UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

CARRERA DE QUÍMICA

Evaluación de la aplicación del campo magnético en la producción de energía eléctrica a

partir de la degradación de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible

microbianas tipo batch

Trabajo de titulación presentado como requisito previo a la obtención del Título de Química

Autora: Ñacato Chicaiza Dayanna Carolina

Tutor: MSc. Raúl Alfonso Bahamonde Soria

Quito, febrero 2018

ii

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a Dios por guiarme en cada paso

que he dado.

A mis padres María Dolores y Tito, y a mi hermano

Irvin, por apoyarme en todo momento, los quiero

mucho.

iii

Agradecimientos

Doy gracias a Dios porque sin Él nada de estos sería posible, por darme salud y vida y

permitirme llegar a este momento, por brindarme sabiduría para lograr alcanzar mis metas.

A mis padres María Dolores y Tito, porque me han apoyado en todo momento, porque al ser

personas trabajadoras, luchadoras, optimistas, responsables han sabido guiarme correctamente

y me han inculcado grandes valores, gracias por permitirme seguir adelante y decirme que todo

es posible en la vida con esfuerzo y dedicación, les agradezco por darme la oportunidad de

estudiar y permitirme alcanzar una meta más en mi vida.

A mi hermano Irvin, porque es un soporte en mi vida, que siempre me ha brindado su apoyo

incondicional y ha estado en los momentos más alegres y difíciles, porque al ser una persona

responsable, inteligente, entusiasta, amable, se ha convertido en mi ejemplo a seguir y me ha

motivado a ser una persona de bien.

A mi tutor MSc. Raúl Bahamonde, por darme la oportunidad de formar parte del grupo de

investigación del Laboratorio de Energías Renovables, por fomentar un ambiente agradable,

por brindarme sus conocimientos, consejos y sugerencias, y por motivarnos a ser personas

responsables.

A MSc. Daniel Zurita, por compartir su conocimiento y experiencia, gracias por motivarnos y

guiarnos en el camino de la ciencia.

A mis amigos, Liss, Mariel, Nathy, Ena, Luis, Santiago, Magaly, Jhonnathan, Karla, Carlos,

Evelyn, quienes me acompañaron en el transcurso de mi vida universitaria, con quienes

compartimos muchos momentos divertidos, gracias por brindarme su amistad y apoyo.

A mis compañeros del Laboratorio de Energías Renovables, Pablo, Álvaro, Jefferson, Kathy,

Billy, Fidel, por brindarme su ayuda y compartir su conocimiento.

iv

AUTORIZACIÓN DE AUTORÍA INTELECTUAL

v

CONSTANCIA DE APROBACIÓN DEL TUTOR

vi

CONSTANCIA DE APROBACIÓN DEL TRABAJO FINAL POR EL TRIBUNAL

vii

ÍNDICE

Autorización de Autoría Intelectual .......................................................................................... iv

Constancia de Aprobación del Tutor ......................................................................................... v

Constancia de Aprobación del Trabajo Final por el Tribunal ................................................... vi

Abreviaturas ........................................................................................................................... xvii

Resumen ............................................................................................................................... xviii

Introducción ............................................................................................................................... 1

Capítulo I ................................................................................................................................... 3

1. El Problema ............................................................................................................................ 3

Planteamiento del Problema ................................................................................................... 3

Formulación del Problema ..................................................................................................... 4

Objetivos ................................................................................................................................ 4

Objetivo general. ................................................................................................................ 4

Objetivos específicos. ......................................................................................................... 4

Justificación e Importancia..................................................................................................... 4

Capítulo II .................................................................................................................................. 6

2. Marco Teórico ........................................................................................................................ 6

Antecedentes de la investigación ........................................................................................... 6

Fundamentación Teórica ........................................................................................................ 8

Aguas Residuales. ............................................................................................................... 8

Contaminantes acuáticos. ................................................................................................... 8

Compuestos orgánicos de efluentes domésticos e industriales. ......................................... 9

Evaluación de la calidad del agua residual. ...................................................................... 10

Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO). ................................................................... 10

Demanda Química de Oxígeno (DQO). ........................................................................ 11

Tratamiento de aguas residuales. ...................................................................................... 11

Tratamientos convencionales. ....................................................................................... 11

Pretratamiento. .............................................................................................................. 11

Deposición primaria. ..................................................................................................... 11

Tratamiento secundario. ................................................................................................ 11

Tratamiento terciario. .................................................................................................... 11

Tratamientos No convencionales. ................................................................................. 12

Fotocatálisis. ................................................................................................................. 12

viii

Celdas de Combustible Microbianas. ............................................................................... 12

Arquitectura y funcionamiento de las celdas de combustible microbianas. ................. 12

Materiales de fabricación. ............................................................................................. 12

a) Ánodo........................................................................................................................ 13

b) Cátodo. ...................................................................................................................... 13

c) Membrana de intercambio de protones (MIP). ......................................................... 13

Microorganismos en las CCMs. .................................................................................... 14

a) Metabolismo Microbiano. ......................................................................................... 15

b) Formación de Biofilm. .............................................................................................. 16

c) Mecanismos de transferencia de electrones. ............................................................. 16

Condiciones de operación. ............................................................................................ 16

Evaluación de una CCM. .................................................................................................. 17

Eficiencia coulómbica. .................................................................................................. 17

Curva de polarización y potencia. ................................................................................. 18

Factores que afectan el Voltaje de la Celda. ................................................................. 19

Influencia de Campos Magnéticos. ............................................................................... 21

Campo Magnético............................................................................................................. 21

Movimiento de partículas con carga en un campo magnético. ..................................... 23

Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente.................................... 23

Imanes. .......................................................................................................................... 23

Aplicación de un campo magnético en una CCM. ........................................................... 24

Fundamentación Legal ......................................................................................................... 24

Hipótesis ............................................................................................................................... 25

Hipótesis de Trabajo Hi. ................................................................................................... 25

Hipótesis Nula Ho. ........................................................................................................... 25

Sistema de Variables ............................................................................................................ 25

Variable Independiente. .................................................................................................... 25

Variable Dependiente. ...................................................................................................... 25

Capítulo III ............................................................................................................................... 27

3. Metodología de Investigación .............................................................................................. 27

Diseño de la Investigación ................................................................................................... 27

Población y Muestra ............................................................................................................. 28

Métodos y Materiales ........................................................................................................... 28

ix

Método. ............................................................................................................................. 28

Materiales. ........................................................................................................................ 28

Materiales para elaboración de electrodos. ................................................................... 28

Materiales para la construcción de celdas. .................................................................... 28

Materiales para determinar DQO. ................................................................................. 28

Equipos. ............................................................................................................................ 29

Reactivos. ......................................................................................................................... 29

Para el tratamiento de electrodos. ................................................................................. 29

Para preparación solución ácida y digestora para DQO. .............................................. 29

Para preparación del Sustrato. ....................................................................................... 29

Diseño Experimental ............................................................................................................ 29

Matriz de Operacionalización de las Variables .................................................................... 30

Procedimiento....................................................................................................................... 30

Toma de muestra de agua residual. .................................................................................. 30

Etapa Microbiológica. ...................................................................................................... 31

Preparación de electrodos de grafito. ............................................................................ 31

Obtención de electrodos y tratamiento. ........................................................................ 31

Inoculación de los electrodos. Preparación del Biofilm. .............................................. 32

Etapa Electroquímica. ....................................................................................................... 32

Preparación del sustrato (Anolito). ............................................................................... 32

Construcción de las CCMs tipo batch. ............................................................................. 33

Aplicación de campo magnético a las CCMs tipo batch. ................................................. 34

Medición de la Intensidad de Campo Magnético. ........................................................ 34

Ensamblaje de celdas con Campo Magnético. .............................................................. 35

Evaluación de las celdas. .................................................................................................. 36

Voltaje a CA. ................................................................................................................ 36

Intensidad de Corriente. ................................................................................................ 36

Curva de Polarización. .................................................................................................. 36

% Eficiencia Coulómbica. ............................................................................................ 36

Determinación de DQO. ............................................................................................... 36

% Remoción de DQO. .................................................................................................. 36

Técnicas e Instrumentos de Recolección y procesamiento de Datos ................................... 37

Técnica de Recolección de Datos. .................................................................................... 37

x

Instrumento de recolección de datos. ............................................................................... 37

Validez. ............................................................................................................................. 37

Técnicas de Procesamiento de Datos (análisis estadístico) .................................................. 37

Capítulo IV............................................................................................................................... 39

4. Análisis y Discusión de Resultados ..................................................................................... 39

Resultados ............................................................................................................................ 39

Evaluación del CM. .......................................................................................................... 39

Evaluación de las CCMs................................................................................................... 39

Voltaje. .......................................................................................................................... 39

Curvas de Polarización. ................................................................................................ 42

Intensidad de corriente máxima. ................................................................................... 54

Demanda Química de Oxígeno (DQO). ........................................................................ 57

% Remoción de DQO. .................................................................................................. 60

% Eficiencia Coulómbica. ............................................................................................ 61

Análisis de los efectos entre los factores de estudio para cada variable respuesta .............. 64

Intensidad de corriente. ..................................................................................................... 65

Voltaje. ............................................................................................................................. 67

Porcentaje de Remoción de DQO. .................................................................................... 69

Eficiencia Coulómbica ..................................................................................................... 70

Capítulo V ................................................................................................................................ 73

5. Conclusiones y Recomendaciones ....................................................................................... 73

Conclusiones ........................................................................................................................ 73

Recomendaciones ................................................................................................................. 73

Bibliografía .............................................................................................................................. 75

Anexos ..................................................................................................................................... 78

xi

Índice de Anexos

A Esquema Causa Efecto ..................................................................................................... 78

B Diagrama de flujo ............................................................................................................. 80

C Instrumento de recolección de datos ................................................................................ 82

D Matriz de validación de instrumentos .............................................................................. 83

E Anexo 1. Voltamperometría Cíclica ................................................................................. 84

F Anexo 2. Curva de Calibración para DQO ....................................................................... 85

Anexo G. Tablas de Resultados ........................................................................................... 86

xii

Índice de Figuras

Figura 2.1. Subdivisión de la materia orgánica en las aguas residuales. .................................. 9

Figura 2.2. Componentes de una CCM de cámara doble ....................................................... 14

Figura 2.3. Esquema del desarrollo de un biofilm sobre un sustrato ...................................... 16

Figura 2.4. Curvas de Polarización y densidad de potencia de una CCM .............................. 18

