los microorganismos, (ii) el material debe
poseer un elevado potencial en aplicaciones de larga duración, es decir,
exhibir estabilidad frente a los factores físicos y químicos en el medio de
trabajo, iii) su impedancia debe ser baja para prevenir el efecto de carga
cuando se conecta a un circuito externo y debe reducir las pérdidas de potencia
en el electrodo mismo, es decir, su conductividad debe ser alta, (iv) la
impedancia interfacial en la interfaz electrodo-solución también debe ser baja,
para incrementar la transferencia de electrones, lo que implica que el electrodo
no debe actuar como electrodo polarizado, y por último (v) desde un punto de
vista comercial deben ser económicos (Ouitrakul et al., 2007, Watanabe, 2008).
2.4. Métodos de análisis electroquímico
El desempeño de los electrodos esta influenciado por diversos factores, lo cual
se observa en los diferentes valores medidos de los siguientes parámetros: i) la
diferencia de potencial (∆V), ii) la densidad de corriente (A/m2) y iii) la densidad
de potencia (W/m2), expresados en relación al área superficial de los
30
electrodos empleados. El análisis de impedancia es frecuentemente utilizado
para describir las características de electrodos en sistemas electroquímicos
clásicos y su uso se ha extendido al estudio de las CCM (Loveday et al., 2004),
sin embargo, apenas cerca de 1% de las mas de 13,000 publicaciones en
CCMs hacen mención a su uso y análisis (Comunicación personal de la Dra.
Xochitl Domínguez Benetton). Otra herramienta de gran utilidad son las curvas
de polarización cíclicas que permiten obtener medidas del potencial y la
intensidad de las contribuciones, picos anódicos y catódicos. Aunque su uso ha
sido más extendido en el contexto de las CCMs, la obtención de dichas curvas
implica comprometer la estabilidad del sistema. Mediante los datos obtenidos
de los análisis electroquímicos, es posible explicar –hasta cierto grado– los
fenómenos que gobiernan el sistema estudiado.
2.4.1. Análisis de impedancia electroquímica
La espectroscopía de impedancia electroquímica es un método transigente que
se basa en la medición de una función de transferencia. La impedancia
(corriente alterna) se considera análoga a una resistencia (corriente directa) al
paso de la corriente eléctrica. En los sistemas electroquímicos, las impedancias
son dependientes de la frecuencia (Hz) de la señal aplicada. La frecuencia de
un sistema de corriente alterna se expresa en unidades denominadas Hertz
(Hz) o número de ciclos por segundo (s-1). Las magnitudes de la impedancia
son el resultado de la función de transferencia definida por una señal de
entrada y su respectiva señal de salida. En modo potenciostático, la señal de
entrada corresponde a un pequeño voltaje y la señal de salida es la medida del
desplazamiento del ángulo de fase y la amplitud de la corriente o tensión, para
cada frecuencia. El desarrollo matemático de esta técnica, permite describir la
impedancia de un sistema a través de números complejos, definidos por un
componente real y uno imaginario, asociados a la raíz cuadrada de -1. Sin
embargo, un espectro de impedancia considera diferentes parámetros como el
ángulo de fase, entre otros, a diferentes frecuencias. Los diagramas más
representativos son los diagramas complejos o de Nyquist y los diagramas de
31
Bode, tanto de fase, como los de magnitud de la impedancia e impedancia
imaginaria, contra las respectivas frecuencias en una escala logarítmica.
Figura 2. Diagrama complejo o de Nyquist.
Los diagramas de Nyquist (ver figura 2) permiten identificar directamente
algunas magnitudes de parámetros físicos asociados al sistema de estudio. Por
ejemplo, la resistencia óhmica (electrolito) se encuentra relacionada con la
intersección de la curva con el eje real del plano complejo en la zona de altas
frecuencias. La resistencia a la transferencia de carga, que no siempre puede
determinarse directamente, se relaciona con la doble capa eléctrica en la
interfase electrodo-electrolito, a bajas frecuencias. Los diagramas de Bode
muestran inflexiones correspondientes a frecuencias características del
sistema, que indican posibles fenómenos físicos predominantes y hacen
posible la determinación de parámetros que definen el efecto de pseudo-
capacitancias.
2.4.1.1. Circuitos eléctricos equivalentes
Los circuitos equivalentes son modelos representativos de las reacciones de
mayor influencia, al analizar la respuesta electroquímica obtenida en un
sistema. Estos modelos se diseñan mediante elementos análogos empleados
en los circuitos eléctricos, éstos incluyen elementos pasivos como resistores,
32
inductores, capacitores, así como elementos de difusión asociados a
fenómenos más complejos, entre otros (Domínguez-Benetton, 2007).
Este análisis permite determinar si un mecanismo propuesto o descripción del
sistema son válidos para representar los fenómenos que gobiernan las
reacciones en un sistema dado, simulando el comportamiento de las especies
electroactivas en el seno de la solución, en la interfase de la solución-electrodo
y en el electrodo de trabajo (Loveday et al., 2004). Aunque hay otras formas
más adecuadas de modelar la respuesta de impedancia de un sistema
electroquímico, como el desarrollo de modelos determinísticos o estocásticos,
se consideran fuera del alcance de la presente tesis por la complejidad que
implican.
2.4.2. Voltametría cíclica
Es una técnica que permite evaluar, asociar y establecer un mecanismo
electroquímico y al mismo tiempo caracterizar superficies in situ, lo que la
convierte en una técnica recurrente para caracterizar materiales. Los datos
registrados corresponden a un espectro electroquímico de superficie, que se
obtiene cuando se fija el potencial en un valor constante o se establece en
régimen dinámico, el barrido de potencial establecido ocasiona cambios de
energía en la superficie del electrodo de trabajo, medibles como corriente en
función del tiempo o del potencial mismo (ver figura 3). Las mediciones de
estos cambios producen picos ( i�� , i�� ) que se interpretan ya sea como
reacciones de óxido-reducción o de adsorción-desorción.
La información que esta técnica puede proporcionar cuando se trabaja con
curvas (corriente (i) contra potencial (E)) de sistemas reversibles, se basa en el
análisis de tres características de los esquemas trazados: i) la altura de la
curva, donde la aparición de una meseta indica que el sistema esta gobernado
por mecanismos relacionados con la transferencia de masa y es de utilidad
para determinar cualquier parámetro en sistemas no complejos, como la
concentración de las especies electroquímicamente activas en la superficie del
33
electrodo, ii) la forma de la curva, que resulta útil para obtener propiedades
termodinámicas debido a la dependencia que existe entre la energía libre y la
extensión de la reacción en el equilibrio termodinámico bajo las condiciones de
trabajo dadas, entre éstas propiedades podemos mencionar el potencial
estándar, la magnitud de la energía libre de la reacción y las contantes de
equilibrio, y iii) la posición de la curva, cuyo análisis es esencial cuando se
precisa verificar la existencia de reversibilidad en un sistema dado. El
parámetro cuantitativo a evaluar es el valor del potencial de semireacción (E1/2)
definido por la ecuación de Nernst. También existen algunas características
cualitativas que están asociadas a la reversibilidad y a fenómenos difusivos.
Por ejemplo, cuando existen cambios en la magnitud del pico de corriente
máximo es posible asociar fenómenos de concentración en la superficie del
electrodo, indicando la presencia de fenómenos difusivos, donde el espesor de
la capa de difusión será proporcional al potencial de la velocidad de barrido
utilizada, siendo el espesor de la capa de difusión mas grande a bajos
potenciales de barrido que en los de mayor velocidad, cabe hacer notar que las
corrientes máximas de cada curva suceden en un mismo valor de potencial,
considerada una característica específica de las reacciones de electrodo en el
sistema dado. Otra situación es el desplazamiento de las curvas en dirección al
eje de las magnitudes de voltaje, ocasionando que los valores máximos de
corriente registrados disminuyan a una tasa constante, este comportamiento
permite asumir que no se alcanzan condiciones de equilibrio bajo las
condiciones de estudio. Este fenómeno ocurre porque la corriente necesita un
intervalo mayor de tiempo para responder, que en los casos reversibles (Bard
et al., 2001, Zhao et al., 2009).
En los sistemas electroquímicos reversibles (ver figura 3a) los voltagramas
exhiben características bien definidas y algunas de ellas pueden explicarse
mediante ecuaciones matemáticas que identifican a dicho sistema como si
fuera una “huella digital” (ver cuadro 2). El análisis de los voltagramas puede
proporcionar información útil que permiten explicar los fenómenos limitantes en
los sistemas de estudio y en general, el estudio de la posición de los picos en
función de la velocidad de barrido, proporciona una aproximación de los valores
34
de las constantes de la velocidad durante la transferencia de electrones (Bard
et al., 2001).
Figura 3. Esquemas típicos de un voltagrama cíclico para diferentes sistemas,
(a) corresponde a una sola reacción reversible, (b) la transferencia de
electrones en el sistema reversible esta influenciado por fenómenos difusivos y
(c) corresponde a una reacción cuasi-reversible. Figura tomada y modificada de
la fuente. Fuente:Cartage.org.lb.
Cuadro 2. Características definidas para reacciones reversibles en los
voltagramas cíclicos.
Característica Ecuación
I) El intervalo del voltaje entre los picos de corriente. ∆E E�� E�
�
59
nmV
II) La posición de los picos de voltaje no es una función
35
2.5. Estrategias espectrofotométricas
2.5.1. Difracción de rayos-X (DRX)
Es una herramienta que permite la identificación “inequívoca” de pigmentos
inorgánicos en forma cristalina en muestras muy pequeñas. Con esta técnica
se busca la identificación de la estructura cristalina de los materiales y de la
concentración de un elementos de interés en las muestras. Los rayos-X son
difractados (dispersados) o reflectados de una manera determinada según la
estructura cristalina del material. Los ángulos y la intensidad de las difracciones
y reflexiones se interpretan por comparación con una base de datos de
referencia. La cristalinidad e identificación de las fases pertenecientes a los
sólidos sintetizados se observan con la ayuda de un difractómetro de rayos
(Connolly, 2007).
2.5.2. Espectroscopía de infrarrojo
La espectrometría de infrarrojos, es un tipo de espectrometría de absorción que
emplea la región infrarroja del espectro magnético. Los espectros se obtienen
haciendo incidir un haz de luz infrarroja el cual es dividido en dos rayos, uno
atraviesa la muestra y la otra pasa por una referencia que suele ser la
sustancia en que esta contenida la muestra. Las señales son comparadas y se
registran los datos. La naturaleza de la técnica permite identificar las sustancias
presentes así como la composición de las mismas. Esta técnica resulta de
de la velocidad de barrido.
III) La relación entre los picos de corriente es igual a la
unidad.
i��
i�� 1
IV) Los picos de corriente son proporcionales a la raíz
cuadrada de la velocidad de barrido.
i�� , i�
� ∝ √V
36
interés en el análisis de los moldes nanoestructurados de sílice utilizados en la
síntesis de nanofibras de carbono (ESPECTROMETRIA, 2007).
