Mikrobiyal yakıt hücrelerinde verim artışı ve atık su arıtımı

Yeni bir dönem başladığını hayal edin; sorun olarak görülen atıklar artık enerji kaynağı potansiyelini taşımakta¹. Geleceğin enerji manzarası, sürdürülebilir ve verim odaklı yeşil teknoloji üzerine kurulmaktadır. Bu bağlamda, mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC’ler) atık su arıtımında sıfır karbon emisyonu ile dikkatleri üzerine çekmekte ve biyokatalizör olarak mikroorganizmaların kullanılmasıyla atıktan elektrik enerjisine dönüştürülme olarak tanımlanmaktadır. MFC sisteminin genel işleyişine bakıldığında organik bileşiklerin kimyasal enerjiye çevirmesi olarak görülür. Hem atıkları ortadan kaldıran hem de enerji alanına katkı sağlayan işleyişiyle birlikte enerji alanında önemli bir yere sahiptir.

MFC’ler elektrik üretiminde dört temel işlem süreci içermektedir; anodik biyo-katalizli oksidasyon, mikrobiyal elektron transferi, harici devrede elektron iletimi ve oksidanların katodik indirgenmesidir. Bu süreçler mikroorganizmaların atık maddeleri parçalaması sonucunda enerji üretmesine dayanır. Atıktan enerjiye dönüştürmenin her ne kadar kulağa çok uygun ve çevreye duyarlı geldiği düşünülse de MFC’lerin yaygın olarak kullanılmamasının önünde bazı gerekçeler vardır, bunlardan biri de sistemlerin genellikle düşük güç üretmesidir. Yine de MFC’lerin özellikle atık su arıtma tesislerinde kurulabilmesi onun önemini korumaktadır. MFC’ler sayesinde hem atık su arıtımı yapılır hem de enerji üretimi gerçekleştirilir. Bu potansiyelin farkında olan araştırmacılar, MFC’lerden elde edilen enerjinin verimini artırmak için çeşitli çalışmalar yapmaktadırlar. Bu çalışmalar, elektrot malzemesi ve mimarisi gibi faktörleri optimize etmeye odaklanarak MFC’lerin daha verimli hale getirilmesini amaçlamaktadır².

Elektrot malzemesinin seçimi MFC performansı için oldukça önemlidir.İdeal bir elektrot malzemesinde bulunması gereken başlıca özellikler şunlardır; mikrobiyal bağlanmayı desteklemeli, dayanıklılığı garanti etmeli, yüksek elektron transferini kolaylaştırmalı, hızlı katodik oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) vermeli ve minimum elektrot direncine sahip olması gerekmektedir. Bu çalışma elektrot yapısına nikel oksit (NiO) eklenmesiyle önemli bir role sahip olmuştur. NiO grafitli karbon nanofiberler (CNF) ile birlikte çalışarak atık sudan anota verimli elektron transferini kolaylaşmıştır.

Araştırmayı bir adım öne çıkaran küresel kapasitif NiO-N-CNF/ACB elektrotları olmuştur. Çalışmaya kapasitif elektrotları MFC sistemine eklendiğinde sonuçlar oldukça şaşırtıcı olduğu gözlemlenmiştir. 0,8 V‘luk bir açık devre potansiyeli (OCP) ve metreküp başına 2.900 mW‘lık bir güç yoğunluğu elde edilmiştir. Elde edilen sayısal verilerin yazımsal yorumu ise şudur; atıktan etkili güç üretimi yapılması için verimli bir elektron transferi gerçekleşmelidir.

NiO-N-CNF/ACB elektrotları, süspansiyon polimerizasyonu adı verilen bir işlem kullanarak sentezlenmektedir. Bu elektrotlar MFC’ler için özel olarak tasarlanmış kapasitif, sabit paketlenmiş yataklı elektrotlardır. Bu elektrotlar geniş yüzey alanlı olmasıyla bakteriler için daha fazla katalitik alan oluşturmaktadırlar. Elektrokimyasal bakteriler, elektrot üzerine elektrokimyasal bir çift kataman oluşturuyor ve böylece elektrik üretimi gerçekleştiryorlar. Atık su ile bir hayli etkileşime girerler ve sadece bakterilerden oluşan kalın bir biyofilmin büyümesini teşvik etmetedirler bunların yanı sıra aynı zamanda oksijen indirgeme reaksiyonunu da hızlandırırlar.