Figura 2.5. Características de una curva de polarización, mostrando regiones donde diferentes

tipos de pérdidas reducen la corriente útil ............................................................................... 19

Figura 2.6. Curvas de Polarización de CCM con con y sin aplicación de campos magnéticos

(MFC0 = 0 mT; MFC1 = 100 mT; MFC2 = 200 mT; MFC3 = 400 mT) ............................... 21

Figura 2.7. Líneas de campo magnético creadas por varias fuentes comunes de campo

magnético ................................................................................................................................. 22

Figura 2.8. Imanes de Neodimio usados en las CCMs ........................................................... 23

Figura 3.1. Muestreo del agua residual doméstica en el Barrio Ubillús ................................. 31

Figura 3.2. Electrodos inoculados con bacterias Geobacter y Mix en BHI, después de 5 días

de incubación ........................................................................................................................... 32

Figura 3.3. Sustratos para las CCMS. a) Agua Residual Sintética, y b) Agua Residual

Doméstica ................................................................................................................................ 32

Figura 3.4. Filtración del agua residual doméstica ................................................................. 33

Figura 3.5. Accesorios de tubería usados en el ensamblaje de las CCMs .............................. 33

Figura 3.6. Celda de Combustible microbiana ....................................................................... 34

Figura 3.7. Teslámetro ............................................................................................................ 34

Figura 3.8. Medición de la intensidad de Campo magnético de los imanes de neodimio a una

distancia de 1,0 cm ................................................................................................................... 34

Figura 3.9. Esquema 3D del acoplamiento CCM - Campo magnético................................... 35

Figura 3.10. CCMS acopladas a imanes de neodimio ............................................................ 35

Figura 4. Líneas de campo de los imanes de Neodimio ......................................................... 39

Figura 4.1. Comportamiento del Voltaje a circuito abierto de las CCMs (blancos) con Campo

magnético 0 mT y 95 mT ......................................................................................................... 40

Figura 4.2. Voltaje a CA de las CCMs con AS (500 mg/L), Campo magnético = 0 mT y 95

mT ............................................................................................................................................ 41

Figura 4.3. Voltaje a CA de las CCMs con AS (1000 mg/L) Campo magnético = 0 mT y 95

mT ............................................................................................................................................ 41

xiii

Figura 4.4. Voltaje a CA de las CCMs con AR (Ubillús) 500 mg/L, Campo magnético = 0 mT

y 95 mT .................................................................................................................................... 41

Figura 4.5. Voltaje a CA de las CCMs con AR (Ubillús)1000 mg/L, Campo magnético = 0

mT y 95 mT ............................................................................................................................. 41

Figura 4.6. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (500mg/L), con 0 mT

y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5................................................... 43

Figura 4.7. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS

(500mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. .............. 45

Figura 4.8. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (1000mg/L), con 0

mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. ........................................... 47

Figura 4.9. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS

(1000mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. ............ 48

Figura 4.10. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR (500mg/L y 1000

mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. ..................... 51

Figura 4.11. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR

(500mg/L y 1000 mg/L), con 0 mT y 95 mT: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. . 53

Figura 4.12. Comportamiento de la Intensidad de Corriente de las CCMs (blancos) con: a)

Campo magnético = 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ................................................... 54

Figura 4.13. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs

con AS a Baja Concentración (500 mg/L) con Campo magnético = 0 mT y 95 mT .............. 55

Figura 4.14. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs

con AS a Alta Concentración (1000 mg/L) con, Campo magnético = 0 mT y 95 mT ............ 55

Figura 4.15. Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs con AR (500 mg/L) con

CM = 0 mT y 95 mT ................................................................................................................ 56

Figura 4.16. Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs con AR (1000 mg/L) con

CM = 0 mT y 95 mT ................................................................................................................ 56

Figura 4.17. DQO en función del tiempo usando como sustrato agua destilada, con Campo

magnético = 0 mT y 95 mT ..................................................................................................... 57

Figura 4.18. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (500 mg/L), con Campo

magnético = 0 mT y 95 mT ..................................................................................................... 58

Figura 4.19. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (1000 mg/L), con Campo

magnético: a) 0 mT; y b) 95 mT. ............................................................................................. 58

Figura 4.20. DQO en función del tiempo usando como sustrato AR (Ubillús) (500 mg/L), con:

a) 0 mT; y b) 95 mT. ................................................................................................................ 59

xiv

Figura 4.21. DQO en función del tiempo usando como sustrato AR (Ubillús) (1000 mg/L),

con: a) 0 mT; y b) 95 mT. ........................................................................................................ 59

Figura 4.22. Porcentaje de Remoción del AS (500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT .............. 60

Figura 4.23. Porcentaje de Remoción del AS (1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT ............ 60

Figura 4.24. % de Remoción del AR (500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT ........................... 61

Figura 4.25. % de Remoción del AR (1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT ......................... 61

Figura 4.26. Gráfica de la Imáx vs t ....................................................................................... 62

Figura 4.27. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AS (500 mg/L) con: a) 0

mT y b) 95 mT ......................................................................................................................... 63

Figura 4.28. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AS (1000 mg/L) con: a) 0

mT y b) 95 mT ......................................................................................................................... 63

Figura 4.29. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AR (500 mg/L) con: a) 0

mT y b) 95 mT ......................................................................................................................... 63

Figura 4.30. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AR (1000 mg/L) a) 0 mT y

b) 95 mT ................................................................................................................................... 63

Figura 4.31. Diagrama de Pareto estandarizada para Intensidad de Corriente ....................... 66

Figura 4.32. Gráfica de efectos principales para Intensidad de Corriente .............................. 66

Figura 4.33. Diagrama de Pareto estandarizada para Voltaje ................................................. 68

Figura 4.34. Gráfica de Efectos Principales para Voltaje ....................................................... 68

Figura 4.35. Diagrama de Pareto Estandarizada para Remoción ........................................... 69

Figura 4.36. Gráfica de Efectos Principales para Remoción .................................................. 70

Figura 4.37. Diagrama de Pareto Estandarizada para Eficiencia Coulómbica ....................... 71

Figura 4.38. Gráfica de Efectos Principales para Eficiencia Coulómbica .............................. 71

Figura B1. Diagrama de Flujo de Preparación de electrodos ................................................. 80

Figura B2. Diagrama de Flujo de Inoculación de electrodos ................................................. 81

Figura B3. Diagrama de Flujo del Ensamblaje de una Celda de combustible microbiana ..... 81

Figura E1. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una

velocidad de 0,005 V/s ............................................................................................................. 84

Figura E2. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una

velocidad de 0,010 V/s ............................................................................................................. 84

Figura E.3. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una

velocidad de 0,015 V/s ............................................................................................................. 84

Figura F1. Recta de Calibración para DQO ........................................................................... 85

xv

Índice de Tablas

Tabla 3.1 Matriz de Operacionalización de Variables ............................................................ 30

Tabla 3.2. Caracterización y Codificación de variables .......................................................... 37

Tabla 3.3. ANOVA para el diseño factorial a x b x c (2 x 2 x 2) ........................................... 38

Tabla 4.1. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AS (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT ........................ 42

Tabla 4.2. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AS (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT ...................... 45

Tabla 4.3. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AR (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT ........................ 49

Tabla 4.4. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AR (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT. ..................... 49

Tabla 4.5. Matriz del Diseño Factorial 23 ............................................................................... 64

Tabla 4.6. Análisis de Varianza para Intensidad de Corriente - Suma de Cuadrados Tipo

III.............................................................................................................................................. 65

Tabla 4.7. Análisis de Varianza para Voltaje - Suma de Cuadrados Tipo III ......................... 67

Tabla 4.8. Análisis de Varianza para Remoción - Suma de Cuadrados Tipo III .................... 69

Tabla 4.9. Análisis de Varianza para Eficiencia Coulómbica Suma de Cuadrados Tipo III .. 70

Tabla G4.5 Valores de Voltaje a circuito abierto de los blancos con: a) 0 mT y b) Campo

magnético = 95 mT .................................................................................................................. 86

Tabla G4.6. Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AS a Baja Concentración

(500 mg/L) y Alta Concentración (1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95

mT ............................................................................................................................................ 86

Tabla G4.7 Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AR (500 g/L y 1000 mg/L),

con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ......................................................................... 86

Tabla G4.8. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS (blancos) con: a) 0

mT y b) Campo magnético = 95 mT ........................................................................................ 87

Tabla G4.9. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AS (500 mg/L y

1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ..................................................... 87

Tabla G4.10. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AR (500 mg/L

y 1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT .................................................. 87

Tabla G4.11. Valores de DQO en función del tiempo............................................................ 88

xvi

Tabla G4.12. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Sintética (500

mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ...................................... 88

Tabla G4.13. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Doméstica

(Ubillús) (500 mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ............... 88

Tabla G4.14. Resultados de los % de remoción de materia orgánica en función del tiempo . 89

Tabla G4.15. Resultados de la CE expresado en porcentaje en función del tiempo .............. 89

xvii

ABREVIATURAS

AR Agua Residual Doméstica

AS Agua Residual Sintética

CA Circuito Abierto

CM Campo Magnético

CCMs Celdas de Combustible Microbianas

CE Eficiencia Coulómbica

DQO Demanda Química de Oxígeno

h Horas

I Intensidad de Corriente

Imáx Intensidad de Corriente Máxima

R Remoción

t Tiempo

V Voltaje

xviii

Título: Evaluación de la aplicación del campo magnético en la producción de energía eléctrica

a partir de la degradación de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible

microbianas tipo batch

Autora: Dayanna Carolina Ñacato Chicaiza

Tutor: MSc. Raúl Alfonso Bahamonde Soria

Resumen

El desecho de las aguas residuales domésticas, se ha convertido en un problema ambiental, ya

que es eliminada directamente a las alcantarillas sin un tratamiento previo, afectando de esta

manera al ecosistema. Por tal razón, se ha propuesto una tecnología de bajo costo y accesible

como las celdas de combustible microbianas (CCMs), sin embargo, dichos sistemas presentan

bajas eficiencias, por tal motivo se planteó un modelo de celda acoplado a un campo magnético

(CM) estático, para mejorar el rendimiento de la misma. En este trabajo de investigación se

muestra el efecto de la aplicación del CM en la producción de energía eléctrica en CCMs tipo

H en batch, mediante la degradación de aguas sintéticas (AS), y residuales domésticas (AR)

obtenidas del barrio Ubillús (Parroquia Pintag-Pichincha Ecuador), a dos DQO diferentes (500

mg/L y 1000 mg/L). Las celdas fueron construidas con accesorios de tuberías, y membrana de

papel celofán; para la generación del CM se utilizaron imanes de neodimio acoplados de forma

paralela al ánodo (superficie del electrodo con biofilm), generando una intensidad de campo

de 95 mT. También se construyó CCMs de control (0 mT). Se evaluó su comportamiento

mediante curvas de polarización, durante una semana (93 horas). Se demostró que la aplicación

del CM mejoró la degradación de materia orgánica y disminuyó el tiempo de funcionamiento

de la CCM a dos días, aumentando un 59,31% y 45,10% la remoción de DQO en AR a baja y

alta concentración, respectivamente, en comparación con las CCMs tradicionales. Los voltajes

más altos se produjeron con el CM durante los primeros días, mejorando un 42,9% con AS (r.

alto), además aumentó la intensidad de corriente un 50% con AS (r. alto) y 55,1% con AR (r.

bajo). Demostrándose así, que es posible construir CCMs con materiales de bajo costo y

reciclables, obteniéndose una mejor remoción de contaminantes y producción de

bioelectricidad con la aplicación de un CM de 95 mT.