2.6. Estrategias microbiológicas
2.6.1. Método espectrométrico de McFarland
El cálculo del número de células que existen en un medio de cultivo de trabajo
se puede llevar cabo mediante el recuento de masa celular (microscopía,
número de colonias, peso seco, medida del nitrógeno celular, turbidimetría,
entre otros) o por actividad celular (debido al nivel de actividad bioquímico de
las células en relación al tamaño de la población). No obstante los métodos de
dispersión de luz, como la turbidimetría, son las técnicas más utilizadas para
monitorear el crecimiento de cultivos bacterianos. Uno de los métodos
turbidimétricos más utilizados para la estimación del número de
microorganismos totales o el número de microorganismos viables en la
suspensión bacteriana es el método de McFarland, se realiza comparando una
muestra de trabajo contra un estándar. Este método es de especial utilidad
cuando se requiere minimizar la toma de muestras y, por tanto, la perdida de
volumen en el sistema, o bien cuando se emplean microorganismos anaerobios
cuyo recuento por otros métodos se dificulta o se hace exhaustivo.
El primer paso consiste en preparar las soluciones patrón y seguidamente se
debe construir una curva estándar. Los patrones se preparan mezclando una
solución de ácido sulfúrico (H2SO4) a 1% con una solución de cloruro de bario
(BaCl2.2H2O) a 1.175%. El blanco utilizado para la curva estándar por lo
general es agua destilada (Torres-Bautista, 2010).
2.6.2. Demanda Química de Oxígeno (DQO)
El método de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) se emplea para
monitorear la cantidad de sustrato orgánico contenido en el medio de trabajo
que se consume en los sistemas biocatalizados y es factible de asociar a la
generación de densidad de potencia (Franks et al., 2010), de acuerdo al
37
método descrito por la norma mexicana(NMX-AA-030-SCFI-2001, 2001) (ver la
sección 8 de los anexos).
39
3. Objetivos
3.1. Objetivo general
• Evaluar el desempeño electroquímico de nuevos materiales anódicos en
celdas de combustible microbianas, capaces de generar una densidad de
corriente superior a 3.6 A/m2.
3.2. Objetivos particulares
• Fabricar materiales anódicos de grafito, acero inoxidable, nanofibras de
carbono y sus análogos modificados con el polímero conductor polianilina.
• Analizar el desempeño electroquímico de materiales anódicos con
polianilina.
• Analizar el desempeño electroquímico de materiales anódicos
incorporando nanofibras de carbono.
• Analizar las características morfológicas de los diversos materiales
anódicos con y sin polianilina.
• Determinar el electrodo con mejores características funcionales de
acuerdo a la densidad de potencia generada en las CCMs.
41
4. Materiales y métodos
La investigación se realizó en el Laboratorio de Biotecnología de la Facultad de
Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Yucatán. Parte de la
investigación se realizó en el Laboratorio de Catálisis del Instituto Mexicano del
Petróleo.
4.1. Estrategia general de trabajo
Las mediciones experimentales se dividieron en dos lotes, uno utilizando
sistemas bióticos y el otro compuesto de sistemas abióticos. En ambos lotes se
probaron materiales con y sin modificaciones como electrodos. Las
modificaciones consistieron en aplicar un recubrimiento de un polímero
conductor. Estas diferencias tuvieron por objeto mostrar las ventajas
funcionales que confiere el uso de polímeros conductores en la densidad de
potencia generada, en un sistema bioelectroquímico, frente a los análogos sin
modificar y por otro lado evaluar el efecto sinérgico que se logra ante la
presencia de biocatalizadores.
Cuadro 3. Matriz experimental
G: barras de grafito sólido
FA: nanofibras de carbono
BA: barras de acero inoxidable 316L
Básicamente se fabricaron seis tipos de electrodos de: grafito sólido con y sin
polianilina (G), grafito modificado con nanofibras de carbono con y sin
polianilina (FA) y un par a base de acero inoxidable con y sin polianilina (BA).
Sistemas abióticos Sistemas bióticos
G G G G
FA FA FA FA
BA BA BA BA
42
Todos los sistemas fueron evaluados con las mismas técnicas para medir su
desempeño en relación a la densidad de potencia de salida en una CCM.
4.2. Recolección y tratamiento de las muestras micr obianas
Para evaluar la utilidad de los materiales fabricados, se desarrollaron
biopelículas microbianas aerotolerantes sobre las superficies de los electrodos.
Las muestras para formarlas, se tomaron de biopelículas naturales del medio
marino, en el embarcadero del puerto de Telchac, Yucatán, México. Las
muestras se almacenaron en botes de vidrio de 100 ml, limpios y estériles
usando una espátula para raspar e introducir aproximadamente 50 ml de
biomasa y 50 ml de agua de mar. Las muestras fueron almacenadas en frío
(aproximadamente 4°C) hasta llegar al laboratorio p ara su tratamiento.
Posteriormente, las muestras fueron almacenadas en matraces Erlenmeyer de
250 ml que contenían 100 ml de agua de mar estéril enriquecida con acetato
hasta una concentración de 10 mM, durante un periodo de tres días a
temperatura ambiente (aproximadamente 26°C), las pr imeras 24 horas se
mantuvieron condiciones de agitación (125 rpm). El agua de mar utilizado en
los experimentos fue tomado del mismo lugar que las muestras.
4.3. Medio de cultivo para las biopelículas marinas
Se utilizó como medio de cultivo agua de mar estéril (autoclaveada a 121°C, 15
lb/in2, 15 min.), enriquecida con acetato de sodio hasta una concentración final
de 10 mM, a un pH de 8.08±0.08.
4.4. Inoculos
Las celdas se inocularon a 10% v/v con las muestras previamente tratadas y
cultivadas (ver sección 4.2), tomando cuidadosamente el volumen adecuado
con una probeta volumétrica bajo condiciones estériles.
43
4.5. Determinación de la cantidad de biomasa
Una estimación del número de células que existen en el medio de cultivo se
obtuvo mediante el recuento de masa celular turbidimétrico. La estimación del
número de microorganismos totales o el número de microorganismos viables
en la suspensión bacteriana se realizó comparando la muestra contra un
estándar de McFarland. El primer paso consistió en preparar las soluciones
patrón y seguidamente se construyó la curva estándar (ver cuadro 4). Los
patrones se prepararon mezclando una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) a
1% con una solución de cloruro de bario (BaCl2.2H2O) a 1.175%. El blanco
utilizado para la curva estándar fue agua destilada y se realizaron correcciones
para el medio de trabajo.
Cuadro 4. Soluciones para la curva estándar de McFarland
Número
de McFarland
BaCl2
a 1.175%
H2SO4
a 1%
UFC/ml
(1x 108)
0.50 0.050 9.950 1.5 0.75 0.075 9.925 2.25
1 0.1 9.9 3
2 0.2 9.8 6
3 0.3 9.7 9
4 0.4 9.6 12
6 0.6 9.4 18
7 0.7 9.3 21
8 0.8 9.2 24
10 1 9.0 30
Para determinar las absorbancias de los diferentes números de McFarland, se
utilizó un espectrofotómetro a una longitud de onda de 600nm, los valores se
tabularon y se construyó una gráfica de las absorbancias contra los números
de McFarland (ver figura 4), una vez establecidas las relaciones entre los
patrones, los números de McFarland y las absorbancias, se relacionaron con
las absorbancias de los cultivos celulares estudiados y se calcularon las
concentraciones microbianas de cada sistema de trabajo realizando una
44
interpolación de las lecturas espectrofotométricas en la curva de calibración
(Torres-Bautista, 2010).
Figura 4. Curva de calibración experimental para la aplicación del método de
McFarland.
Finalmente se realizaron las interpolaciones correspondientes, y se calculó el
parámetro UFC/ml asociado a la densidad microbiana.
4.6. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO)
Este método consistió en el tratamiento de las muestras de los sistemas
estudiados, para lograr la oxidación de la materia orgánica presente, utilizando
un oxidante fuerte, el dicromato de potasio en medio ácido (H2SO4). La
valoración cuantitativa se llevó a cabo mediante un método colorimétrico,
realizando mediciones de absorbancia en el espectro de luz visible, a 600 nm.
Se optó por realizar las lecturas a altas concentraciones debido a un barrido
previo para determinar el rango de DQO de las muestras. Previamente se
prepararon soluciones patrón de acuerdo a la norma NMX-AA-030-SCFI-2001 y
se realizó una curva de calibración para la interpolación de las lecturas de las
45
muestras. Así mismo, durante el tratamiento de las muestras se realizaron
correcciones para el medio de trabajo determinado.
4.6.1. Tratamiento, limpieza y preparación de los t ubos de digestión
Los viales digestores fueron de boro-silicato con recubrimiento de teflón (marca
HACH), con tapas resistentes a la temperatura. Todos los tubos fueron lavados
con una solución de H2SO4 al 20%, se enjuagaron con agua destilada, y se
verificó que estuvieren completamente secos antes de agregar las soluciones
patrón. Una vez limpios y secos, a cada tubo se agregaron 3.5 ml de solución
catalítica, 1.5 ml de solución digestora A (ver anexo 8.1.2), y se guardaron de la
luz (NMX-AA-030-SCFI-2001, 2001).
4.6.2. Preparación de la curva de calibración
La curva se construyó utilizando 5 diluciones de la solución patrón primario de
biftalato de potasio, con equivalentes de DQO en un rango de 100-900 mg O2/l,
para altas concentraciones (ver anexos). Los tubos se lavaron con una solución
de ácido sulfúrico al 20% y se secaron cuidadosamente. Después se agregó a
cada tubo 3.5 ml de solución catalítica, 1.5 ml de solución digestora A (ver
anexo 8.1.2) y 2.5 ml de biftalato de potasio, seguidamente se realizó la
digestión de las diluciones en un reactor de digestión HACH, durante 2 horas.
Los viales se enfriaron a temperatura ambiente y posterior se construyó la
curva de equivalentes de DQO contra las absorbancias. La curva se realizó por
triplicado, obteniéndose una correlación de 0.99 (ver figura 5).
46
Figura 5. Curva de calibración experimental para la cuantificación de la
demanda química de oxígeno (DQO).
4.6.3. Tratamiento, preservación y almacenamiento d e las muestras
Las muestras se trataron para su análisis inmediatamente después de
haberlas tomado, agregando 2.5 ml de una disolución de la misma a un tubo de
reacción previamente preparado (sección 4.6.1), se homogenizó cada vial
digestor con la muestra haciendo inversiones con mucha precaución en
repetidas ocasiones, destapando el tubo después de cada inversión para evitar
sobrepresiones. Seguidamente fueron llevados a digestión en una placa de
calentamiento con horadaciones para los tubos (previamente precalentada) a
una temperatura de 150°C durante dos horas. En oca siones las muestras no
digeridas o tratadas de inmediato se mantenían en refrigeración a 4°C,
agregándoles H2SO4.
4.7. Preparación de los electrodos
Los electrodos fabricados fueron los siguientes materiales: 1) barras de acero
inoxidable 316 recubiertas con PAni y sin PAni, 2) barras de grafito modificadas
47
con nanofibras de carbono recubiertas con PAni y sin PAni, 3) grafito y grafito
recubierto con PAni.