Bahsi geçen biyofilm hücre içerisinde anahtar görevi görmektedir. Bu bakteriler aslında sistemde güç merkezi görevindeler ve biyofilm ne kadar kalınsa o kadar çok elektron tutmaktadırlar. Oluşturulan bu sistem birçok pili istiflemekle benzetilebilir ve sadece güç üretimi için değil aynı zamanda atık su arıtımında da kullanılmasıyla kazan kazan durumu oluşturmaktadır. Atık su arıtma tesislerinin (ETP’ler) genel işleyişi için çok fazla enerji harcamak gerekmektedir. Ancak kapasitif MFC’ler ile ETP’leri entgere edilmesiyle güç tüketimi azaltılabilir ve süreç daha ekonomik hale getirilebilir.

Güç üretimi birbirini izler olaylarla gerçekleşmektedir. Malzemeler biyouyumlu olmalı, yani atık sudaki doğal bakteri topluluklarıyla iyi çalışmalı ve elektron transferini daha verimli halde yapabilmek için üç boyutlu yapılardan oluşmalılardır. Elektron transferi, ne kadar verimli olursa o kadar çok güç üretilmesi ile sonuçlandığından önemli bir konu başlığı oluşturmaktadır.

NiO-N-CNF/ACB elektrotlarının gram başına 754 Farad‘lık özgül kapasitansı vardır. Yani, çok az miktarda malzeme ile çok fazla elektrik yükü depolanabilir. Günümüz temiz enerji politikalarına bakıldığında amaç sadece güç üretip daha temiz bir dünya oluşturmak değil aynı zamanda bunu yaparken maliyeti olabildiğince düşürmek olduğundan geliştirilen bu elektrot daha da önem arz etmektedir.

MFC’lerin elektrik üretmenin yanında bir diğer dikkat çekici özelliği de atık su arıtımı ile çevresel etkisidir. NiO-N-CNF/ACB elektrotları, COD‘de (Kimyasal Oksijen İhtiyacı) %74‘lük bir azalma göstermiş, bu da organik atıkları parçalamada oldukça etkili oldukları anlamına gelmektedir.

Çalışma, sadece enerji analiziyle değil aynı zaman da biyokimyasal analiz yoluyla da gerçekleştirilmiştir. Kalın biyofilmleri oluşturan Raoultella ornithinolytica ve Serratia marcescens gibi bakteriler üzerinde çalışılmıştır. Bu biyofilmler, elektronları yakalamak ve atık su arıtma sürecini hızlandırmak için oldukça önemlidir. Başka bir bakteri olan Pseudomonas aeruginosa‘nın elektronları hızla taşımada rol oynadığı ve genel sistem verimliliğini artırdığı gözlemlenmiştir.

Sonuç olarak NiO-N-CNF/ACB elektrotları yeni nesil MFC’ler için umut vadeden bir malzemelerdir. Günümüz koşulları ve geliştirilen imkanlar neticesinde atık artık çözülmesi gereken bir sorun değil yararlanılması gereken bir kaynak niteliğindedir. MFC’lerin gücü ve NiO-N-CNF/ACB elektrotları gibi yeniliklerle sürdürülebilir enerji açısından verimli bir geleceğe bir adım daha yaklaşıyoruz. Bu çalışma malzeme bilimi, biyoteknoloji ve tasarımın bir araya gelmesiyle temiz enerji kaynaklarının daha etkin kullanıdığı ve çevre dostu olunduğu bir geleceğe adım atmamızı sağlayacak.

Kaynaklar

1. Zhang, Y., Liu, M., Zhou, M., Yang, H., Liang, L., & Gu, T. (2019). Microbial fuel cell hybrid systems for wastewater treatment and bioenergy production: synergistic effects, mechanisms and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 103, 13-29.
2. Budania, Y., Chauhan, M., Mishra, S., & Singh, S. (2024). N/NiO-ornated graphitic fiber-engrained micro-carbon beads: Innovative packed bed type capacitive electrodes for microbial fuel cells. Chemical Engineering Journal, 156018.

Gamze Özel