PALABRAS CLAVE: CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS, CAMPO

MAGNÉTICO, AGUA RESIDUAL, DEGRADACIÓN, ENERGÍA ELÉCTRICA.

xix

Title: Evaluation of the application of the magnetic field in the production of electrical energy

from the degradation of domestic wastewater using batch-type microbial fuel cells

Autora: Dayanna Carolina Ñacato Chicaiza

Tutor: MSc. Raúl Alfonso Bahamonde Soria

ABSTRACT

The disposal of domestic wastewater has become an environmental problem, since it is

eliminated directly to the sewers without prior treatment, thus affecting the ecosystem. For this

reason, a low-cost and accessible technology such as microbial fuel cells (CCMs) has been

proposed, however, these systems have low efficiencies, for this reason a cell model coupled

to a static magnetic field (CM) was proposed, to improve the performance of it. This research

work shows the effect of the application of the CM in the production of electrical energy in

CCMs type H in batch, through the degradation of synthetic waters (AS), and domestic

residuals (AR) obtained from the Ubillús neighborhood (Parroquia Pintag -Pichincha Ecuador),

to two different COD (500 mg / L and 1000 mg / L). The cells were constructed with pipe

fittings, and cellophane paper membrane; for the generation of the CM, neodymium magnets

coupled parallel to the anode (electrode surface with biofilm) were used, generating a field

intensity of 95 mT. Control CCMs (0 mT) were also built. Their behavior was evaluated by

polarization curves, for one week (93 hours). It was demonstrated that the application of CM

improved the degradation of organic matter and decreased the operating time of the CCM to

two days, increasing by 59.31% and 45.10% the removal of COD in RA at low and high

concentration, respectively, compared to traditional CCMs. The highest voltages occurred with

the CM during the first days, improving 42.9% with AS (high R), in addition increased the

current by 50% with AS (high r) and 55.1% with AR (low r). Demonstrating this way, it is

possible to build CCMs with low cost and recyclable materials, obtaining a better removal of

contaminants and bioelectricity production with the application of a CM of 95 mT.

KEY WORDS: MICROBIAL FUEL CELLS, MAGNETIC FIELD, RESIDUAL WATER,

DEGRADATION, ELECTRICAL ENERGY.

1

Introducción

La disposición final sin tratamiento previo de las aguas residuales provenientes de diferentes

efluentes como hogares, industrias, etc.; se ha convertido en un problema de gran impacto

ambiental. Por tal motivo han surgido varios métodos de tratamiento de estas aguas, sin

embargo, dichos métodos requieren de alta tecnología y son de alto costo; por esta razón se ha

propuesto realizar celdas de combustible microbianas (CCMs), con materiales de bajo costo y

reciclables; según Logan (2008), dicha tecnología es una buena opción para la generación de

energía renovable (bioelectricidad) mediante la degradación de la materia orgánica presente en

aguas residuales. Según Falcón, Lozano, & Juárez (2009), las celdas de combustible

microbianas, ofrecen la posibilidad de convertir eficientemente compuestos orgánicos en

electricidad, ya que los microorganismos pueden oxidarlos totalmente empleando un electrodo

como único aceptor de electrones. Existen varios modelos de CCMs, y un gran número de

variables que intervienen en ellas, las cuales se pueden modificar, para optimizar su eficiencia;

por tal razón en esta investigación se construyeron celdas de combustible microbianas tipo H

en batch con la aplicación de un campo magnético (CM), para mejorar la eficiencia de la

misma.

En el capítulo I se aborda el planteamiento del problema, que corresponde a una

problemática de carácter ambiental, generada por la falta de tratamiento de aguas residuales.

En este capítulo se establece el objetivo general del proyecto el cual es evaluar la aplicación de

un campo magnético en la producción de energía eléctrica a partir de la degradación de aguas

residuales domésticas utilizando CCMs tipo batch. Además, se argumenta la justificación de

este proyecto como un potencial beneficio en la generación de bioelectricidad a partir de un

tratamiento eco-amigable con el ambiente.

En el capítulo II, antecedentes, se describen publicaciones o estudios, en los cuales se apoya

esta investigación, y con ayuda bibliográfica se redacta la fundamentación teórica. Una vez

definidas las variables, (independientes: DQO inicial, tipo de sustrato, campo magnético;

dependientes: intensidad de corriente, voltaje, eficiencia coulómbica y % de remoción de

DQO); se plantearon las hipótesis, en este caso la de trabajo, establece si es posible aumentar

la producción de bioelectricidad y la degradación de materia orgánica de aguas residuales

domésticas mediante la aplicación de un CM de 95 mT en CCMs tipo batch.

En el capítulo III, metodología, se describe el diseño de investigación utilizado en la

investigación. Se explica el uso de un enfoque cuantitativo, el nivel explicativo y el tipo de

investigación aplicada, documental y de laboratorio experimental. Con las variables planteadas

se construye un matriz de operacionalización de variables. Además, se especifica que se utilizó

la observación como técnica de recolección de datos, y el instrumento fue una guía de

observación, en la cual se registraron los datos experimentales de Demanda Química de

Oxígeno (DQO), la intensidad de corriente, la resistencia del circuito externo y el voltaje

producido por la celda.

2

En el capítulo IV, se muestran los resultados obtenidos en la investigación, el análisis y

discusión de los mismos, mediante el uso de gráficas y la interpretación estadística (del diseño

experimental).

En el capítulo V, se describen las conclusiones del trabajo de investigación. También se

incluyen recomendaciones para futuras investigaciones.

3

Capítulo I

El Problema

Planteamiento del Problema

Las aguas residuales, debido a la gran cantidad de sustancias tóxicas y microorganismos que

portan, pueden ser causa y vehículo de contaminación, especialmente en lugares donde son

evacuadas sin un tratamiento previo. Existen una gran variedad de aguas residuales, como por

ejemplo las domésticas, industriales, agrícolas, etc. Las aguas residuales de efluentes

domésticos e industriales, están constituidas por compuestos orgánicos y cantidades

significativas de materia orgánica y por lo tanto valores de DQO muy altos, razón por la cual

representan un problema de contaminación del agua, ya que causan efectos negativos sobre la

salud y el ambiente. (Espigares & Pérez, 2003)

La OMS indicó que el consumo de agua para actividades como beber, cocinar, higiene y

limpieza, es de 50 L/habitante-día. En Ecuador en el año 2012, el 76,5% de la población tuvo

acceso al agua potable, de lo cual el consumo medio de agua en los hogares al mes de la región

sierra fue de 27,3 m3, de lo cual parte es eliminada directamente a alcantarilla, ríos u otra fuente.

(INEC, 2013)

En el año 2015 en Ecuador la disposición final de agua residual no tratada a nivel nacional

fue del 59,26% en ríos, 25,19% en quebradas y 15,56% a otros sitios de descarga. Esto debido

a que algunas ciudades no cuentan con sistemas de tratamiento de agua residual, pero la mayor

parte de las provincias si cuentan con plantas de tratamiento de agua residual como son Azuay,

El Oro, Guayas, Pichincha, etc. (INEC, 2015)

Existe una variedad de tratamientos para este fin, ya sea por medios físicos, químicos o

biológicos, por ejemplo, la nanofiltración, fitorremediación, o fotocatálisis, pero estos

tratamientos presentan varias limitaciones, como por ejemplo un alto costo, y en su mayoría no

generan un subproducto utilizable inmediatamente. Razón por la cual una de estas nuevas

alternativas de tratamiento son las celdas de combustible microbianas (CCMs), en lo cual se

enfocó el presente proyecto, ya que este tipo de tratamiento ofrece la posibilidad de degradar

la materia orgánica presente en el agua residual, obteniéndose como subproducto la generación

de electricidad.

A pesar de las ventajas que presenta esta nueva tecnología, también es importante considerar

las desventajas de las mismas, según Buitrón & Pérez (2011), la disminución de la eficiencia

en la generación de electricidad y eliminación de los contaminantes, se debe a varios factores,

razón por la cual algunos de ellos son investigados para mejorar la eficiencia de la celda, como

son las especies que capaces de transferir electrones, el diseño, los materiales que constituyen

las celdas, la adición de mediadores químicos, membranas intercambiadoras de protones, y las

condiciones ambientales más favorables para la actividad microbiana, etc. No obstante, es

posible mejorar la eficiencia de las CCMs, a través de varios mecanismos, por ejemplo, la

aplicación de campos magnéticos, mejora la actividad enzimática y electroquímica de los

biofilms, lo cual implica un aumento en la actividad bacteriana y aceleración en la degradación

4

de contaminantes. (Tong, y otros, 2015). Por esta razón, en esta investigación se propuso la

aplicación de un campo magnético, que mejore el rendimiento de la celda, degradando la

materia orgánica presente en el agua residual doméstica de forma más rápida y generando al

mismo tiempo electricidad.

Formulación del Problema

¿A partir de la aplicación de un campo magnético en celdas de combustible microbianas

tipo batch, es posible mejorar la eficiencia de éstas al descontaminar aguas residuales

domésticas (disminución de DQO) y producir energía eléctrica a partir de este proceso?

Objetivos

Objetivo general.

Evaluar la aplicación de un campo magnético en la producción de energía eléctrica a partir

de la degradación de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible microbianas

tipo batch, propuestas en el laboratorio de Energías Renovables de la UCE.

Objetivos específicos.