4.7.1. Preparación de la solución polimérica de pol ianilina (PAni)
La obtención de la solución polimérica de los recubrimientos de polianilina
(PAni), en la fase conductora emeraldina, se realizó utilizando la siguiente
metodología que garantiza la formación de la fase de interés. Primero se
disolvieron las gotas de 0.4 ml de monómeros de anilina (99.7%, J.T. Baker) en
30ml de una solución de ácido clorhídrico (HCl, 0.2 M) a temperatura de
laboratorio. Para iniciar la polimerización se agregó a la disolución anterior, 60
ml de persulfato de potasio (K2S2O8, 0.1 M) y se esperaba un tiempo
aproximado de 3 minutos antes que inciara la aparición de las trazas de
polianilina, lo cual se apreciaba mediante el cambio de coloración de la
solución.
4.7.2. Preparación de los electrodos compositos con polianilina
Los recubrimientos de polianilina (PAni) sobre los distintos materiales de
soporte se realizaron por inmersión de los electrodos durante un periodo de 1
hora en la solución polimérica previamente descrita. Los electrodos fueron
introducidos en una solución acuosa de HCl (2 M), inmediamente transcurrido
el tiempo de deposición. Finalmente, se lavaron con agua destilada y se
colocaron en una mufla a 70°C para eliminar la hume dad y se mantuvieron en
un desecador hasta su uso. Se obtuvieron películas verdosas sobre los
materiales.
4.7.3. Preparación de los electrodos compositos gra fito/nanofibras de
carbono (CNTs)/polianilina (PAni)
Los electrodos compositos de CNTs/PAni se prepararon en tres pasos: i)
primero se preparó una matriz polimérica para dispersar las nanofibras de
carbono de polimetilmetracrilato en tetrahidrofurano al 6% p/v. El
48
polimetilmetacrilato (PMMA, 100%) se disolvió en tetrahidrofurano (THF, 99%,
Sigma Aldrich), durante aproximadamente 48 horas, hasta disolución completa.
Posteriormente, en la solución homogénea de polimetilmetacrilato-
tetrahidrofurano (PMMA/THF, 6% p/v) se dispersaron nanofibras de carbono
(CNTs) al 1% en peso y la solución obtenida se agitó en un vortex hasta
obtener una solución coloidal homogénea, del proceso anterior se obtuvo una
solución de PMMA/THF/nanofibras de carbono, ii) seguidamente los electrodos
se recubrieron por inmersión en la solución PMMA/THF/nanofibras de carbono
aproximadamente durante un minuto, cuidando que no se formaran burbujas, y
se llevaron a una estufa a 65°C durante 24 horas an tes de la inmersión en la
solución polimérica de polianilina para eliminar el solvente de los materiales, iii)
finalmente se recubrieron con películas de polianilina (ver sección 4.7.1) y se
guardaron en un desecador hasta su uso. Esta metodología se basó en lo
reportado en la literatura y a la disponibilidad de materia prima económica en el
laboratorio de trabajo (Xie et al., 2005).
4.8. Preparación de la celda electroquímica para ev aluar el desempeño
de los electrodos y el efecto de biopelículas mari nas
Las mediciones experimentales se llevaron a cabo en un reactor electroquímico
de 650 ml utilizando un arreglo de tres electrodos (figura 6). Los reactores
fueron previamente lavados, sellados y esterilizados antes de cada medición.
Los sistemas se llenaron 530 ml de medio estéril y fueron inoculados al 10%
v/v con muestras tratadas provenientes de biopelículas marinas. El electrodo
de trabajo fue un electrodo composito, como electrodo de referencia se utilizó
un electrodo de plata-cloruro de plata (Ag/AgCl) y el contraelectrodo consistió
en un electrodo de punta de platino (Pt-95%/Au-5%). Previo a cada medición
los electrodos se limpiaron cuidadosamente (Faimali et al., 2010, Xu et al.,
2010, Dumas et al., 2007).
49
Figura 6. Reactor utilizado en las mediciones electroquímicas utilizando
biopelículas marinas, para la evaluación de la producción de densidad de
potencia.
4.9. Caracterización electroquímica
La caracterización electroquímica, se llevó a cabo mediante el uso de la
interfaz Voltalab 80 (ver figura 7). Las mediciones electroquímicas se realizaron
en diferentes tiempos de operación del sistema: 9, 24, 48, y 72 horas tanto para
los sistemas bióticos como abióticos. El empleo de diferentes métodos
electroquímicos permitió obtener diferentes espectros útiles en el análisis del
desempeño de los ánodos ya que permiten elucidar los fenómenos limitantes
en la interfase electrodo- solución. Los métodos empleados fueron: i) potencial
a circuito abierto, ii) cronoamperometría, iii) espectroscopía de impedancia
electroquímica y iv) voltametría cíclica. Es importante tener en cuenta que los
métodos electroquímicos fueron empleados de acuerdo a los fenómenos
establecidos como relevantes y de interés para este estudio.
50
Figura 7. Interfaz del potenciostato Voltalab 80 a través del cual es posible
seleccionar los diferentes métodos de espectroscopía de impedancia
electroquímica.
Previo a cada análisis electroquímico, se observó la estabilización del potencial
a circuito abierto (OCP), durante un periodo de 60 minutos, las lecturas se
realizaron de 1 punto por segundo, las cuales estuvieron espaciadas de
acuerdo con el comportamiento de la cinética microbiana particular del sistema
y se trabajó de acuerdo al potencial de circuito abierto para promover la
formación de biopelículas. Todas las mediciones electroquímicas se llevaron a
cabo a temperatura de laboratorio.
4.9.1. Análisis por espectroscopía de impedancia e lectroquímica (EIE)
Las mediciones de espectroscopía de impedancia electroquímica se realizaron
aplicando un potencial alterno de baja amplitud (10 mV) en un intervalo de
frecuencias de 100 kHz - 10 mHz, tomando logaritmos cada 5 puntos por
década (Domínguez-Benetton, 2007). Antes de grabar los puntos de las
lecturas, el software realizó cinco repeticiones para el mismo valor e integró los
últimos. El análisis cualitativo y cuantitativo tanto de los diagramas complejos
como de los diagramas del módulo de la impedancia permiten tener una idea
51
de los mecanismos y fenómenos limitantes asociados a un determinado
sistema mediante los valores de parámetros significativos. Por ejemplo, en el
caso de la presencia de respuestas descritas por un semicírculo perfecto la
impedancia puede relacionarse con un proceso simple controlado por
activación y el valor de la resistencia de la solución puede aproximarse al del
intercepto de la curva compleja con el eje real. Sin embargo, cuando este
diagrama no corresponde a un semicírculo perfecto el sistema requerirá de un
modelo más detallado para explicar el comportamiento. Las representaciones
del módulo de impedancia resultan de mucha utilidad en esos casos para
aproximar el valor de la resistencia del electrolito, el cual se asocia al del
módulo de la impedancia, a medida que las frecuencias tienden al infinito
(Orazem et al., 2006). El comportamiento capacitivo y su valor se asociaron
trazando y analizando los diagramas de Bode.
4.9.2. Análisis mediante voltametría cíclica (CV)
Las curvas de voltametría cíclica se llevaron a cabo imponiendo un potencial
eléctrico variable entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia,
generando el paso de una corriente entre el electrodo de trabajo y el contra-
electrodo. Antes de activar el registro del barrido cíclico se realizaron
mediciones de estabilización de potencial a circuito abierto. Las condiciones de
barrido fueron un rango de potencial de -700 mV a 300 mV, con una rampa
de barrido de 20 mV/s recorriendo 3 ciclos.
Estas mediciones permitieron evaluar si los mecanismos de las reacciones de
oxidación–reducción tienen lugar en la interfaz entre los electrodos e involucran
transferencia directa o indirecta de electrones. Para monitorear el efecto de los
electrodos fabricados con y sin polianilina, se empleó un sistema abiótico, es
decir, sin inóculo microbiano, además de un sistema biótico para observar el
efecto de las bacterias como biocatalizadores, en la producción de densidad de
potencia (Zhao et al., 2009).
52
4.9.3. Análisis de la impedancia electroquímica med iante circuitos
equivalentes
Los ajustes de los espectros de impedancia electroquímica, se realizaron
mediante circuitos equivalentes, usando el programa EC-Lab. Los espectros
registrados resultaron de utilidad para el cálculo de parámetros significativos en
cada sistema electroquímico, como son los valores de capacitancia, resistencia
del electrolito, así como para establecer los fenómenos que gobiernan el
comportamiento de cada sistema y al mismo tiempo verificar si existen
diferencias significativas entre los sistemas estudiados. El circuito equivalente
con mejor rango de ajuste, se seleccionó mediante un análisis de sensibilidad y
de los valores de los parámetros estadísticos en un rango de 1E-3 (ver figura
8). Cabe mencionar que fue de suma importancia un análisis gráfico previo de
los diagramas complejos y de los diagramas de Bode con el objeto de obtener
adecuados valores iniciales para los ajustes de los parámetros que describen
a los modelos propuestos, para cada sistema estudiado. Fijando los
parámetros obtenidos con el método grafico, los parámetros restantes se
obtuvieron inicialmente mediante aleatorización (10000 iteraciones), seguida
del método simplex (10000 iteraciones).
Resultados preliminares obtenidos de los modelos teóricos propuestos,
sugirieron que el recubrimiento sobre el electrodo (PAni) daba como respuesta
un comportamiento que podría deberse a la degradación de la película con el
tiempo y a la presencia de películas bacterianas en los electrodos. Ello condujo
a realizar consideraciones importantes en el desarrollo del modelo
representado por un circuito eléctrico equivalente (CEE). El modelo considera
la existencia de una resistencia inherente al medio líquido de inmersión
(Rohm), una doble capa capacitiva en la interfase del electrodo de trabajo-
electrolito (CPE1) y un efecto debido a la resistencia iónica de transferencia de
carga o a la polarización (Rpolz) así como el efecto capacitivo asociado al
recubrimiento (CPE2/Rct) (figura 8), además de la posible existencia de
fenómenos de difusión de las especies electro-activas a través del espesor del
recubrimiento hasta el soporte de grafito y cambios en el valor de la
53
capacitancia del recubrimiento debido a la absorción de ciertas especies a
través de los poros así como los efectos debido a cambios en la porosidad del
recubrimiento (Loveday et al., 2004).
Figura 8. Circuito eléctrico equivalente (CEE).
4.10. Determinación de la diferencia de potencial (mV) y de las densidad
de corriente (A/m 2) en los sistemas de estudio
La caracterización eléctrica se realizó utilizando un multímetro de alta
impedancia (marca Fluke), con la finalidad de monitorear los cambios en el
tiempo del voltaje generado en cada sistema de estudio, durante un periodo de
72 horas, así fue posible obtener las magnitudes del voltaje y de la densidad
de corriente generada en cada sistema. Las lecturas de potencial se registraron
en una computadora cada 15 minutos. Las densidades de potencia se
calcularon en mW/m2 a partir de la ecuación DP=VI/a, en donde DP se refiere
a la densidad de potencia, V al voltaje (mV), I a la corriente (mA) y “a” al área
del ánodo en metros cuadrados (Logan et al., 2006). Adicionalmente se
realizaron mediciones de impedancia electroquímica, descritas en secciones
anteriores.
