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Celle a combustibile microbiche ed altri sistemi bioelettrochimici microbici: risultati dell’attività

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Celle a combustibile microbiche ed altri sistemi bioelettrochimici microbici: risultati dell’attività

L’attività svolta si propone di sfruttare la tecnologia innovativa delle celle acombustibile microbiche per la rimozione del carico organico di reflui municipali eindustriali. La produzione di bio-energia e lo studio di materiali e geometrie di cella efficienti sono gli aspetti principalmente considerati in relazione alle sperimentazioni condotte. Vari prototipi di celle a combustibile microbiche sono stati sperimentati con finalità sia sperimentali, sia dimostrative/divulgative.

L’attività svolta si propone di sviluppare e sfruttare la tecnologia innovativa delle celle a combustibile microbiche in strumenti bio-tecnologici che possano contribuire a migliorare le efficienze di utilizzo di energia elettrica nel settore industriale e dei servizi. La rimozione del carico organico di reflui municipali e industriali, la produzione di bio-energia e lo studio di materiali e geometrie di cella efficienti sono gli aspetti principalmente considerati in relazione alle sperimentazioni condotte.

Vari prototipi di celle a combustibile microbiche – dal disegno semplificato e dal costo contenuto – sono stati sperimentati in impianti di depurazione. Inizialmente nell’impianto di depurazione di Milano – Nosedo e, in seguito, anche in altri impianti di depurazione del territorio milanese, tra cui il depuratore di Bresso (Consorzio acque potabili CAP) e il depuratore di Carimate (Sud Seveso Servizi SpA). Altri prototipi sono stati realizzati in alcuni piccoli laghetti cittadini con finalità sia sperimentali, sia dimostrative/divulgative. Diverse sperimentazioni sono state svolte anche sui materiali e sui processi bioenergetici di degradazione di matrici organiche. Queste prove, svolte a livello di laboratorio e in collaborazione con altri istituti di ricerca, in prevalenza con il Dipartimento di Chimica dell’Università degli Studi di Milano e l’Istituto di Chimica Biomolecolare di Pozzuoli del CNR, sono state volte ad ottimizzare il rendimento del processo e ad esplorare le potenzialità della tecnica bioelettrochimica a più vasto raggio, in campo energetico ed ambientale.

La sperimentazione di catodi drogati con nanoceria, in particolare, ha permesso di aumentare di un ordine di grandezza le prestazioni delle celle, superando il target prefissato di 1 Wm2 riferito alle dimensioni geometriche del catodo.

I risultati della sperimentazione condotta nelle vasche di depurazione confermano la riproducibilità delle prestazioni delle pile microbiche sperimentate in laboratorio, la correlazione del segnale con alcuni parametri dell’acqua e la possibilità di effettuare energy harvesting per trasmettere segnali in modalità remota con stack di poche unità.

A tale riguardo, alcuni prototipi di celle microbiche galleggianti sono stati sperimentati come potenziali sensori remoti auto-alimentati del processo di degradazione in corso nei reflui e di altri parametri della qualità dell’acqua (contenuto organico e ossigeno).

L’intervallo di concentrazione del COD per i test è stato selezionato sulla base del contenuto limitato di sostanze organiche disciolte nei reflui trattati nelle vasche di depurazione (~20 mg/L COD). La produttività elettrica delle pile microbiche è risultata direttamente proporzionale ad un contenuto organico nell’intervallo di concentrazione di 3-100 mg/L di COD disciolto ed è influenzata dalle dimensioni degli elettrodi (5-500 cm2).

È necessario rimarcare che la produttività elettrica dei sistemi testati in impianto e in laboratorio, pur essendo di interesse scientifico elevato, non ha raggiunto ancora un’attrattiva industriale precompetitiva. Risulta, pertanto, prematuro tentare raffronti tra le prestazioni elettriche dei sistemi sperimentati e le esigenze energetiche di impianti di trattamento reflui. Tuttavia, un processo di depurazione basato su celle a combustibile microbiche esprime una potenzialità rilevante di risparmio energetico, proponendosi in alternativa al trattamento tradizionale aerobico con insufflazione di aria. Nel caso specifico del depuratore di Nosedo, asservito a circa 1,25 milioni di abitanti equivalenti, il possibile risparmio energetico è dell’ordine di decine di GWh all’anno. Inoltre, la sperimentazione sui sistemi bioelettrochimici messi a punto lascia intravedere la possibilità di un trattamento più spinto di microinquinanti emergenti delle acque, quali metalli, pesticidi, antibiotici ed altri prodotti recalcitranti per i quali non sono disponibili al momento tecniche alternative.

In riferimento ad altri processi bio-energetici, è stato effettuato uno studio volto ad investigare le potenzialità delle tecnologie bioelettrochimiche applicate alla produzione di biogas, sia per aumentarne l’efficienza sia per trattare in modo più efficace i reflui del processo tradizionale ed è stata esplorata la possibilità di stimolare il metabolismo di batteri ipertermofili Thermotoga neapolitana, in bioreattori elettrochimici a 80°C, al fine di produrre acido lattico da CO2 e acido acetico.

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