Elaborar un modelo de celda de combustible microbiana tipo batch con aplicación

de un campo magnético.

Evaluar el efecto del campo magnético en la remoción de contaminantes mediante

el uso de celdas de combustible microbianas, en aguas residuales sintéticas y reales.

Evaluar el efecto del campo magnético en la producción de electricidad por parte de

las celdas de combustible microbianas con aguas residuales sintéticas y reales.

Analizar y reportar las mejores condiciones de funcionamiento de las celdas de

combustible microbianas tipo batch.

Justificación e Importancia

En la actualidad el desecho de aguas residuales domésticas se ha convertido en una

problemática de gran impacto ambiental, esto debido a que no existe un tratamiento adecuado

antes de la disposición final del agua proveniente de diferentes fuentes como hogares,

industrias, etc.

Las aguas residuales provenientes de la industria, la agricultura y de las casas contienen

materia orgánica disuelta que requiere ser removida antes de ser descargada al ambiente.

Actualmente, existen procesos para remover los contaminantes orgánicos presentes en esta

agua de desecho, la mayoría de estos procesos son tratamientos aeróbicos, los cuales consumen

grandes cantidades de energía en el proceso de aeración. Sin embargo, el tratamiento de aguas

residuales ha empezado a ser reconocido como una fuente renovable para la producción de

electricidad lo cual podría emplearse para el mismo proceso de tratamiento de efluentes.

(Aelterman et al., 2006, Logan & Reagan, 2006).

Por lo tanto, las CCMs hacen posible la producción de una energía “verde” mediante la

explotación de la materia orgánica (contaminantes) contenida en las aguas residuales

5

domésticas e industriales y al mismo tiempo consiguiendo la depuración de las mismas. El

potencial de las CCMs es enorme dado que esta novedosa tecnología aporta importantes

ventajas funcionales y operativas sobre las tecnologías actualmente utilizadas para la

generación de energía y para la depuración de aguas a partir de oxidación de materia orgánica.

(Hernández, Pérez, Larrosa, Sánchez, & Lozano, 2011). A pesar de estas ventajas, como se

mencionó anteriormente, la eficiencia de las CCMs en la producción de energía es baja, y esto

se debe a varios factores por ejemplo el corto tiempo que se mantienen estables los compuestos,

el modelo de celda, los tipos de electrodos, etc., lo cual limita el tiempo de vida de la CCM.

Asimismo, Falcón, Lozano, & Juárez (2009), afirman que los problemas que actualmente

restringen el desempeño de las CCMs son diversos, entre ellos se encuentra la limitación

existente en su resistencia interna derivada de la transferencia de protones y su pobre cinética

de reducción de oxígeno al cátodo; por lo tanto, las posibles causas que disminuyen el

rendimiento en la generación de energía es: la falta de catalizadores, baja temperatura y área

de contacto en los electrodos, entre otros (Mendoza, 2004). Lovley propone que el flujo de

electrones en una CCM puede incrementarse hasta en 4 órdenes de magnitud si la bacteria

Geobacter transportara electrones al ánodo a la misma velocidad que lo hace hacia su aceptor

natural de electrones (Holzman et al. 2005). Razón por la cual, para poder incrementar la

energía producida por las CCMs, se conoce que al aplicar un campo magnético en bacterias

electrogénicas, éstas aceleran su metabolismo generando una mayor oxidación de la materia

orgánica presente en el sustrato y por ende mayor flujo de electrones (Yin, y otros, 2016);

debido a esto el presente proyecto se enfocó en la construcción de CCMs aplicando un campo

magnético de 95 mT.

Por lo mencionado anteriormente es evidente que ha surgido la necesidad de tratar el agua

proveniente de diversas fuentes, entre ellas las domésticas; pero muchos de los tratamientos

tienen un alto costo, razón por la cual el presente proyecto se enfocó en elaborar CCMs, con

materiales reciclables y de bajo costo, ofreciendo la posibilidad de degradar la materia orgánica

presente en el agua residual, y generando bioelectricidad como un subproducto. De esta manera

la producción de energía eléctrica, se convierte en una alternativa accesible, factible y sin

índices de contaminación, mejorando el cuidado del ecosistema y del ambiente.

6

Capítulo II

Marco Teórico

Antecedentes de la investigación

La presente investigación se realizó debido a la necesidad de producir energía eléctrica

renovable, es decir sin el uso de combustibles fósiles, aprovechando de esta forma la materia

orgánica (contaminante) presente en el agua residual, con lo cual aparte de generar

bioelectricidad también se contribuye a disminuir los valores de DQO que son un indicativo de

contaminación acuática. Por esta razón, se han realizado varias investigaciones con respecto a

la obtención de energía eléctrica, mediante celdas de combustible microbianas, para el

tratamiento de aguas residuales.

En el año 2008, Alzate, L., Fuentes, C., Álvarez, A., y Sebastián, P., realizaron un estudio

titulado: “Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo

PEM”, el cual consiste en la elaboración de celdas de combustible microbianas, constituidas

por dos cámaras separadas por una membrana de intercambio protónico, se emplearon

electrodos de papel carbón y como biocatalizadores para el ánodo utilizaron un inóculo mixto

de bacterias anaerobias y como sustrato agua residual doméstica sintética. En este estudio se

determinó la influencia de varios factores sobre el rendimiento de la celda de combustible

microbiana, como la temperatura y el pH y concluyeron que se obtiene una mejor densidad de

potencia a una temperatura de 35 ± 5°C y un pH entre 5-6, además la eficiencia coulómbica

obtenida fue de 59,8%, con lo cual se puede concluir que este tipo de tecnología permite generar

electricidad y al mismo tiempo degradar la materia orgánica presente en el agua residual.

En el año 2013, se realizó una investigación por parte de Revelo, D., Hurtado, N. & Ruiz,

N., titulado “Celdas de combustible microbianas (CCMS): un reto para la remoción de materia

orgánica y la generación de energía eléctrica”, en el cual se explica cómo influyen ciertos

parámetros como arquitectura de la celda, función microbiana y tipo de sustrato, en el

desempeño de una celda de combustible microbiana. Se concluyó que la CCM es una

tecnología promisoria para propósitos de generación alternativa de energía, remoción de

materia orgánica y biorremediación; sin embargo, para aplicaciones prácticas es necesario

mejorar la eficiencia en los procesos bioelectroquímicos y en el desempeño eléctrico. (Buitrón

& Pérez, 2011)

Existen varios factores que afectan la eficiencia de la celda de combustible microbiana, uno

de ellos es el tipo de sustrato empleado, como se menciona en la investigación realizada por Li

Xiao, Tong & He (2013), cuyo estudio se titula “Recovery of Electrical Energy in Microbial

Fuel Cells”, en dicha investigación se estudiaron CCMs operadas continuamente y hace

referencia a la recuperación de energía eléctrica en CCMs a diferentes escalas, con diferentes

sustratos, con o sin membrana de intercambio iónico. En dicho estudio se menciona que los

sustratos puros conducen a un mejor rendimiento tanto en la potencia como en la recuperación

de energía, debido a esto los compuestos orgánicos son una fuente rica en electrones para la

generación de electricidad, razón por la cual son buenos sustratos, en este estudio se eligió un

sustrato simple como el acetato ya que presenta vías de degradación simple con menos pérdida

7

de energía, y conduce a densidades de potencia más altos que la glucosa; confirmando de esta

manera que el acetato es uno de los mejores sustratos para la CCM.

Como se mencionó anteriormente la eficiencia de las CCMs son deficientes, debido a ello

se ha tratado de buscar las mejores condiciones de operación, en lo que se refiere a

infraestructura de la celda, así como también tipos de microorganismos empleados. Por esta

razón desde hace tiempo ha surgido un interés por el estudio de los efectos biológicos de los

campos magnéticos en microorganismos, dicha información se puede encontrar en

investigaciones realizadas por Moore, R. (1979) y Velizarov, S. (1999), en los cuales se explica

las limitaciones, perspectivas y posibilidades que brindan los campos magnético y eléctrico en

la biotecnología microbiana.

De acuerdo con esto, en el año 2016, Yin & otros, realizaron un estudio titulado: “Increased

electroactive species concentration in anodic biofilm of Geobacter-inoculated microbial fuel

cells under static magnetic field”, en el cual plantean que mediante la aplicación de diferentes

campos magnéticos (100, 200 y 400 mT) a la cámara anódica de una CCM usando como

sustrato una solución de acetato, se logra un aumento en la intensidad de corriente, dicho campo

fue colocado de forma paralela al ánodo; en esta investigación se realizó una comparación entre

celdas con y sin campo magnético y se pudo comprobar que los mejores resultados se

obtuvieron aplicando un campo magnético de 100 mT, esto debido a que hay una mejora en la

eficiencia directa en la transferencia de electrones por bacterias Geobacter sulfurreducens.

Previo a esto, en el año 2013, Yin, Huang, Tong, Liu, & Zhang, realizaron un estudio

titulado: “Electricity production and electrochemical impedance modeling of microbial fuel

cells under static magnetic field”, en dicho estudio se emplearon celdas de combustible de dos

cámaras, a las cuales se le aplican campos magnéticos de 0, 100, 200 y 300 mT, y se confirmó

que a 100 mT se obtuvo un voltaje estable en menor tiempo en comparación a los otros valores

aplicados, por lo tanto lograron determinar un rango óptimo de campo magnético para los

microorganismos. Tong & otros (2015), en su estudio: “Application of a weak magnetic field

to improve microbial fuel cell performance”, confirmaron dicho comportamiento, mediante la

aplicación de un campo magnético de 100 mT, observaron un incremento en la intensidad de

corriente, y se concluyó que bajo la aplicación de dicho campo se mejora la actividad

bioelectroquímica de los microorganismos.

También en otras investigaciones se ha estudiado el efecto de los campos magnéticos en la

formación del biofilm anódico de las CCMs, uno de ellos fue realizado por Zhao, Li, Ren, &

Wang, (2016), cuyo estudio se titula: “Effect of static magnetic field on the performances and

anode biofilms in microbial fuel cells”, en el cual se estudió el efecto de la aplicación de

campos magnéticos estáticos altos y bajos y se concluyó que a valores de intensidad de campo

bajos (120 mT-220 mT) se observaron mejores resultados como un incremento en el voltaje,

eficiencia coulómbica y remoción de contaminantes, mientras que a campos magnéticos altos

( 360 mT) se observaron efectos negativos en el comportamiento de la CCM, ya que es

perjudicial para el crecimiento bacteriano.