4.11. Tratamiento estadístico para los resultados a nalíticos
Para determinar la variación de los parámetros medidos durante el tiempo de
ensayo de cada sistema se realizaron análisis de varianza con el estadístico de
54
prueba chi cuadrada, estos valores fueron calculados por el software de trabajo
durante cada medición electroquímica (alfa menor o igual a 5%).
4.12. Tratamiento para los resultados espectroscópi cos
4.12.1. Difracción de rayos-X (DRX)
El método empleado fue el de polvos reduciendo el tamaño de las partículas
del material mediante molienda. Las muestras y los electrodos se colocaron en
el porta-muestras exponiéndose al haz de rayos X a una velocidad de barrido
de 0.5 °/min y un incremento de 0.1. Las muestras s e analizaron en ángulos
desde 0.1 hasta 10° en la escala de 2 theta. Este m étodo se basa en la
identificación de fases cristalinas. El equipo utilizado fue un difractómetro de
rayos X modelo D800 Avance, marca BROKER AXS con una fuente de
excitación de rayos X de Cuα obtenida a 35 KV y 25 mA.
4.12.2. Espectroscopía de infrarrojo (IR)
Las muestras se empastillaron y analizaron por FTIR utilizando la técnica de
reflectancia difusa. El equipo utilizado es un espectrofotómetro Nicolet FTIR
Magna 560 con resolución de 4 cm-1, 50 barridos y baja velocidad del
modulador.
56
5. Resultados y discusiones
5.1. Medición de la densidad de corriente
Los sistemas se evaluaron a temperatura de laboratorio, aproximadamente a
26±2°C, durante un periodo total de 72 horas. El mo do de operación de los
reactores electroquímicos fue en lote alimentado, donde cada 8 horas se
añadieron 10 ml de medio fresco, para cada caso.
Los electrodos en un sistema electroquímico afectan las propiedades de la
interfaz y juegan un papel fundamental en la transferencia de especies
electroactivas. La figura 9 muestra las curvas obtenidas de densidad de
corriente en media celda, cuyo desempeño está asociado al conjunto sinérgico
compuesto por el tipo de material utilizado como electrodo de trabajo y a la
actividad bioelectrocatalítica de las especies microbianas en el medio. Se ha
visto que los microorganismos degradan el acetato sobre electrodos de
acuerdo a la siguiente ecuación (Xu et al., 2010, Liu et al., 2010):
������� ����
�������� !�"��"#$$$$$$$$$$$$%2��� � 7�( � 8*�
En el mismo diagrama (ver figura 9) es posible apreciar que a excepción del
sistema de grafito con polianilina, que exhibe un máximo en su curva desde el
inicio, la generación de densidad de corriente exhibe dos periodos de tiempo
característicos -el primero entre las 12 y 22h y el segundo entre las 40 y 48
horas- donde las magnitudes se incrementan indicando la interacción directa de
microorganismos electroquímicamente activos; especialmente, los electrodos
modificados con polianilina incrementan la densidad de potencia. Las
densidades de corriente máximas se obtuvieron al utilizar ánodos de grafito
sólido con recubrimientos de polianilina, cuyo valor fue de 3.8 A/m2. No
obstante, que la figura 9 muestra un valor de hasta 8 A/m2 para el sistema
mencionado, se prefirió tomar el valor máximo después del segundo pico de
densidad de corriente para evitar una sobreinterpretación de los resultados,
debido a que el comportamiento observado no es similar a lo convencional, lo
cual pudiera explicarse a un acoplamiento particular del sistema en las
57
condiciones de trabajo, pero se justifican las densidades elevadas alcanzadas,
en los tiempos de arranque. Las perturbaciones que se observan en el
comportamiento de las curvas son debidas a la manipulación de los electrodos
durante el muestreo, realimentación de medio fresco y a las variaciones en el
potencial debidas a las mediciones electroquímicas realizadas.
Figura 9. Diagramas de densidad de corriente biocatalítica de un cultivo
microbiano mixto proveniente de ambientes marinos, utilizando como medio de
cultivo agua de mar enriquecida con acetato (10 mM), para diversos materiales
como electrodos anódicos. Gra: grafito, c_PAni: con polianilina, s_PAni: sin
polianilina, Ace: acero inoxidable, CNTs: nanofibras de carbono.
Sin embargo, aún con el decaimiento de la corriente máxima en picos
subsiguientes, las densidades de corriente para el sistema de grafito con PAni
biótico, se mantuvieron por encima del desempeño de los demás materiales
evaluados y se consideran valores de alta densidad de corriente con respecto
al estado del arte actual donde se han reportado hasta 6.9 A/m2 utilizando
58
cepas puras y hasta 3.6 A/m2 utilizando cultivos mixtos que se desarrollan a
partir de muestras tomadas de ambientes naturales o industriales (Logan,
2009, Nevin et al., 2008). El área utilizada para los cálculos, fue de 7.461 cm2.
Los cultivos mixtos (no caracterizados) desarrollados sobre los electrodos
utilizaron como fuente de inóculo consorcios microbianos naturalmente
formados en ambientes marinos locales. Cabe resaltar que el aspecto
sobresaliente de los microorganismos utilizados, es su capacidad para realizar
la transferencia extracelular de electrones sin requerir anaerobiosis estricta, lo
cual únicamente ha sido reportado para inóculos provenientes de biopelículas
desarrolladas en ambientes marinos (Erable et al., 2009) .
En general, las curvas muestran que el uso de polianilina conduce a una
generación más sostenida de densidad de corriente, en contraste con los
electrodos no modificados. Así mismo, es preciso mencionar que la producción
de densidad de corriente en los sistemas abióticos fue despreciable en relación
a los sistemas biocatalizados. En resumen, el desempeño de los materiales
estudiados en orden descendente fue mejor para Gra_c_PAni > Ace_c_PAni >
Gra_s_PAni >CNT_c_PAni >Ace_s_PAni.
5.2. Determinación del crecimiento de los microorga nismos en el medio
El crecimiento celular fue monitoreado mediante el método espectrofotométrico
de Mc Farland. Las muestras fueron diluidas para evitar errores de lectura
cuando las absorbancias de las muestras eran superiores a 0.5. Contrastando
la escala de Mc Farland (ver figura 10) con las densidades de corriente de los
sistemas evaluados no se puede demostrar una correlación entre el número de
microorganismos planctónicos y las densidades de corriente obtenidas, lo cual
sugiere mecanismos de transferencia directa de electrones al ánodo, sin la
presencia de mediadores naturalmente producidos por las bacterias.
59
Figura 10. Curvas experimentales del crecimiento de los microorganismos
planctónicos en los sistemas bióticos evaluados.
En estudios posteriores se precisa realizar una cinética que permita estimar el
crecimiento de los microorganismos presentes en las biopelículas
electroquímicamente activas, así como establecer relaciones más confiables de
la cantidad de microorganismos con la materia orgánica degradada y la
producción de corriente.
5.3. Determinación de la concentración de la demand a química de
oxígeno en los sistemas bióticos
En las mediciones de la demanda química de oxígeno (DQO), los sistemas
exhibieron una disminución en la concentración de la materia orgánica en la
relación a la concentración inicial del medio fresco. Las eficiencias finales de
remoción para los sistemas de grafito con y sin polianilina fueron de 99.8% y
86.4% respectivamente, el sistema composito de grafito-nanofibras tuvo un
valor de 94.8% y para los sistemas de acero con y sin polianilina fueron de 99.2
60
y 96.4% respectivamente. Los resultados tienen un 98% de certeza. Este
comportamiento se puede observar en la figura 11, donde las curvas de
dispersión muestran valores más bajos para los sistemas de grafito y acero
con polianilina y aún más para el sistema de grafito con polianilina, mientras
que las concentraciones de DQO para los sistemas análogos sin polianilina se
mantienen significativamente mayores en el transcurso del tiempo, mientras el
sistema composito de grafito-nanofibras-polianilina exhibe un comportamiento
entre los valores máximos y mínimos con respecto a la remoción de sustrato
orgánico.
Figura 11. Determinación experimental de las concentraciones de DQO en los
sistemas bióticos.
Las eficiencias coulómbicas se calcularon utilizando la relación E= (Cp/CT) x
100%, donde Cp representa los coulombios totales que se obtienen integrando
la corriente en el intervalo de tiempo y CT son los coulombios teóricos que se
pueden producir del metabolismo del acetato (Ringeisen et al., 2006). El valor
más significativo se obtuvo para el sistema de grafito modificado con polianilina
61
y fue de 33%. Sin embargo, el bajo valor significa que los microorganismos
usan gran parte de la oxidación de acetato para su crecimiento y para
mantener otras rutas metabólicas (Franks et al., 2010), así, la degradación de
sustrato orgánico, puede deberse a una alta concentración de bacterias en
solución que no están relacionadas con la producción de electricidad.
5.4. Caracterización electroquímica (EIE)
Las técnicas de Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) y
Voltametría Cíclica (CV) se seleccionaron como las técnicas principales
mediante las cuales puede obtenerse información valiosa en el contexto de
caracterización de materiales (Domínguez-Benetton et al., 2012).
Las mediciones de EIS y CV se llevaron a cabo en sistemas abióticos y bióticos
durante un periodo de 72 horas. Las mediciones se realizaron a temperatura
de laboratorio, aproximadamente 26±2°C. Con la fina lidad de evaluar tanto el
efecto de las películas de polianilina (PAni) en la producción de densidad de
potencia así como el efecto de las biopelículas marinas como biocatalizadores
de las reacciones y fenómenos interfaciales, para cada sistema de estudio se
registraron 4 espectros de impedancia electroquímica y 4 voltagramas cíclicos
a las 9, 24, 48, 72 horas para los sistemas bióticos y, para los sistemas
abióticos se llevaron a las 0, 24, 48, 72 horas.
Las mediciones de impedancia electroquímica fueron analizadas mediante
representaciones gráficas de los CV, diagramas de Nyquist y Bode, circuitos
equivalentes y mediante la magnitud del error estadístico, además se realizaron
correcciones de los datos electroquímicos utilizando el método de corrección
óhmica de acuerdo a la literatura (Orazem et al., 2006, Zhao et al., 2009).
Los elementos integrados en los circuitos eléctricos son congruentes con la
información proporcionada por el análisis de los datos experimentales con el
método de corrección óhmica, así, diversos circuitos eléctricos equivalentes
fueron propuestos con el objeto de obtener magnitudes de los parámetros
62
electroquímico y valorar el desempeño de los recubrimientos de polianilina
sobre los electrodos de trabajo a base de grafito, asociando el comportamiento
de los sistemas a fenómenos físicos. Los elementos eléctricos utilizados
modelan fenómenos resistivos y de doble capa capacitiva, además de
fenómenos relacionados a la difusión de especies electro-activas. Durante los
ajustes de datos experimentales la desviación estándar del error estocástico
varió entre 0.9-5%.
