Membranas híbridas de nanocelulose bacteriana/HAp/RPB para troca de prótons em células a combustível microbianas

Abstract

A busca por fontes alternativas de energia renovável, que sejam tanto ambientalmente quanto economicamente viáveis, tem crescido ao longo das últimas décadas. Tecnologias baseadas em sistemas bioeletroquímicos para a geração de energia têm se destacado como uma alternativa ecologicamente correta para atender às demandas globais de geração de eletricidade. As células de combustível transformam a energia contida nas ligações químicas em eletricidade e calor, em um processo silencioso e com emissões reduzidas de gases de efeito estufa, o que beneficia o meio ambiente. Em células a combustível microbianas (CCMs), microrganismos são biocatalizadores de resíduos orgânicos em elétrons e prótons, recuperando a energia química desses substratos sob a forma de eletricidade. Tradicionalmente, CCMs utilizam uma membrana de íon seletiva, a membrana de troca de prótons (MTP). A MTP representa um dos parâmetros mais críticos para o bom funcionamento dessas células. Estudos que busquem o desenvolvimento de MTP com alternativas de menor custo e possibilitem aumentar a condutividade de prótons, no sentido de tornar as CCMs mais competitivas com outras fontes de energias renováveis e a geração mais eficiente de energia, tornam-se cada vez mais necessários. A celulose é um biopolímero que apresenta características ambientalmente sustentáveis, sendo biodegradável e biocompatível. A nanocelulose bacteriana (NCB), por sua vez, é um hidrogel altamente poroso composto por nanofibras de celulose. Sua estrutura molecular é semelhante à celulose vegetal, contendo grupos hidroxila que permitem sua funcionalização. O remazol preto B (RPB) é um corante reativo composto de grupos reativos sulfônicos (SO3-) e são adequados para uso em fibras celulósicas. A hidroxiapatita (HAp) é uma biocerâmica com característica de ser biocompatível, bioativa e termodinamicamente estável em fluidos corporais a torna um material altamente atrativo para diversas aplicações. Esta pesquisa tem como objetivo principal o desenvolvimento de MTP com base em NCB, corante remazol preto B e hidroxiapatita, aplicando em um sistema de CCMs para geração de energia. Para isso, membranas de NCB foram produzidas utilizando a bactéria Komagateibacter hansenii e glicerol como fonte de carbono, e então funcionalizadas com RPB e HAp. As caracterizações foram realizadas em relação as propriedades morfológicas, físicas, químicas e térmicas por MEV, FTIR, DRX, TGA e DSC das membranas produzidas. As membranas desenvolvidas foram avaliadas com relação a absorção de água, porosidade, propriedades mecânicas, capacidade de troca iônica e ao desempenho em CCMs, monitorando a diferença de potencial elétrico e a densidade de corrente gerada. A introdução do RPB em membranas de NCB/HAP possibilitou a melhora na performance da MTP, sendo que a membrana de NCB/HAp/RPB 150 obteve valor de IEC 0,86 mmol g-1, semelhante ao da membrana Nafion-117 (faixa de 0,8 a 1,0 mmol g-1) e densidade de potência com valor de 45 mW m-2.

Abstract: The search for alternative sources of renewable energy that are both environmentally and economically viable has grown over the past decades. Technologies based on bioelectrochemical systems for energy generation have emerged as an ecologically friendly alternative to meet global demands for electricity generation. Fuel cells convert the energy stored in chemical bonds into electricity and heat in a silent process with reduced greenhouse gas emissions, benefiting the environment. In microbial fuel cells (MFCs), microorganisms act as biocatalysts, converting organic waste into electrons and protons, thereby recovering the chemical energy from these substrates in electricity. Traditionally, MFCs use a selective ion membrane, the proton exchange membrane (PEM). PEM is one of the critical parameters for good performance of these cells. Studies aimed at developing PEMs with lower costs and improved proton conductivity are increasingly necessary to make MFCs more competitive with other renewable energy sources and to enhance energy generation efficiency. Cellulose is an environmentally sustainable biopolymer, biodegradable and biocompatible. Bacterial nanocellulose (BNC) is a highly porous hydrogel composed of nanofibers of cellulose. Its molecular structure is similar to plant cellulose, containing hydroxyl groups that allow functionalization. Remazol Black 5 (RB5) is a reactive dye composed of sulfonic reactive groups (SO3-) and is suitable for use in cellulose fibers. Hydroxyapatite (HAp) is a bioceramic known for its biocompatibility, bioactivity, and thermodynamic stability in bodily fluids, making it highly attractive for various applications. This research aims to develop PEMs based on BNC, Remazol Black 5, and hydroxyapatite, to be applied in an MFC system for energy generation. BNC membranes will be produced using the bacterium Komagataeibacter hansenii and glycerol as a carbon source, and then functionalized with RB5 and HAp. The membranes' morphological, physical, chemical, and thermal properties were characterized using scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (DRX), thermogravimetric analysis (TGA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). The developed membranes were evaluated for water uptake, porosity, mechanical properties, ion exchange capacity and performance in MFCs, monitoring the electrical potential difference and generated current density. The introduction of RPB into NCB/HAp membranes enhanced the performance of the PEM, with the NCB/HAp/RPB 150 membrane achieving an IEC value of 0.86 mmol g-1, comparable to that of the Nafion-117 membrane (0.8?1.0 mmol g-1), and a power density of 45 mW m-2.