8

Con lo expuesto anteriormente se evidencia que existen varios estudios sobre el ensamblaje

de las CCMs para la generación de electricidad y el tratamiento de aguas residuales,

degradando la materia orgánica presente en la misma, pero debido a que no se logran altas

eficiencias, se han evaluado varios modelos, modificaciones y variación en las condiciones de

las celdas y sus componentes, razón por la cual en esta investigación se planteó un modelo de

CCM tipo batch, a la cual se aplicó un campo magnético de 95 mT para mejorar la intensidad

de corriente y la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual doméstica.

Fundamentación Teórica

Aguas Residuales.

Se define como el tipo de agua procedente del empleo de un agua natural o de la red en un

uso determinado, contienen gran variedad de sustancias contaminantes; sin embargo, su

definición es compleja, ya que está en función de las características que se den en cada

población o industria, así como también del sistema de recogida que se emplea. (Osorio, Torres,

& Sánchez, 2010). Por lo tanto, se pueden clasificar en:

Aguas residuales domésticas: Son procedentes de zonas de vivienda y de servicios,

generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividades domésticas.

(Centa, 2008)

Infiltraciones y aportaciones incontroladas: Son aguas que entran de forma directa

o indirecta en la red de alcantarillado. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010)

Aguas residuales industriales: todas las aguas residuales vertidas desde locales

utilizados para cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas

residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial.

Aguas pluviales: Son resultantes de las escorrentías superficiales, con metales

pesados como contaminantes. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010)

Contaminantes acuáticos.

Según Osorio & otros (2010), la composición de las aguas residuales puede ser muy

variable, ya que depende de muchos factores.

Los principales contaminantes que aparecen en las aguas residuales urbanas son:

Objetos gruesos: trozos de madera, trapos, plásticos, etc., que son arrojados a la red

de alcantarillado.

Arenas: bajo esta denominación se engloban las arenas propiamente dichas, gravas

y partículas más o menos grandes de origen mineral u orgánico.

Grasas y aceites: sustancias que al no mezclarse con el agua permanecen en su

superficie dando lugar a natas. Su procedencia puede ser tanto doméstica como

industrial. (Centa, 2008)

9

Sólidos en suspensión: partículas de pequeño tamaño y de naturaleza y procedencia

muy variadas Aproximadamente el 60% de los sólidos en suspensión son

sedimentables y un 75% son de naturaleza orgánica.

Sustancias con requerimientos de oxígeno: compuestos orgánicos e inorgánicos que

se oxidan fácilmente, lo que provoca un consumo del oxígeno presente en el medio

al que se vierten. (Centa, 2008)

Nutrientes (nitrógeno y fósforo): Debido principalmente a detergentes y

fertilizantes. Igualmente, las excretas humanas aportan nitrógeno orgánico.

Agentes patógenos: organismos (bacterias, protozoos, helmintos y virus), presentes

en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y que pueden producir o

transmitir enfermedades.

Contaminantes emergentes o prioritarios: Estas sustancias aparecen principalmente

añadidas a productos de cuidado personal, productos de limpieza doméstica,

productos farmacéuticos, etc. (Centa, 2008)

Entre los distintos contaminantes que contiene el agua residual urbana, se encuentra

principalmente la materia orgánica, estos compuestos son de naturaleza reductora, suelen estar

presente de forma coloidal o disuelta. Puede subdividirse en varias categorías, como se observa

en la figura 2.1.

Figura 2.1. Subdivisión de la materia orgánica en las aguas residuales.

Fuente: Osorio, Torres, & Sánchez (2010)

Compuestos orgánicos de efluentes domésticos e industriales.

Existe una gran diversidad de compuestos orgánicos presentes en el ambiente acuático

causando la contaminación del mismo; ejemplos de éstos son los hidrocarburos, aromáticos

policíclicos, algunos de los cuales son cancerígenos, otros contaminantes son los fenoles que

provocan problemas de olor y sabor cuando reaccionan con el cloro en los procesos de

cloración del agua. Otras sustancias a tener en cuenta son los compuestos organometálicos, ya

que su presencia en el ambiente, incluso a pequeñas concentraciones, puede afectar a la cadena

alimentaria, alcanzando concentraciones mucho mayores en los organismos. Los de mayor

interés son los derivados del plomo, cadmio, estaño y mercurio. (Espigares & Pérez, 2003)

Materia Orgánica

No biodegradable

Soluble Particulada

Biodegradable

Rápidamente biodegradable

Soluble Particulada Soluble

Lentamente biodegradable

Paticulada

10

Tabla 2.1 Composición típica de las aguas residuales domésticas

Fuente: (Metcalf & Eddy,1995)

Evaluación de la calidad del agua residual.

Los principales parámetros a ser evaluados son: sólidos suspendidos totales, demanda

química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), contenido de nutrientes

(N y P), contenido de gérmenes y metales pesados. (Rojas, 2002)

El componente orgánico de las muestras de aguas residuales es estimado generalmente en

términos de las demandas de oxígeno utilizando la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO),

la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO) o en términos

del Carbono Orgánico Total (COT). En la caracterización de las aguas residuales, de acuerdo

con la industria es necesario el análisis de otros compuestos orgánicos como son ácidos

orgánicos, alcoholes, aldehídos, fenoles y aceites específicamente en la industria petroquímica.

(Barba, 2002)

Barba, L. (2002), afirma que la caracterización inorgánica debe incluir pruebas que

suministren información sobre la toxicidad potencial del desecho (tales como metales pesados

y amoníaco), los contaminantes que requieran un tratamiento específico (como acidez o

alcalinidad, pH y sólidos en suspensión), la evaluación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) y

sustancias interferentes o inhibidoras (como cloruros o sulfatos).

Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO).

Según Lozano (2013), la DBO es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica

contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de oxígeno que requieren los

microorganismos para degradar los compuestos biodegradables.

11

Demanda Química de Oxígeno (DQO).

La DQO es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica (y la inorgánica

oxidable) o de carga contaminante orgánica contenida en una muestra; esta prueba emplea un

oxidante (K2Cr2O7) en un medio ácido (H2SO4). (Lozano, 2013)

El análisis de la DQO usa la oxidación química, para efectuar la misma reacción que

provocan los microorganismos con la materia orgánica, pero en este caso el carbono es oxidado

a anhídrido carbónico, permaneciendo el nitrógeno amino amoniacal en su mismo grado de

oxidación, el nitrógeno correspondiente a los nitritos se oxida a nitratos. La reacción se lleva a

cabo con las acciones combinadas de temperatura elevada, ácido sulfúrico carbonizador de la

materia orgánica, conjuntamente con el poder oxidante del dicromato potásico. (Gil Rodríguez,

2006)

Tratamiento de aguas residuales.

El tratamiento de las aguas residuales consta de un conjunto de operaciones físicas,

biológicas y químicas, que tienen como objetivo eliminar la mayor cantidad posible de

contaminantes antes de su disposición final, de forma que los niveles de contaminación que

queden en los efluentes tratados cumplan los límites legales existentes y puedan ser asimilados

de forma natural por los cauces receptores. (Alianza por el agua, Centa, 2008)

Tratamientos convencionales.

Según Reynolds (2002), los pasos básicos para el tratamiento de aguas residuales incluyen:

Pretratamiento.

Es la remoción física de objetos grandes. Comprende una serie de operaciones físicas y

mecánicas, que tienen por objetivo separar del agua residual la mayor cantidad posible de

materias, que por su naturaleza o tamaño, pueden dar lugar a problemas en las etapas

posteriores del tratamiento. (Centa, 2008)

Deposición primaria.

Corresponde a la sedimentación por gravedad de las partículas sólidas y contaminantes

adheridos. Los tipos fundamentales de tratamientos primarios son: el cribado o desbrozo, la

sedimentación, la flotación y la neutralización y homogeneización. (Ramalho)

Tratamiento secundario.

Corresponde a la digestión biológica usando lodos activados o filtros de goteo que fomentan

el crecimiento de microorganismos. (Reynolds, 2002)

Tratamiento terciario.

Corresponde al tratamiento químico (por ejemplo, precipitación, desinfección). También

puede utilizarse para realzar los pasos del tratamiento primario. (Reynolds, 2002)

12

Tratamientos No convencionales.

Fotocatálisis.

Actualmente existen varias alternativas para el tratamiento de aguas residuales, uno de ellos

es la fotocatálisis como se menciona en un estudio realizado por Garcés & otros (2005), en el

cual se explica que la fotocatálisis con luz solar es un proceso de oxidación avanzada, en el

cual se utiliza la luz solar que llega a la superficie terrestre para generar reacciones químicas

de óxido reducción que dan lugar a la eliminación de los compuestos orgánicos, generalmente

se utiliza el dióxido de titanio (TiO2) como fotocatalizador.

Otra alternativa para el tratamiento de aguas residuales corresponde a las celdas de

combustible microbianas, mediante las cuales se degrada la materia orgánica y se obtiene como

subproducto electricidad.

Celdas de Combustible Microbianas.

Las celdas de combustible microbianas (CCMs) son dispositivos que utilizan

microorganismos que transforman la energía química contenida en compuestos orgánicos en

energía eléctrica, de forma directa, sin combustión (Logan et al., 2008).

Esto es posible cuando bajo ciertas condiciones algunos microorganismos transfieren los

electrones producidos en su actividad metabólica a un electrodo (ánodo) en lugar de a un

aceptor natural de electrones (como oxígeno). Este proceso contribuye a degradar la materia

orgánica representada como sustrato o combustible (Pant et al., 2010)

Arquitectura y funcionamiento de las celdas de combustible microbianas.

Una CCM está constituida principalmente de dos cámaras, una catódica y una anódica,

separadas por una membrana de intercambio protónico (MIP) y con un electrolito, que es el

medio de transporte iónico. (Logan y col., 2006).

La cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que al oxidarse por acción de los

microorganismos, generan electrones, protones y CO2. En cada una de las cámaras se coloca

un electrodo, el ánodo en la cámara anaeróbica y el cátodo en la cámara aeróbica (Du et al.,

2007), una vez los electrones se liberan en la cámara anódica, éstos son captados por el ánodo

y posteriormente transferidos hacia el cátodo mediante un circuito externo. Simultáneamente,

en la cámara anódica se generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del

separador (Li et al., 2011), donde se combinan con el oxígeno del aire para reducirse a agua

con los electrones que captan directamente del cátodo. (Revelo, Hurtado, & Ruiz, 2013)

Materiales de fabricación.