5.4.1. Análisis con voltametría cíclica
Los voltagramas obtenidas de las mediciones de CV exhiben la presencia de
fenómenos resistivos, capacitivos y de transferencia de masa como resultado
de un balance entre la velocidad de difusión del sustrato y la velocidad con que
se llevan a cabo las reacciones electroquímicas. La contribución de dichos
fenómenos es más evidente con la adición de microorganismos en el medio
(sistemas bióticos), y se asocian a la forma pronunciada de picos transitorios
en las curvas (ver figuras 16,17,18), que a su vez implican incrementos
proporcionales en la velocidad de las reacciones electroquímicas (Parot et al.,
2011).
En las curvas cíclicas de los sistemas de grafito se encontró que los cambios
en el tiempo no son significativos en ausencia de microorganismos, sugiriendo
un típico comportamiento electrocatalítico para la degradación de la fuente de
carbono (acetato). La mayoría de los sistemas exhiben un comportamiento
capacitivo a excepción del sistema de grafito con polianilina biótico donde se
observa que al inicio existen fenómenos de concentración de especies en la
superficie del electrodo, pico de reducción a -494.5 mV (ver figura 12). Este
pico puede atribuirse a las reacciones redox que se llevan a cabo en los sitios
activos que crea la presencia de los grupos quinónicos de la polianilina. Al
parecer la concentración de especies electroactivas resulta de un incremento
de la transferencia de cargas entre los sitios activos generados en la superficie
del electrodo y la actividad biocatalítica de los microorganismos, hecho
evidente por los picos de los potenciales redox en comparación con los demás
63
sistemas. También puede asociarse el establecimiento de una biopelícula no
homogénea e inmadura que induce a un comportamiento capacitivo en el
tiempo (72 horas). Así mismo, el incremento del pico de reducción en
presencia de una concentración constante con respecto a los demás sistemas
es un posible indicativo de que el proceso esta siendo controlado por la
velocidad de difusión de especies electroactivas o del sustrato a la superficie
del electrodo, que se minimizan en el tiempo marcado por la desaparición
pronunciada de los picos en la curva de 72h, que también puede relacionarse
con la disminución de la concentración de la fuente de carbono y se respaldan
con los datos de impedancia electroquímica (aunque no se muestran los
resultados aquí) (Shamsipur et al., 2008, Mi et al., 2007) .
64
Figura 12. Voltagrama cíclico para los electrodos de grafito a una velocidad de
barrido de 20mV/s. Las curvas corresponden a electrodos con y sin polianilina
tanto para condiciones abióticas como bióticas. (a) Representa un aumento de
los sistemas abióticos para la 0 y 72 horas. Gra: grafito, s_PAni: sin polianilina.
Los voltagramas de los sistemas compositos de grafito nanofibras de carbono
no muestran una respuesta bien definida hasta que se modifica la superficie de
los electrodos con la película de polianilina, exhibiendo un pico de reducción
que se desplaza en el tiempo entre -300 mV y -100 mV. Este fenómeno, se
puede asociar a especies electroactivas en la superficie del electrodo,
principalmente grupos quinónicos (debido a la presencia de la polianilina) las
65
cuales funcionan creando sitios electroactivos que favorecen la velocidad de
los procesos de oxidación-reducción (ver figura 13 (a)). En contraste, el sistema
composito de grafito-nanofibras sin PAni refleja un comportamiento ideal de
doble capa, excepto en algunas regiones donde se forman deflexiones. Otro
aspecto a notar es que el sistema composito con PAni biótico exhibe picos de
corriente máxima y se desplazan hacia valores mayores en el tiempo. Estas
características que añade el uso de polímeros conductores y biocatalizadores
contribuyen a velocidades favorables de los procesos farádicos (Domínguez-
Benetton et al., 2012, Mi et al., 2007). Sin embargo, los procesos de
concentración y de difusión de especies tiene un efecto más significativo que
en los sistemas análogos de grafito sin nanofibras de carbono, lo cual podría
estar relacionado directamente con la resistencia que confiere la matriz
polimérica de polimetilmetacrilato (PMMA) utilizada como dispersante de las
nanofibras de carbono que puede generar un resistencia muy alta en un rango
mayor de 1010 ohm.cm2 (Loveday et al., 2004), lo que se traduce en una pobre
actividad de especies electroactivas y en una reducida densidad de potencia a
pesar que el sistema pudiera favorecer el desarrollo de una biopelícula estable
en el transcurso del tiempo con respecto a los demás sistemas evaluados. Sin
embargo, en el tiempo en que se evaluó el desempeño de este tipo de
electrodos no generaron densidades de corriente significativas por encima de
los electrodos de grafito modificados con polianilina.
En los sistemas de acero, los efectos mas significativos se dan en las
respuestas medidas entre los electrodos modificados con polianilina tanto en
condiciones bióticas como abióticas, cuyos potenciales de reducción son
desplazados hacia valores menos positivos mientras que los de oxidación van
hacia valores más positivos en los sistemas abióticos (ver figura 14). Los
valores correspondientes a los potenciales de reducción varían de -247.9 mV a
-356.5 mV, respectivamente y de 95 a 115.6 mV para los picos de oxidación,
para las 0 y 72 horas. Los sistemas bióticos sólo exhiben picos de reducción
que tienden a valores mas positivos (de -349.6 mV a -67.12 mV). Este conjunto
de sistemas exhiben una clara relación entre el efecto de la concentración de
especies electroactivas y la resistencia a la transferencia de carga cuando se
66
comparan frente a sus análogos abióticos y bióticos sin polianilina, donde las
velocidades de reacción son menores (Parot et al., 2011).
Sin embargo, estos sistemas precisan otras evaluaciones mas controladas, por
el efecto de las reacciones secundarias que pudieran generar subproductos no-
electroactivos como resultado de procesos de corrosión así como de
subproductos que involucran iones metálicos (por ejemplo, manganeso
presente en el electrolito o en la aleación metálica) que pueden traducirse en el
desarrollo de compuestos exocelulares y enzimas que modifican las capas de
óxido existentes entre el electrodo de acero inoxidable y las células de la
biopelícula que promueven la oxidación del acetato e incrementan la
concentración de especies electroactivas. Sin duda, los fenómenos resultan de
la naturaleza del sistema, del material y de las condiciones de operación (Dulon
et al., 2006, Franks et al., 2010). Además se ha visto que los microorganismos
bioelectrocatalíticos favorecen las reacciones de reducción de oxígeno cuando
los soportes son electrodos de acero inoxidable (picos de reducción) lo que al
estar acopladas con las reacciones de oxidación favorecen el incremento de las
densidad de corriente, sin embargo, se precisa de condiciones mas estables
para llevar a cabo los análisis.
67
Figura 13. Voltagrama cíclico para los electrodos compositos de grafito-
nanofibras de carbono a una velocidad de barrido de 20mV/s. Las curvas
corresponden a electrodos con y sin polianilina tanto para condiciones abióticas
como bióticas. (a) Representa un aumento de los sistemas compositos
abióticos para las 0 y 72 horas. CNTs: nanofibras de carbono, c_PAni: con
polianilina.
68
Figura 14. Voltagrama cíclico para los electrodos de acero a una velocidad de
barrido de 20mV/s. Las curvas corresponden a electrodos con y sin polianilina
tanto para condiciones abióticas como bióticas.
Los resultados sugieren que el mejor funcionamiento fue para los sistemas de
grafito con polianilina bajo condiciones bióticas y se debió a que exhibe un
comportamiento similar al de un capacitor al tiempo cero (valores de alfa (a)
cercanos 1, (ver cuadro 5) el cual promueve la transferencia de especies
electroactivas desde las células microbianas hasta el electrodo de grafito
modificado (Xu et al., 2010). Así mismo, el uso de los microorganismos como
biocatalizadores en los sistemas de grafito con polianilina en el tiempo reducen
69
la resistencia a la transferencia de especies electroactivas a través de los
procesos extracelulares de transferencia de especies activas eléctricamente,
cuyo mecanismo es un complicado proceso que requiere de más estudio
(Domínguez-Benetton et al., 2012) .
Por otra parte, es claro que los efectos de la disminución de la resistencia a la
transferencia de carga (aumento de la velocidad de las velocidades de
reacción) contribuyen a mayores densidades de corriente para el sistema de
grafito con polianilina bajo condiciones bióticas, en el intervalo de tiempo
evaluado, (ver sección 5.1). Entonces, la presencia conjunta del consorcio
microbiano marino y el polímero conductor incrementaron la densidad de
corriente. Hecho estudiado en otros grupos de trabajo, en los cuales se ha visto
que el empleo de especies que crecen en ambientes marinos poseen
citocromos que favorecen la catálisis de reacciones de oxido-reducción (Dulon
et al., 2006, Xu et al., 2010, Parot et al., 2011).
Cabe mencionar que las variaciones en las superficies a nivel macro y de micro
poros de los electrodos, las condiciones ambientales y de operación así como
las concentraciones de las especies electro-donadoras y las características
fisicoquímicas del electrolito son factores que limitan la detección y
comparación de la actividad de los microorganismos como catalizadores de
reacciones de oxidación acopladas en los sistemas electroquímicos, por lo que
es preciso establecer condiciones estables durante la realización de los
experimentos y el empleo de mejores métodos para la determinación de la
rugosidad de las superficies de los electrodos que proporcionen los valores de
las áreas reales para cada material (Marsili et al., 2008, Liu et al., 2010).
70
5.4.2. Espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE)
5.4.3. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas
compositos de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo
condiciones bióticas y abióticas
5.4.3.1. Análisis mediante espectros de Nyquist y d e Bode
Los espectros de impedancia (ver figura 15) se llevaron a cabo durante el
crecimiento de los microorganismos en las primeras 72 horas. Las curvas
muestran un comportamiento variable en el intervalo de altas frecuencias bajo
condiciones abióticas en los sistemas de grafito sin polianilina y una mayor
resistencia a la transferencia de carga (Rp) comparados con sus análogos con
polianilina. En los sistemas el uso de recubrimientos de polianilina reduce tanto
la resistencia óhmica (Rs) como la resistencia a la transferencia de carga (ver
cuadro 5). En el caso de los sistemas de grafito con y sin polianilina abióticos,
los valores de Rohm indican una baja concentración de especies electroactivas
que promuevan la formación de un gradiente de cargas y la difusión de las
especies electroactivas hacia la interfaz electrodo-electrolito para facilitar las
reacciones farádicas. No obstante, los valores asociados a la resistencia del
electrolito disminuyen con el tiempo lo cual podría asociarse a que las
reacciones son termodinámicamente posibles y se llevan a cabo a velocidades
pequeñas. El uso de polianilina y de los microorganismos hace evidente un
efecto catalítico. Este hecho provoca que se incremente la velocidad de las
reacciones electroquímicas debido a la presencia del polímero conductor en su
estado conductivo que confiere una mayor movilidad electrónica e incrementa
la carga de la superficie del electrodo (Chi-Chang et al., 2001). Mientras tanto,
los microorganismos incrementan la concentración de especies electroactivas
(membranas externas con citocromos reducidos, mediadores solubles redox
reducidos o productos de fermentación reducidos, entre otros) y la
reversibilidad electroquímica al aumentar la velocidad de flujo de especies
eléctricas hasta el aceptor final de las cargas (Liu et al., 2010). Este
comportamiento es el que permite que los sistemas de grafito modificados con
71
polianilina bajo condiciones bióticas alcancen como máximo una densidad de
potencia elevada de 3.8 A/m2.
Así mismo, el comportamiento de los diagramas señala la presencia de
fenómenos más complejos, por ejemplo, la depresión del semicírculo de las
curvas (altas frecuencias) podrían estar asociados a las heterogeneidades del
recubrimiento, como la formación de una película no uniforme en espesor, la
exposición de grafito no recubierto o a la dispersión de los valores de alguna
propiedad física del sistema, así como el grado de conductividad que confiere
la película depositada sobre el electrodo, que facilita o impide el paso de las
cargas (Loveday et al., 2004).
Figura 15. Diagramas de Nyquist para los sistemas de grafito con y sin
polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas para las 0 y 72 horas.
(b) Representa un aumento a altas frecuencias del diagrama de Nyquist (a).
Los diagramas de Bode se representan graficando el logaritmo del módulo de
la impedancia [log |Z|/Ohm.cm-2] y el ángulo de fase [Phase (Z)/deg] contra el
intervalo del logaritmo de las frecuencias [freq/Hz] (ver figura 16). En los
diagramas de fase de Bode se observa que el sistema posee constantes de
72
tiempo bien definidas (ver figura 16). Las frecuencias características se
observan a 0.01 Hz, 25 Hz y 4E3 Hz. Los diagramas de fase muestran tres
inflexiones, de las cuales dos de ellas están bien definas, sugiriendo que el
sistema esta limitado por mas de un proceso, donde la resistencia a la
polarización junto con la resistencia a la transferencia de carga pueden ser
considerados como uno los principales fenómenos que limitan las reacciones
de electrodo.
Figura 16. Diagramas de Bode para los sistemas de grafito con y sin polianilina
expuestas a condiciones bióticas y abióticas para las 0 y 72 horas. (a)
Diagrama del módulo de la impedancia, (b) Diagrama de fase.
73
Los diagramas de Bode del módulo exhiben la presencia de pendientes bien
definidas a bajas frecuencias indicando un comportamiento estable en el rango
analizado en el transcurso del tiempo. Las representaciones del módulo de
impedancia resultaron de mucha utilidad para aproximar el valor de la
resistencia del electrolito, el cual se asocia al valor del modulo a medida que
las frecuencias tienden al infinito (Orazem et al., 2006).
5.4.3.2. Análisis de impedancia electroquímica medi ante circuitos
equivalentes.
Los ajustes se realizaron de acuerdo al análisis previo de los datos
experimentales por corrección óhmica. Las aproximaciones de la resistencia
óhmica se obtuvieron de las representaciones de Bode. Esta corrección es
importante para hacer más evidente las frecuencias características y el
comportamiento de la superficie del electrodo.
Los datos fueron ajustados empleando un circuito eléctrico equivalente (ver
figura 8) para obtener parámetros electroquímicos representativos. Los
fenómenos considerados involucran la resistencia óhmica (ROhm), la
resistencia a la polarización (Rpolz), el efecto capacitivo asociado a la doble
capa dieléctrica en la interfase electrodo-electrolito (elemento CPE1), la
resistencia a la transferencia de carga (CPE/Rct) y fenómenos de difusión
mediante un elemento de Warburg (W). El elemento de fase constante se
utilizó para simular el comportamiento no ideal de la distribución de la
capacitancia (Castaneda et al., 2008). Los elementos W y Rct explican los
fenómenos limitantes debido a la difusión y a la resistencia de carga cuyas
contribuciones es casi imposible de diferenciar en presencia de diferentes
gradientes (especies electroactivas provenientes de donadores de electrones y
mediadores reducidos) o cuando hay diferentes mecanismos de transporte de
especies hasta el ánodo (presencia de nanocables y citocromos en las
membranas externas) (Nevin et al., 2008)
74
Los sistemas de grafito con polianilina, de acuerdo con la forma de los
diagramas de Nyquist y a los valores de los parámetros electroquímicos
ajustados mediante circuitos eléctricos (ver figura 17 y cuadro 5), muestran que
la resistencia óhmica alcanza valores entre 1.368 a 6.934 Ohm.m2 y la
resistencia a la polarización disminuye debido a la presencia de la película de
polianilina debido a que posiblemente se crea un efecto de resonancia
electrónica (Lai et al., 2011).
Los valores de la resistencia a la polarización resultan ser menores en
magnitud para los sistemas tanto abióticos como bióticos con y sin
polianilina sugiriendo que los fenómenos limitantes son la difusión y la
transferencia de especies electroactivas a través de la interfase
electrodo-solución, sin embargo los resultados de los ajustes no
determinan claramente al paso limitante. Los valores se reducen
significativamente de 1780 a 15.49 Ohm.m2 en el tiempo 0 y de 1386 a
10.56 Ohm.m2 a la hora 72. Esto puede estar asociado a la disminución
de la impedancia y al incremento en la velocidad en que las especies
electroactivas alcanzan la superficie del electrodo y se dan las
reacciones electroquímicas que incrementan la densidad de corriente, ya
que la resistencia a la polarización Rpolz es inversamente proporcional a
la densidad de corriente intercambiada durante una reacción, por tanto si
la magnitud de Rpolz disminuye la densidad de corriente aumenta
(Mansfeld, 2007, Clauwaert, 2008). Sin embargo, con el paso del tiempo
el comportamiento se hizo más complejo, lo cual fue evidente por los
cambios en los valores de los parámetros de los elementos de fase
constante.
Por otra parte, después de la hora 72, los efectos difusivos a través de la
interfase electrodo-solución no se ven significativamente reducidos en los
sistemas abióticos con y sin polianilina y en el sistema biótico sin polianilina, lo
cual está posiblemente asociado a una baja concentración de especies
oxidantes que no permiten la formación de un gradiente efectivo de sustancias
electroactivas, hecho que se respalda en la información proporcionada en los
75
diagramas de módulo de Bode, donde la curva tiende a un valor finito diferente
de cero a medida que las frecuencias tienden al infinito (ver figura 16).
En el caso de los sistemas bióticos sin polianilina el comportamiento señala
que a pesar de la presencia de bacterias en el medio, que debieran actuar
como biocatalizadores, no existen suficientes especies electroactivas que
puedan ser transportadas de manera efectiva hasta la interfase electrodo-
solución. Lo anterior pudiera deberse al efecto de la presencia de
microorganismos planctónicos formando una barrera al flujo de las especies
electroquímicamente activas, ya que el crecimiento y mantenimiento del
metabolismo microbiano generan subproductos secundarios, como
exopolisacáridos, que no son precisamente activos en los procesos de
transferencia de carga al electrodo. Además, factores como el tiempo de
evaluación y las condiciones de operación pudieran no haber sido las más
adecuadas para el desarrollo de una biopelícula estable y electroactiva sobre el
electrodo que facilitara el transporte de cargas.
Figura 17. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia
para los sistemas de grafito. Gra: Grafito, s_PAni_abio: sistema sin polianilina
76
abiótico, c_PAni_abio: sistema con polianilina abiótico, s_PAni_bio: sistema sin
polianilina biótico, c_PAni_bio: sistema con polianilina biótico.
Así mismo, el sistema exhibe una respuesta transitoria en el tiempo de
inmersión. Desde un comportamiento capacitivo ideal a un comportamiento de
fase constante, hecho evidente por el cambio de los valores del parámetro alfa
(α) de los elementos CPE1 y CPE2 entre α=1 (bajas frecuencias) a valores de
α≠1 (frecuencias medias) (ver cuadro 5). Este fenómeno puede ser atribuido a
la heterogeneidad de la superficie del electrodo de trabajo o a constantes de
tiempo distribuidas debido a las reacciones de transferencia de cargas como
también a cambios en la conductividad por la presencia de películas
conductoras (polianilina) y su interacción con las células microbianas. Los
valores muestran incrementos pequeños con el tiempo de inmersión para los
sistemas abióticos a diferencia de los sistemas bióticos donde los valores
disminuyen (Hirschorn et al., 2010, Orazem et al., 2006, Huang et al., 2007). La
disminución de α con el tiempo de inmersión en los sistemas bióticos sugiere
que la superficie se vuelve más homogénea posiblemente por el desarrollo de
una biopelícula inmadura.
Cuadro 5. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos
mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos de
grafito bajo condiciones bióticas y abióticas.
Condición Elemento Rs Rp CPE1 α1 CPE2 α2
Tiempo(h) (Ohm.m2) (Ohm.m2) F.s ^(α-1) F.s ^(α-1)
Abiótico
s/Pani
0 2.639 218.6 0.01983 0.7174 0.01008 1
72 1.952 1386 0.03057 0.8080 - -
Abiótico
c/Pani
0 6.934 51.52 0.03311 0.6909
7.919E-
3 1
72 5.638 10.073 0.05249 0.7604 - -
Biótico
s/Pani
9 1 1780 0.01515 0.9040 - -
72 1.368 927.9 0.01965 0.8825 0.03831 1
77
Biótico
c/Pani
9 1.631 15.49 0.05275 0.6413 0.01839 1
72 2.421 10.56 0.05449 0.5373 0.05080 0.3894
En resumen, puede decirse que la concentración de las especies electroactivas
se incrementan por la presencia de especies oxidantes en el medio (bacterias)
y por la presencia de los recubrimientos de polianilina que aumenta la
conductividad del medio, lo cual facilita el transporte de las cargas a través de
la interfase, cuyo efecto en el sistema de grafito- polianilina, bajo condiciones
bióticas, da como resultado un desempeño favorable y máximo en la densidad
de potencia (3.8 A/m2) mediante el uso sinérgico de las películas de polianilina
y de biocatalizadores.
5.4.4. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas
compositos de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo
condiciones bióticas y abióticas
5.4.4.1. Análisis mediante espectros de Nyquist y d e Bode
Los diagramas de Nyquist en esta sección corresponden a los sistemas
compositos de grafito-nanofibras de carbono sin polianilina abiótico y a su
análogo con polianilina biótico, donde podemos observar que las magnitudes
de la impedancia alcanzan valores elevados con respecto a los sistemas de
grafito (ver figura 18).
Estos sistemas exhiben un comportamiento resistivo muy pronunciado. Este
efecto puede atribuirse a la presencia de las capas tanto de nanofibras de
carbono en matriz epóxica como de polianilina que incrementan la resistencia a
la transferencia de carga (Xie et al., 2005). Aunque se ha visto que los
recubrimientos le confieren estabilidad al sistema para la adhesión de células
bacterianas, en este caso crean una resistencia a la polarización significativa
(ver cuadro 6). Es preciso mencionar que las impedancias de los sistemas
bióticos fueron los más elevados en este conjunto de mediciones los cuales no
se muestran por efecto de la escala de los gráficos.
78
Figura 18. Diagramas de Nyquist de los sistemas compositos de grafito-
nanofibras de carbono con y sin polianilina, expuestos a condiciones bióticas y
abióticas para las 0 y 72 horas.