Los materiales empleados para la construcción de las CCMs, son de gran importancia ya

que éstos deben procurar maximizar la generación de energía y la eficiencia Coulómbica.

13

a) Ánodo.

Es el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación de la materia orgánica presente en el

sustrato. (Chang, 2002).

Para el ánodo, los materiales deben ser altamente conductores, no corrosivos, gran superficie

específica (área por volumen), alta porosidad, barato y fácil de fabricar y debe ser escalable a

tamaños mayores. (Logan, Microbial Fuel Cells, 2008)

Los electrodos utilizados pueden ser a base de carbono en papel, tela y formas de espuma.

Estos materiales tienen una alta conductividad y parecen ser adecuados para el crecimiento

bacteriano. El papel carbón es rígido y ligeramente quebradizo, pero se conecta fácilmente a

un alambre, el cual puede ser de cobre, pero se corroe con el tiempo, ya sea liberando cobre en

la solución (que puede ser tóxico para las bacterias) o haciendo que el electrodo se separe del

alambre. Los cables de acero inoxidable o de titanio funcionan mejor en una CCM. Otros

materiales que se utilizan en el ánodo son los polímeros conductores como la polianilina.

b) Cátodo.

En el cátodo se produce la reacción de reducción del oxígeno, que es el aceptor de electrones

más adecuado para una CCM debido a su alto potencial de oxidación, su disponibilidad, bajo

coste, la sostenibilidad y la no formación de productos contaminantes, ya que el producto

formado es agua. La elección de los materiales catódicos afecta en gran medida al rendimiento

y es muy diversa según el tipo de pila. El uso de cátodos en los que el único catalizador es

carbono presenta una cinética para la reducción de oxígeno muy lenta. (Falcón, Lozano, &

Juárez, 2009)

Generalmente se utilizan electrodos de carbono con catalizadores de Pt. El material

comúnmente utilizado es papel carbón comercialmente pre-cargado con un catalizador de Pt,

cuando el catalizador se aplica al carbono, debe ser retenido allí usando un material que permita

la transferencia de protones, electrones y oxígeno. Por lo tanto, el Nafion se usa debido a su

alta conductividad de protones y permeabilidad al oxígeno. (Logan, 2008).

Se han desarrollado CCMs de biocátodo o de cátodo microbiano (Huang et al., 2011), en las

que a diferencia de los cátodos abióticos, los microorganismos son usados como

biocatalizadores para aceptar electrones a partir del cátodo y así reemplazar el uso de

catalizadores químicos costosos. Los biocátodos son de dos tipos: (1) biocátodos aeróbicos que

usan oxígeno como el oxidante y microorganismos que asisten la oxidación de compuestos

metálicos de transición, tales como Mn (II) o Fe (II), para la entrega de electrones al oxígeno;

(2) biocátodos anaeróbicos que usan diferentes compuestos como aceptores terminales de

electrones, tales como: nitrato, sulfato, Mn (IV), Fe (III), selenato, arsenato, fumarato,

perclorato, cloroetenos, 2-clorofenol, ClO4-, U (VI), Cr (VI), H+, CO2, entre otros (Sharma y

Kundu, 2010; Huang et al., 2011).

c) Membrana de intercambio de protones (MIP).

La MIP un importante componente del sistema porque impide el paso de electrones de la

cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones. Puede ser de varios tipos: membrana de

intercambio de cationes (MIC), membrana de intercambio de aniones, membrana bipolar,

14

membrana de microfiltración, membrana de ultrafiltración, puente salino, fibra de vidrio,

membranas porosas y otros materiales para filtrado (Li et al., 2011).

La MIC más comúnmente utilizada es el Nafion 117; el código 117 se utiliza para distinguir

el espesor de la membrana (0,019 cm) de otros. Esta membrana fue desarrollada para su uso en

un HFC (celda de combustible de hidrógeno) y por lo tanto fue optimizada para crear un

ambiente estable y conductor para altas concentraciones de protones (bajo pH) en condiciones

donde el contenido de agua es cuidadosamente controlado. Sin embargo, este material se satura

completamente con agua en una CCM, produciendo un pH que refleja las propiedades de la

solución (probable pH neutro). (Logan, Microbial Fuel Cells, 2008)

A continuación, en la figura 2.2 se observa una gráfica de una CCM de dos cámaras, en la

cual se especifica la cámara anódica y catódica.

Figura 2.2. Componentes de una CCM de cámara doble

Fuente: Revelo, Hurtado, & Ruiz. (2013)

Una variante de la CCM de doble cámara se obtiene eliminando la cámara catódica y

exponiendo el cátodo directamente al aire, transformándose así en una CCM de una sola cámara

(Du et al., 2007). No obstante, es conocido que las CCMs de una sola cámara pueden tener un

separador, como las diseñadas por Park y Zeikus (2003) y Liu y Logan (2004) que utilizan una

MIP o también pueden prescindir de éste, como las utilizadas por Yang et al. (2009) para

estudiar su desempeño eléctrico.

Microorganismos en las CCMs.

Los microorganismos anaerobios evolucionaron durante millones de años utilizando varios

métodos para reducir los compuestos para apoyar el metabolismo, todos sin oxígeno gaseoso

para impulsar la respiración. Las bacterias que evolucionaron fueron probablemente capaces

de utilizar un número de diferentes tipos de aceptores de electrones, algunas bacterias

desarrollaron la capacidad de transferir electrones fuera de la célula, denominadas bacterias

exoelectrógenas, "exo-" para exocelulares y "electrógenos" basados en la capacidad de

transferir electrones directamente a un producto químico o material que no es el aceptador de

electrones inmediato. Las bacterias exoelectrogénicas se distinguen de estos anaerobios por su

15

capacidad de transportar directamente electrones fuera de la célula que les permite funcionar

en una CCM. Los biofilms electroquímicamente activos tienen gran importancia en el ambiente

natural, principalmente en la oxidación y reducción del metal y los efectos asociados sobre la

disolución mineral, el ciclo del carbono y la sorción y complejación de fósforo y metales

pesados. También pueden tener un papel más importante en el cumplimiento de una necesidad

de producción de bioenergía a través de la generación directa de electricidad. (Logan, Microbial

Fuel Cells, 2008)

Entre los microorganismos electrógenos, más estudiados se encuentran Geobacter y

Rhodoferax; los cuales poseen mecanismos de transporte de electrones internos y no requieren

la ayuda de mediadores para liberar dichos electrones al ánodo. La producción de electricidad

utilizando microorganismos electrógenos en una CCM tiene algunas ventajas significativas

(Bond & Lovley, 2003). Una de ellas es la completa oxidación de la materia orgánica a dióxido

de carbono que estos microorganismos hacen posible y que se traduce en una alta eficiencia

coulómbica en el proceso (Lovley & Nevin, 2008). Otra ventaja utilizando electrógenos es su

sustentabilidad a largo plazo. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)

a) Metabolismo Microbiano.

El metabolismo implica la totalidad de las reacciones química que se producen en un

organismo vivo, ya que las reacciones químicas liberan o consumen energía, el metabolismo

se puede concebir como una función de equilibrio energético. En consecuencia, se puede

dividir en dos clases de reacciones químicas: las que liberan energía y las que consumen

energía.

Las reacciones catabólicas o degradantes, son aquellas reguladas por enzimas que liberan

energía, es decir ocurre la degradación de compuestos orgánicos complejos para su conversión

en compuestos más simples. Un ejemplo es la degradación celular de los azúcares para formar

dióxido de carbono y agua.

Las reacciones reguladas por enzimas que requieren energía se relacionan con el

anabolismo, es decir la formación de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más

simples. (Tortora, Funke, & Case, 2007)

El metabolismo microbiano requiere energía para la síntesis celular. Dependiendo del tipo

de aceptor/donador de electrones y la producción de energía asociada, una proporción variable

de los electrones aportados por la fuente de energía estará disponible para la síntesis de

biomasa.

La producción de energía del catabolismo depende de la oxidación y la reducción de los

productos químicos disponibles para los microorganismos. En una reacción dada, el donador

de electrones se oxida, mientras que el aceptor de electrones se reduce. El donador de electrones

se considera que es el sustrato de alta energía o "comida" de la reacción y una gran variedad de

compuestos pueden desempeñar esta función. El aceptor de electrones, por el contrario, es una

16

forma oxidada y está disponible en un número más limitado para los sistemas biológicos

(principalmente oxígeno, nitrato, nitrito, hierro (III), sulfato, dióxido de carbono). (López,

Buitrón, García, & Cervantes, 2017)

b) Formación de Biofilm.

Según Donlan (2002), un biofilm es “una comunidad microbiana sésil, caracterizada por

células que están adheridas irreversiblemente a un substrato o interfase, o unas con otras,

encerradas en una matriz de sustancias poliméricas extracelulares que ellas han producido, y

exhiben un fenotipo alterado en relación con la tasa de crecimiento y trascripción génica”. En

la figura 2.3 se muestra el proceso de formación de un biofilm.

Figura 2.3. Esquema del desarrollo de un biofilm sobre un sustrato

c) Mecanismos de transferencia de electrones.

El mecanismo de transferencia de electrones es un proceso en el cual los electrones

derivados de la oxidación de compuestos orgánicos son transferidos a la superficie externa de

la célula para reducir un aceptor terminal de electrones extracelular (Lovley, 2008). Existen

diferentes mecanismos para explicar cómo los microorganismos liberan los electrones al

electrodo: a) Transferencia directa con la participación de citocromos, b) Transferencia con

ayuda de mediadores externos o producidos por el mismo organismo y c) Transferencia por

medio de los nanocables bacterianos o pili. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)

Condiciones de operación.

El desempeño de una CCM depende de muchos factores incluyendo el tipo de

microorganismos utilizados, el tipo y concentración de biomasa utilizada como combustible,

fuerza iónica, pH, temperatura, y la configuración del reactor. (Liu et al., 2005). Los parámetros

de operación pueden ser regulados para bajar la polarización y de esta manera aumentar el

desempeño de una CCM. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)

17

Evaluación de una CCM.

El rendimiento de una CCM debe evaluarse tanto desde el punto de vista de la producción

de energía como de la depuración simultánea de las aguas residuales empleadas. Para ello se

llevan a cabo medidas periódicas de voltaje y de DQO. A partir del voltaje (Epila) se puede

determinar la intensidad, la potencia y la eficiencia coulómbica de las celdas. (Hernández,

Pérez, Larrosa, Sánchez, & Lozano, 2011)

𝑃𝑉 =𝐸2

𝑝𝑖𝑙𝑎

𝑉𝑅𝐸𝑥𝑡 𝐸𝑐. 1

Donde Pv es la potencia volumétrica (W/m3), y V es el volumen total del reactor.