Lo anterior se respalda en la información que proporcionan los diagramas de
Bode. Por ejemplo la presencia de múltiples inflexiones en las gráficas de fase
sugieren que el comportamiento esta gobernado por más de proceso que
impactan el desempeño global. Así mismo, el diagrama de módulo señala que
los valores asociados a la resistencia del electrolito tienden a cero a medida
que las frecuencias tienden al infinito, en el transcurso del tiempo. Los
diagramas de módulo corroboran la información con respecto a los factores que
podrían contribuir de manera significativa al desempeño del sistema, los cuales
están asociados a la resistencia a la transferencia de carga (bajas frecuencias)
y el efecto de la resistencia del electrolito disminuye con el tiempo (altas
frecuencias). Además el comportamiento de las curvas sugiere la existencia de
fenómenos de adsorción en la interfase electrodo-solución (ver figura 19).
Los diagramas de fase exhiben más de una constante de tiempo, sin embargo
sólo una constante de tiempo esta bien definida, en cada espectro, junto con
una frecuencia característica a 0.4Hz.
79
Figura 19. Diagramas de Bode para los sistemas compositos de grafito-
nanofibras de carbono con y sin polianilina expuestas a condiciones bióticas y
abióticas para las 0 y 72 horas. (a) Diagrama del módulo de la impedancia, (b)
Diagrama de fase.
5.4.4.2. Análisis de impedancia electroquímica medi ante circuitos
equivalentes
Los ajustes se realizaron de acuerdo al comportamiento del análisis previo de
los datos experimentales por corrección óhmica. El CEE utilizado para obtener
80
los parámetros electroquímicos es el correspondiente a la figura 8. Entre los
elementos utilizados destaca el elemento asociado a la transferencia de
electrones (Rct), importante en este estudio para proporcionar información
acerca de la facilidad para la transferencia de electrones en la interfase del
composito. Los ajustes muestran un comportamiento acorde a los datos
experimentales de los espectros de impedancia (ver figura 20). En estos
sistemas la resistencia a la transferencia de especies electroactivas se hace
más evidente posiblemente debido a la capa de resina epóxica utilizada como
dispersante de las nanofibras de carbono y a una inadecuada dispersión de las
nanofibras de carbono que ocasionan las bajas propiedades para transportar
especies electroactivas (Pacios et al., 2008). Los valores de la resistencia
óhmica para el sistema abiótico sin polianilina variaron en un rango de 5.729 a
83.5 Ohm.m2 lo que es significativamente mayor en relación a los sistemas con
grafito, mientras que para el análogo composito de grafito-nanofibras de
carbono biótico con polianilina los valores se reducen tanto para el tiempo 0 y
72 y corresponden a 1.553 y 12.53 Ohm.m2, respectivamente. Sin embargo
aunque existe una disminución significativa en los valores de la resistencia a la
polarización que incrementan las densidades de corriente contrastando el
sistema con polianilina biótico (400 mA/m2) contra el sistema sin polianilina
abiótico (despreciable), los valores de densidad de corriente no superan al
máximo que se alcanzó con el sistema de grafito modificado solo con
polianilina expuesto a condiciones bióticas (3.8 A/m2).
También se puede observar una disminución en las magnitudes de la
impedancia y en las magnitudes de la resistencia a la transferencia de carga
que se acompañan por una reducción de la resistencia a la polarización. Los
valores de la resistencia a la polarización son menores para el sistema biótico
con polianilina (177 Ohm.m2 a 829.6 Ohm.m2) comparado con el sistema
abiótico sin polianilina (221 Ohm.m2 a 3205 Ohm.m2) para los espectros de las
horas 0 y 72. Este fenómeno muestra el efecto positivo que añade el uso de
polímeros conductores y de biocatalizadores en los electrodos ya que al
reducirse los fenómenos de resistencia a la polarización también se incrementa
el flujo de especies electroactivas hasta la interfase electrodo- solución, lo que
81
se traduce en densidades de potencia más favorables, alcanzando una
densidad de potencia máxima cercano a 400 mA/m2 en relación a la nula
producción de su análogo sin polianilina abiótico.
Los valores asociados a la resistencia del electrolito contrastados con los de la
resistencia a la transferencia de carga resultan insignificantes en ambos
sistemas. Sin embargo después en la hora 72 se observa un incremento de la
Rpolz en el sistema biótico que puede explicarse por la presencia y desarrollo
de una biopelícula inmadura donde los exopolisacáridos obstruyen el paso de
las cargas hasta el electrodo, acorde con los valores de α los cuales alcanzan
valores muy pequeños, comportándose como un sistema no reactivo que se
traduce en una pobre actividad de reacciones farádicas y por tanto de
densidades de corriente menores. Por otra parte en los diagramas de fase
podemos ver que los valores disminuyen por debajo de cero, por lo que
además de los fenómenos limitantes debido a la transferencia de carga,
también pueden asociarse fenómenos limitantes por especies adsorbidas en
los intersticios porosos (ver figura 19).
En general, el desempeño esta dado por un mecanismo de pasos complejos y
cuyo control puede resumirse en los siguientes fenómenos: el transporte de las
especies (transferencia de masa o difusión convectiva) hasta la interfase
electrodo-solución seguido por el efecto de la doble capacitiva en la interfase y
a especies adsorbidas en la superficie porosa (Franks et al., 2010).
82
Figura 20. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia
de los sistemas compositos de grafito-nanofibras con y sin polianilina bajo
condiciones bióticas. CNTs: nanofibras de carbono, s_PAni_abio: sin polianilina
abiótico, c_PAni_bio: con polianilina abiótico, s_PAni_bio: sin polianilina biótico,
c_PAni_bio: con polianilina biótico.
Cuadro 6. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos
mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos
compositos de grafito-nanofibras de carbono bajo condiciones bióticas y
abióticas.
Condición Elemento Rs Rp CPE2 α2
Tiempo(h) (Ohm.m2) (Ohm.m2) F.s ^(α-1)
Abiótico
s/Pani
0 5.729 221.4 1.59E-9 1
72 83.5 3205 0.00768 1
Biótico
c/Pani
9 1.553 177 0.183E-9 1
72 12.53 829.6 26.49E-9 0.7347
83
5.4.5. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas de
acero con y sin polianilina bajo condiciones biótic as y abióticas
5.4.5.1. Análisis de los datos experimentales media nte espectros de
Nyquist y de Bode
Los espectros de impedancia (ver figura 21) se muestran para las horas 0 y 72,
para los sistemas bióticos como abióticos a excepción del sistema de acero con
polianilina abiótico el cual no se muestra a la hora 72 debido a la escala
utilizada que no permitía mostrar el desempeño de forma adecuada, el cual
alcanza valores por encima de 56 Ohm.m2.
Figura 21. Diagramas de Nyquist para los sistemas de acero con y sin
polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas para las 0 y 72 horas.
(b) Representa un aumento a altas frecuencias del diagrama de Nyquist (a).
Los diagramas de Nyquist muestran que las magnitudes de la resistencia a la
transferencia de carga disminuyen con el tiempo para el sistema abiótico sin
polianilina en contraste para los sistemas bióticos con y sin polianilina los
cambios en los valores de las resistencias sugieren que el control pasa de ser
difusional a activación por transferencia de carga debido a que los espectros
84
de impedancia con el paso del tiempo exhiben la forma de un semicírculo,
comúnmente asociado a la presencia de fenómenos de activación por
polarización y por concentración de especies que no lograban difundir a
velocidades elevadas hasta el electrodo, ya que en apariencia las capas de
subproductos de corrosión hicieron que el sistema se pasive, es decir, la
película de la interfase se tornó mas resistiva lo que impedía un transporte
efectivo de especies electroactivas hacia la interfase electrodo-solución y se
llevaran a cabo las reacciones de electrodo de interés. Sin embargo se precisa
de otros análisis mas detallados para este tipo de materiales que proporcionen
información acerca de las especies existentes.
Figura 22. Diagramas de Bode para los sistemas de acero con y sin polianilina
expuestas a condiciones bióticas y abióticas a las 0 y 72 horas. (a) Diagrama
del módulo de la impedancia, (b) Diagrama de fase.
85
Como en los otros casos los diagramas de Bode se representaron mediante
dos tipos de gráficos uno con el logaritmo del módulo de la impedancia [log
|Z|/Ohm.cm-2] y el otro con el ángulo de fase [-Fase (Z)/grado] contra el
intervalo del logaritmo de las frecuencias [freq/Hz] (ver figura 22). En los
diagramas de fase se puede observar la presencia de múltiples inflexiones lo
que señala un control debido a más de un proceso. Los diagramas de módulo
exhiben pendientes bien definidas en el intervalo de bajas frecuencias, lo cual
fue útil para calcular las alfas de las curvas para el desarrollo del circuito
eléctrico equivalente para el ajuste de datos. En resumen el comportamiento de
las curvas sugiere la existencia de fenómenos de resistencia a la transferencia
y de difusión de cargas electroactivas a medida que transcurre el tiempo debido
a la presencia de una meseta en la curva a bajas frecuencias lo que señala
como en otros casos dificultad en el transporte de las especies electroactivas
que se ve incrementada en el tiempo y es mayor en los sistemas bióticos (ver
figura 22). Las frecuencias características se observan a 1.5823E-3 Hz, 25 Hz y
100 Hz.
5.4.5.2. Análisis de impedancia electroquímica medi ante circuitos
equivalentes
El circuito eléctrico propuesto se utiliza para calcular los parámetros
electroquímicos
relacionados con: i) la resistencia del electrolito (Rohm), ii) el efecto de doble
capa dieléctrica en la interfase electrodo-electrolito (CPE1) y la resistencia a la
polarización (Rpolz) y iii) los fenómenos de doble capa debido a la presencia de
subproductos de corrosión capas de óxidos (tanto en los sistemas bióticos
como abióticos) y la presencia de una biopelícula electroactiva en la superficie
del electrodo, para el caso de los sistemas bióticos y la dificultad de difusión de
las especies electroactivas hasta la superficie del electrodo. De los ajustes se
obtienen las magnitudes de la resistencia a la polarización, las cuales
incrementan con el tiempo para todos los sistemas y varían de 41.09 Ohm.m2 a
1049 Ohm.m2 para el sistema abiótico sin polianilina y de 22.69 Ohm.m2 a
1643 Ohm.m2 para el sistema biótico con polianilina (ver cuadro 7).
86
Los cambios en los valores de las resistencias sugieren que en la interfase
electrodo-solución existe la formación de capas semiconductoras de productos
de corrosión la naturaleza del material y las condiciones de trabajo crearon el
medio para que se llevara a cabo este fenómeno y el posible establecimiento
de una biopelícula conductora que junto con sus compuestos biológicos
reducidos contribuyeron al incremento de la difusión de las especies a través
de las capas de subproductos y a la oxidación de las especies electroactivas
hasta el electrodo de trabajo (Dulon et al., 2006).
Figura 23. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia
de los sistemas de acero con y sin polianilina expuestos a condiciones bióticas
y abióticas. Ace: acero inoxidable, s_PAni_abio: sin polianilina abiótico,
c_PAni_bio: con polianilina abiótico, s_PAni_bio: sin polianilina biótico,
c_PAni_bio: con polianilina biótico.
Los altos valores asociados a la transferencia de especies electroactivas se
ven compensados por la disminución en las magnitudes de la difusión de
87
especies (ver figura 23). Estas características permitieron alcanzar altas
densidades de corriente. Los valores corresponden a 1700 mA/m2 para el
sistema de acero con polianilina biótico y a 200 mA/m2 para el sistema sin
polianilina abiótico. Esto está se respalda con el comportamiento observado en
los voltagramas cíclicos que indican la presencia de células adheridas en las
proximidades del electrodo que son capaces de intercambiar cargas eléctricas,
dando como resultado altos valores en las densidades de corriente
posiblemente por una alta velocidad de intercambio de las cargas eléctricas
almacenadas en las membranas reducidas de las células o en sus respectivos
productos de fermentación reducidos (Dumas, C. et al., 2008). Además los
valores de α exhiben pequeños incrementos en las magnitudes (a excepción
del valor de α2 para el sistema abiótico sin polianilina a la hora 72) con el
tiempo de inmersión (ver cuadro 7), contrario a los procesos comunes que se
llevan a cabo por el crecimiento de películas de productos de corrosión
(Orazem et al., 2006), lo que implica que existen procesos distribuidos y
complejos que favorecen la generación de densidad de corriente. El intervalo
de los valores que asume α indica también que su comportamiento es general
como un capacitor ideal a bajas frecuencias y la de un elemento de fase
constante a frecuencias intermedias. Cabe mencionar que en algunos estudios
se ha visto que este comportamiento se traduce en altas densidades de
corriente porque se promueve la transferencia de especies electroactivas
desde las células microbianas hasta el electrodo modificado con especies
conductoras (Xu et al., 2010).
Estos análisis ponen de manifiesto nuevamente que la presencia del consorcio
microbiano marino y los recubrimientos de polianilina incrementaron la
densidad de corriente, como ya se ha visto en otros grupos de trabajo, donde el
empleo de especies que crecen en ambientes marinos poseen citocromos que
favorecen la catálisis de reacciones de oxido-reducción (Dulon et al., 2006, Xu
et al., 2010, Parot et al., 2011).
88
Cuadro 7. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos
mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los sistemas de
acero bajo condiciones bióticas y abióticas.
Condición Elemento Rs Rp CPE1 α1 CPE2 α2
Tiempo(h) (Ohm.m2) (Ohm.m2) F.s ^(α-1) F.s ^(α-1)
Abiótico
s/Pani
0 3.218 41.09 0.00676 0.8728 0.00174 0.8658
72 2.137 1049 0.00571 0.9542 0.00739 0.8130
Abiótico
c/Pani
0 2.144 57.25 0.00108 0.8230 0.00757 0.3545
72 5.564 354.7 0.179E-9 1
3.253E-
6 1
Biótico
s/Pani
9 1.867 1099 0.001222 0.8684 0.01945 1
72 2.117 1269 0.001339 0.8743 0.00803 1
Biótico
c/Pani
9 2.009 22.69 0.007019 0.6435 0.02399 0.6783
72 2.314 1643 0.005603 0.7136 0.00669 0.8465
5.4.6. Análisis mediante espectroscopías
5.4.6.1. Difracción de rayos X (DRX)
Los espectros obtenidos mediante las técnicas de difracción de rayos X (DRX)
señalan que se obtuvieron moldes de silicoaluminatos mesoporosos donde las
estructuras de los materiales obtenidos fueron homogéneas en cuanto al
arreglo periódico de los poros. Se obtuvo un material de muy alta calidad, con
un arreglo hexagonal.
89
Figura 24. Espectro de difracción de rayos X de los nanomoldes de sílice
empleados para la síntesis de las nanofibras de carbono.
Mediante el análisis de difracción de rayos X (ver figura 24), pudo determinarse
que los picos obtenidos en el patrón de difracción corresponden a las
relaciones de los planos d100 , d110 , d200 , típicas de un sistema hexagonal,
como es SBA-15. Los valores de “d” se determinaron usando el patrón de
difracción de rayos X y la ley de Bragg, o sea: 2 d sen(θ) = λ, donde θ es la
mitad del ángulo medido en el máximo del pico de difracción, “d” es la distancia
entre planos, λ es la longitud de onda de los rayos X ( = 0.154 nm).
5.4.6.2. Espectro de Infrarrojo
El espectro de infrarrojo de los electrodos recubiertos con polianilina señala
vibraciones de flexión características de los enlaces carbono- carbono (C-C)
presentes en las aminas secundarias (1600-1300 cm-1). La aparición de las
flexiones en el rango de 3273-3195 cm-1 son característicos de los grupos
quinónicos y las deformaciones entre 1105-950 cm-1 también corresponden a
90
los grupos quinónicos y bencénicos indicando la polimerización de los
monómeros de anilina en la superficie del electrodo (ver figura 25).
Figura 25. Espectro de infrarrojo de los materiales de grafito recubiertos de
polianilina.
92
6. Conclusiones
• El análisis del desempeño de nuevos materiales anódicos con polímeros
conductores, mostró gran potencial para el acoplamiento de biopelículas de
microorganismos provenientes de ambientes marinos que funcionan como
biocatalizadores de procesos de oxido-reducción. Lo que señala que el uso de
la polianilina sobre los electrodos en sinergia con la presencia de
microorganismos, facilitaron el transporte de especies electroquímicamente
activas a través de la creación de sitios catalíticos, haciendo posible el
incremento de la densidad de potencia de los sistemas electroquímicos.
• El análisis del desempeño de nuevos materiales anódicos incorporando
nanomateriales de carbono condujo a materiales más estables en relación al
tiempo, sin embargo, en el periodo de tiempo estudiado no se lograron
densidades de potencia por encima de los sistemas de grafito con polianilina,
posiblemente asociado a la resistencia elevada que confiere la matriz
polimérica de PMMA.
• El mejor desempeño de los materiales estudiados, mencionados en
orden descendente, es el siguiente: Gra_c_PAni > Ace_c_PAni > Gra_s_PAni
>CNTs_c_PAni >Ace_s_PAni y los valores de densidad de corriente máximos
son 3.8 A/m2, 1.7 A/m2, 0.37 A/m2, 0.3 A/m2 y 0.2 A/m2 respectivamente para
cada sistema.
93
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deformation; Biosensors and Bioelectronics. Vol. 25 pp 1825-1828.
101
80. Zhao, F., Slade, R. C. T. and Varcoe, J. R., (2009). Techniques for the
study and development of microbial fuel cells: an electrochemical perspective;
Chemical Society reviews. Vol. 38 pp 1926-1939.
102
8. Anexos
8.1.1. Método para la determinación de la Demanda Q uímica de Oxígeno
(DQO)
Este método se fundamenta en la naturaleza de las sustancias orgánicas o
inorgánicas, que las hacen susceptibles de sufrir procesos de oxidación,
principalmente en presencia de oxidantes fuertes. El método se usa
principalmente para medir la cantidad de contaminantes en las aguas naturales
y para evaluar la fuerza de los desechos contenidos en aguas residuales
municipales e industriales.
En este análisis la cantidad de oxidante utilizado, representa una cantidad
equivalente de oxígeno presente en la muestra, por tanto la DQO se expresa
en mg/L de oxígeno (O2). La DQO puede medirse mediante el método
titramétrico de reflujo cerrado y el método colorimétrico de reflujo cerrado
(Métodos Estándar 5520 C y 5520 D, respectivamente). La Agencia
Norteamericana de Protección del Medio Ambiente (US-EPA) especifica que el
único método de medición aceptable para DQO es el método colorimétrico de
dicromato. Las ventajas de usar este método son que incluye gran precisión,
resultados certificables y disminución de la interferencia del cloruro (NMX-AA-
030-SCFI-2001, 2001).
8.1.1.1. Método colorimétrico para la determinación de la demanda
química de oxígeno (DQO), en flujo cerrado
Cuando una muestra es digerida, el material DQO en esa muestra se oxida por
el ión dicromato. Como resultado, el Cromo pasa de estado hexavalente (VI) a
trivalente. Ambas especies de Cromo exhiben un color y absorben luz en la
región visible del espectro. En la región 400 nm el ión dicromato ((Cr2O7)2-),
absorbe mucha luz mientras que el ión crómico (Cr3+) absorbe mucho menos.
En la región 600 nm es el ión crómico el que absorbe mucho y el ión dicromato
tiene una absorción prácticamente nula. (Método Estándar 5220 D).
103
Este método cubre los rangos de 0 a 15000 mg/l O2:
1) 0-150 mg/l aprox. 420 nm
2) 0-1000 (1500) mg/l aprox. 600 nm
3) 0-15000 mg/l aprox. 600 nm.
Con la finalidad de obtener reacciones oxidativas rápidas, el calentador de
placa con horadaciones debe permitir un ajuste de temperatura hasta 150°C.
Las especificaciones para este reactor están descritas en el Método Estándar
5520°C, con requisitos concretos de temperatura y r ecipiente. Dado que es vital
que la reacción tenga lugar a 150ºC (±2ºC) durante 2 horas, es preciso
asegurar un correcto precalentamiento. El reactor deberá estar equipado con
un temporizador que notifica al usuario cuando se ha completado la reacción,
para efectos de seguridad del usuario y de reproducibilidad de las repeticiones
(NMX-AA-030-SCFI-2001, 2001).
8.1.2. Preparación de las soluciones patrón
8.1.2.1. Solución estándar de biftalato de potasio (1ml = 1 mg DQO)
Se secó una cantidad de biftalato ácido de potasio a 120ºC hasta peso
constante. Luego se pesaron con precisión 0.851 g, se disolvieron en agua
destilada y se aforó la solución hasta un volumen de un litro, en un matraz
volumétrico clasificación A.
8.1.2.2. Solución catalítica de sulfato de plata (A g2SO4) en ácido
sulfúrico (H 2SO4)
Se pesaron en una balanza analítica, 15 g de Ag2SO4 y se disolvieron en un
litro de H2SO4 concentrado (98% de pureza). El sulfato de plata requirió
aproximadamente 48 horas para su completa disolución, aplicando agitación
ocasional.
104
8.1.2.3. Solución digestora A (alta concentración)
Se pesaron 10.216 g de dicromato de potasio (K2Cr2O7), previamente secado
a 103°C durante 2 horas; para disolverlo se puso en agitación en 500 ml de
agua destilada, luego se agregaron 167 ml de ácido sulfúrico concentrado
(H2SO4, 98% pureza) y 33.3 g de sulfato mercúrico (HgSO4). Una vez que los
reactivos se disolvieron completamente, la solución se dejó enfriar hasta
temperatura ambiente y se aforó hasta un volumen de un litro.
8.1.2.4. Solución digestora B (baja concentración)
Se pesó una menor cantidad de dicromato de potasio (K2Cr2O7), 1.0216g
previamente secado a 103°C durante 2 horas, para su disolución se agregaron
500 ml de agua destilada. Seguidamente, se agregaron 167 ml de H2SO4
concentrado y 33.3 g de sulfato mercúrico (HgSO4), con precisión. Una vez
disueltos todos los reactivos, se dejó enfriar la disolución a temperatura
ambiente antes de aforar hasta un litro.
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