Con relación a la resistencia interna (RI) éste es un parámetro muy importante para

caracterizar un generador de corriente como lo es una CCM. Se puede obtener a partir del

análisis de las curvas de polarización que se derivan de las mediciones de voltaje en la

resistencia externa (Hoyos et al., 2007; Rismani-Yazdy et al., 2011), o por la técnica de

espectroscopia de impedancias (Hou et al., 2012; Fuentes-Albarrán et al., 2012), que se

fundamenta en la aplicación de una pequeña señal de voltaje a la celda electroquímica y

posterior medición de la corriente a través de ella (Ramírez et al., 2009).

Eficiencia coulómbica.

La eficiencia coulómbica, CE, se define como la relación entre el número de coulombios

realmente transferidos al ánodo desde el sustrato y el número máximo posible de coulombios

transferidos si todo el sustrato fuera capaz de producir corriente.

La generación de energía es un objetivo principal de operación de la CCM, pero también

busca extraer la mayor cantidad posible de electrones almacenados en la biomasa como

corriente y recuperar la mayor cantidad de energía posible del sistema. La recuperación de los

electrones se denomina Eficiencia Coulómbica, definida como la fracción (o porcentaje) de

electrones recuperados como corriente vs la materia orgánica de partida. La oxidación de un

sustrato se produce con la eliminación de electrones, con los moles de electrones definidos para

cada sustrato (be) sobre la base de escribir una media reacción. (Logan, Microbial Fuel Cells,

2008)

La eficiencia de Coulómbica, CE, se define como:

𝐶𝐸 =𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠

𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝐸𝑐. 2

El total de coulombios obtenidos se determina integrando la corriente frente al tiempo, con

el fin de poder obtener la eficiencia coulómbica de una CCM alimentada en modo por lotes,

Cb, evaluada durante un período de tiempo, que se calcula como:

𝐶𝐸 =𝑀

𝑚 ∫ 𝑖(𝑡)𝑑𝑡𝑡

𝑜

𝐹 ∙ ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑏 ∙ 𝑉 𝑥 100 𝐸𝑐. 3

18

Donde: Mm es la masa molecular de oxígeno (32 g/mol); i(t) es la intensidad de corriente (A

= C/s); F es la constante de Farafay (96485 C/mol de e-), ∆DQO es la variación de DQO durante

el tiempo transcurrido tb (DQOinicial - DQOt); b son los moles de electrones producidos por

mol de oxígeno y V es el volumen de líquido en la cámara anódica. La integral del numerador,

que equivale a la carga acumulada, se calcula por el método de los trapecios. (Hernández,

Pérez, Larrosa, Sánchez, & Lozano, 2011)

Curva de polarización y potencia.

El voltaje a circuito abierto (OCV) medido para una CCM es el voltaje máximo que se puede

obtener con el sistema, con las limitaciones impuestas por la comunidad bacteriana específica

y la obtenida del potencial a circuito abierto (OCP) del cátodo. Para una CCM, con cualquier

fuente de alimentación, el objetivo es maximizar la potencia de salida y por lo tanto obtener la

mayor densidad de corriente en condiciones de máximo potencial. Al reducir esa resistencia,

bajamos el voltaje. Por lo tanto, se busca tener la menor caída posible de voltaje a medida que

se incrementa la corriente para maximizar la producción de energía en el rango de interés

actual.

Se utiliza una curva de polarización para caracterizar la corriente como una función del

voltaje. Al cambiar la resistencia externa del circuito (carga) obtenemos un nuevo voltaje, y

por lo tanto una nueva corriente a esa resistencia, como se puede observar en la figura 2.4A.

Por lo tanto, para obtener una curva de polarización usamos una serie de diferentes resistencias

en el circuito, midiendo el voltaje en cada resistencia. Entonces se calcula la corriente como I

= E/Rext, o la densidad de corriente normalizando por un Área del electrodo (usualmente el

ánodo), y el voltaje del diagrama frente a la corriente para obtener la curva de polarización. La

curva muestra cómo la CCM mantiene un voltaje en función de la producción de corriente. En

la gráfica 2.4 B se puede observar la corriente y el voltaje del gráfico frente a la densidad de

corriente o corriente para obtener la curva de polarización; y la potencia, para obtener la curva

de densidad de potencia.

Figura 2.4. Curvas de Polarización y densidad de potencia de una CCM

Fuente: Logan, B. (2008).

19

La curva de densidad de potencia se calcula a partir del voltaje medido como P = E2/R, o

alternativamente como P = I2R. Los investigadores de CCM suelen utilizar la parte superior de

la curva de potencia para informar de la "potencia máxima". Cuando se reporta la polarización

y las densidades de potencia, es importante incluir el OCV y mostrar una curva completa hasta

la potencia máxima, e incluir algunos puntos a la derecha de la potencia máxima para establecer

completamente el pico en la curva de densidad de potencia. (Logan, Microbial Fuel Cells,

2008)

Factores que afectan el Voltaje de la Celda.

En la práctica, el voltaje medido a circuito abierto (OCV) (el que se mide cuando la CCM

no genera corriente) es menor que el voltaje teórico (Efem) debido a las pérdidas parásitas

(ηparásitas) (procesos que compiten por el sustrato, tales como fermentación, metanogénesis y

respiración aerobia) y al inherente crecimiento de la biomasa. El voltaje medido a circuito

cerrado es menor que el voltaje medido a circuito abierto. Estas diferencias son conocidas como

sobrepotencial o sobrevoltaje (EG&G Technical Services, 2004) y son definidas como el

voltaje necesario para activar las reacciones electroquímicas, a los procesos de transferencia de

masa que ocurren en las cámaras y al transporte de cargas en las CCM (Rismani-Yazdi et al.,

2008). El valor de estas pérdidas varía de un sistema a otro. (Cervantes, UNAM:

Biodegradación de aguas residuales y producción de electricidad en una celda de combustible

microbiana, 2011)

Las sobrepotenciales de los electrodos (es decir, pérdidas de voltaje) son más evidentes a

densidades de corriente bajas donde el voltaje disminuye rápidamente, pero debe reconocerse

que su magnitud en cualquier punto específico depende de la corriente (es decir, estos

potenciales cambian con la corriente específica). Se cree que los sobrepotenciales de electrodos

surgen de tres pérdidas básicas: (i) activación; (ii) metabolismo bacteriano; y iii) transporte de

masas. En la figura 3, se puede observar una gráfica que representa los diferentes tipos de

pérdidas en una CCM.

Figura 2.5. Características de una curva de polarización, mostrando regiones donde

diferentes tipos de pérdidas reducen la corriente útil

Fuente: Logan, B. (2008)

20

En la figura 3 se puede observar una primera región, en la que se observa una rápida pérdida

de voltaje a bajas corrientes, esto debido a pérdidas de activación, las cuales se deben a la

pérdida de energía (como calor) para iniciar las reacciones de oxidación o reducción, y la

energía perdida a través de la transferencia de un electrón de la proteína o enzima terminal

celular a la superficie del ánodo (es decir, el nanocable, mediador o terminal Citocromo en la

superficie celular). Estas pérdidas son especialmente evidentes a densidades de corriente bajas

(es decir, la primera región fig.2.5). Se pueden reducir utilizando catalizadores mejorados en

el cátodo, diferentes bacterias en el ánodo o mejorando la transferencia de electrones entre las

bacterias y el ánodo.

Las pérdidas de voltaje debidas al metabolismo bacteriano son inevitables ya que estas

pérdidas son una consecuencia de las bacterias que derivan energía de la oxidación del sustrato.

En principio, las bacterias necesitan suficiente energía sólo para bombear un protón a través de

una membrana usando el ciclo CAC, o para hacer 1 ATP mediante un método de fosforilación

de sustrato. Sin embargo, a menos que las bacterias sean diseñadas (o recién descubiertas) para

funcionar de esta manera de producción limitada de protones por sustrato oxidado, la mayoría

de las bacterias que utilizan el ciclo CAC son capaces de bombear muchos protones a través

de la membrana por NADH oxidado. De manera similar, las bacterias que fermentan sustratos

pueden producir varios ATP a partir de la oxidación del acetato. Por lo tanto, en la segunda

región de la figura 2.5 se puede observar las pérdidas óhmicas, las cuales son causadas por la

resistencia al transporte de iones a través del electrolito y membrana, y la resistencia al flujo

de electrones a través de los electrodos, colectores de corriente e interconexiones, y la

resistencia de contacto (EG&G Technical Services, 2004). La región de la caída constante de

voltaje se muestra por la línea roja sólida.

La concentración, o pérdidas de transferencia de masa, surgen cuando el flujo de reactivos

al electrodo o el flujo de productos del electrodo son insuficientes y por lo tanto limitan la

velocidad de reacción. Sin embargo, el flujo de protones desde el ánodo puede ser un problema

ya que la acumulación de protones disminuirá el pH local, afectando negativamente a la

cinética bacteriana. Transferencia de masa, transferencia de protones limitada al cátodo

también puede limitar la generación de energía, y dar lugar a un pH elevado en el cátodo (Kim

et al., 2007b). Por lo tanto, es importante mantener suficiente capacidad tampón en el sistema

y minimizar la acumulación de material.

Las pérdidas por transporte de masa se manifiestan como la caída de voltaje debido al

agotamiento de los reactivos y a la acumulación de los productos en el sitio de reacción. Las

pérdidas por transporte de masa dominan a densidades de corriente altas y presentan una forma

exponencial cóncava característica en las curvas densidad de corriente-voltaje, como se

observa en la tercera región de la figura 2.5. (Cervantes, UNAM: Biodegradación de aguas

residuales y producción de electricidad en una celda de combustible microbiana, 2011)

21

Influencia de Campos Magnéticos.

En el estudio realizado por Yin & otros (2016), se puede observar el comportamiento de una

CCM aplicando diferentes campos magnéticos. A continuación, se observa en la figura 2.6 las

gráficas de Voltaje vs Densidad de Corriente (Fig. 2.6 a) y Densidad de Potencia vs Densidad

de Corriente (Fig. 2.6 b).

Figura 2.6. Curvas de Polarización de CCM con con y sin aplicación de campos magnéticos

(MFC0 = 0 mT; MFC1 = 100 mT; MFC2 = 200 mT; MFC3 = 400 mT)

Fuente: Yin & otros. (2016)

En la Fig. 2.6a, se puede observar que la densidad de corriente aumenta mientras el voltaje

de la celda disminuye, se observó que la densidad de corriente y el voltaje a circuito cerrado

de las MFCs (CCM) bajo los campos magnéticos a diferentes resistencias externas son más

altos que los valores para MFC0 (sin campo magnético), indicando menor resistencia interna.

La curva de polarización representa el voltaje como una función lineal de la densidad de

corriente, a partir de la cual la resistencia interna se puede obtener como la pendiente. La

densidad de potencia máxima del reactor con campo magnético aumentó en comparación con

MFC0. Correspondiendo a estos resultados, la resistencia interna de MFC1, MFC2 y MFC3

fue inferior a la de MFC0. Por lo tanto, el rendimiento de producción de electricidad de las

CCM expuestos a un campo magnético fue mejor. Además, los resultados muestran que los

efectos de 400 mT fueron menores que los de 100 y 200 mT. Estos resultados indican que hay

un intervalo de intensidad campo magnético óptimo para los microorganismos. (Yin, y otros,

2016)

Campo Magnético.

La naturaleza fundamental del magnetismo es la interacción de cargas eléctricas en

movimiento, a diferencia de las fuerzas eléctricas, que actúan sobre cargas eléctricas ya sea

que estén en movimiento o no, las fuerzas magnéticas actúan sólo sobre cargas en movimiento.

Las fuerzas magnéticas surgen en dos etapas. Primero, una carga en movimiento o un conjunto

de cargas en movimiento (es decir, una corriente eléctrica) originan un campo magnético. A

continuación, una segunda corriente o carga en movimiento responde a este campo magnético,

y de este modo experimenta una fuerza magnética.

22

Una carga en movimiento o una corriente genera un campo magnético en el espacio

circundante (además de su campo eléctrico). El campo magnético ejerce una fuerza sobre

cualquier otra carga en movimiento o corriente presente en el campo.

Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético es un campo vectorial, esto es, una

cantidad vectorial asociada con cada punto del espacio. El símbolo se utiliza para representar

el campo magnético. (Sears & Zemansky, 2009)

La fuerza sobre una carga q que se desplaza con velocidad en un campo magnético se

proporciona, tanto en términos de magnitud como de dirección, por:

= 𝑞 𝑥 𝐸𝑐. 4

En consecuencia, la unidad SI de es equivalente a IN·s/C·m, o bien, puesto que un ampere

es un coulomb por segundo (1 A = 1 C/s), 1 N/A•m. Esta unidad se llama tesla (se abrevia T)

en honor de Nikola Tesla (1857-1943), el destacado científico e inventor serbio

estadounidense: 1 tesla = 1 T = 1 N/A•m. Otra unidad de de uso común es el gauss (1 G =

10-4 T).

Todo campo magnético se puede representar por medio de líneas de campo magnético. En

cada punto una línea de campo magnético es tangente a la dirección de en ese punto, donde

las líneas de campo están próximas unas de otras, la magnitud del campo es grande. La figura

2.7 muestra las líneas de campo magnético generadas por varias fuentes comunes de campo

magnético.

Figura 2.7. Líneas de campo magnético creadas por varias fuentes comunes de campo

magnético

Fuente: Sears & Zemansky. (2009)

23

Movimiento de partículas con carga en un campo magnético.

Cuando una partícula con carga se traslada en un campo magnético, actúa sobre ella la fuerza

magnética y el movimiento está determinado por las leyes de Newton. La fuerza magnética

nunca tiene una componente paralela al movimiento de la partícula; por consiguiente, la fuerza

magnética nunca puede realizar trabajo sobre la partícula. Esto es válido incluso cuando el

campo magnético no es uniforme. El movimiento de una partícula con carga bajo la sola

influencia de un campo magnético siempre es con rapidez constante.

De acuerdo a la ecuación 4, la fuerza sobre una carga q que se desplaza con una velocidad

es proporcional a un campo magnético aplicado.

Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente.

Las fuerzas magnéticas sobre las cargas en movimiento del interior del conductor se

transmiten al material del conductor, y el conductor en conjunto experimenta una fuerza

distribuida a todo lo largo de él. La fuerza siempre es perpendicular tanto al conductor como

al campo, con la dirección determinada por la misma regla de la mano derecha que aplicamos

a una carga positiva en movimiento. (Sears & Zemansky, 2009)

Imanes.

Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen ciertos materiales, en estado natural o

artificial, para atraer el hierro, dicha propiedad puede ser aprovechada para la transformación

de energía eléctrica en mecánica y viceversa. A los elementos que tienen esa propiedad de

atracción se les denomina imanes, y pueden clasificarse en permanentes o temporales

dependiendo de su capacidad para mantener el magnetismo.

Por lo tanto, un imán es un material que crea un campo magnético. Este campo es invisible,

pero crea una fuerza que puede “atraer” o “repeler” otros imanes y materiales magnéticos,

como hierro o níquel.

Los imanes de neodimio (figura 2.8), son imanes permanentes de alta energía, es decir

proporcionan intensidades de campo elevadas, son más potentes que los imanes cerámicos, ya

que poseen una elevada remanencia y son capaces de trabajar a elevadas temperaturas. (Martín,

2012)

8Figura 2.8. Imanes de Neodimio usados en las CCMs

24

Aplicación de un campo magnético en una CCM.

La aplicación de un campo magnético estático (CM) ha sido investigada como un nuevo

método para afectar la actividad bioelectroquímica y el crecimiento de bacterias.

Se conjetura que el papel del campo magnético en la CCM es mejorar la actividad

bioelectroquímica y reducir las pérdidas de activación del ánodo y la resistencia interna. (Yin,

y otros, 2016)

Las bacterias se han utilizado en los estudios con campos electromagnéticos a bajas

frecuencias (ELF-EMF por sus siglas en inglés). En particular, se ha demostrado que ELF-

EMF puede afectar positivamente o negativamente a parámetros funcionales (crecimiento

celular y viabilidad) Dependiendo de los parámetros físicos del campo electromagnético

(frecuencia y densidad de flujo magnético) aplicados, del tiempo de exposición y/o del tipo de

células bacterianas utilizadas. La posibilidad de un efecto sinérgico y/o antagónico evocado

por la combinación de campos magnéticos debidamente modelados y antibióticos específicos

merece una atención especial a la luz del riesgo que la resistencia antimicrobiana representa

para la salud pública. De acuerdo con estas consideraciones, el estudio de los efectos de ELF-

EMF sobre las bacterias es esencial no sólo para la investigación del estrés ambiental.

(Segatore, y otros, 2012)

Fundamentación Legal

De acuerdo a la Normativa Ambiental del Ecuador, en el Art. 201, que se titula: “De las

autorizaciones de emisiones, descargas y vertidos”, del libro VI de TULAS, se menciona que

no se autorizarán descargas ya sean aguas servidas o industriales, sobre cuerpos hídricos, cuyo

caudal mínimo anual, no pueda soportar la descarga; es decir, sobrepase la capacidad de carga

del cuerpo hídrico. El Art. 202 Reporte, especifica que el Sujeto de Control que origine

descargas, emisiones o vertidos hacia el ambiente, incluyendo sistemas de alcantarillado,

deberá reportar a la Autoridad Ambiental Nacional con la periodicidad que establece el régimen

de evaluación de impactos ambientales.

En el Art. 216 Tratamiento de aguas residuales urbanas y rurales, menciona que la Autoridad

Ambiental Competente en coordinación con la Agencia de Regulación y Control del Agua,

verificará el cumplimiento de las normas técnicas en las descargas provenientes de los sistemas

de tratamiento implementados por los Gobiernos Autónomos Descentralizados. Las

actividades productivas, se sujetarán a lo dispuesto en el presente Libro y a la normativa técnica

que para el efecto emita la Autoridad Ambiental Nacional. La gestión y el mantenimiento de

sistemas de tratamiento de agua deberán ser monitoreados y evaluados por medio de los

mecanismos de control y seguimiento establecidos en el Libro VI del Texto Unificado de

Legislación Secundaria.

De acuerdo a la Norma Técnica para control de descargas líquidas (NT002), todo efluente

líquido residual proveniente de establecimientos industriales, comerciales y de servicios,

pública o privada está sujeto a la aplicación de la presente norma técnica dentro del territorio

del Distrito Metropolitano de Quito; cuyo objetivo es “proteger la calidad del recurso agua

25

para salvaguardar y preservar los usos asignados, la salud e integridad de las personas, de

los ecosistemas y sus interrelaciones y del ambiente en general. Para ello, se establecen los

límites permisibles de concentración de contaminantes en los efluentes líquidos de origen

industrial, comercial y de servicios, vertidos al sistema de alcantarillado y cauces de agua”.

En dicha norma se especifican las disposiciones generales para la disposición final del agua

residual.

Hipótesis

Hipótesis de Trabajo Hi.

Es posible aumentar la producción de bioelectricidad y la degradación de materia orgánica

de aguas residuales domésticas mediante la aplicación de un campo magnético en celdas de

combustible microbianas tipo batch.

Hipótesis Nula Ho.

No es posible aumentar la producción de bioelectricidad y la degradación de materia

orgánica de aguas residuales domésticas mediante la aplicación de un campo magnético en

celdas de combustible microbianas tipo batch.

Sistema de Variables

Variable Independiente.

DQO inicial (Rango Alto y Rango Bajo):

Se define como Demanda Química de Oxígeno, y corresponde a la materia orgánica e

inorgánica que puede ser oxidada mediante el uso de sustancias químicas (oxidantes) como el

dicromato de potasio.

Tipo de Sustrato (Acetato y Agua residual doméstica de Ubillús):

Corresponde a la matriz que contiene la materia orgánica, la cual va a ser degradada en el

ánodo de la celda de combustible microbiana.

Campo Magnético (0 mT y 100 mT):

Es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas.

Variable Dependiente.

Intensidad de Corriente:

Se define como el coulomb de electrones por unidad de tiempo (segundos), se mide en

amperios.

Voltaje:

Es la energía necesaria para pasar un coulomb de electrones de un lugar a otro.

Eficiencia Coulómbica:

26

Se define como la relación entre el número de coulombios realmente transferidos al ánodo

desde el sustrato y el número máximo posible de coulombios transferidos si todo el sustrato

fuera capaz de producir corriente.

% Remoción de DQO:

Es la cantidad de materia orgánica e inorgánica que ha disminuido en un sustrato luego del

tratamiento; el DQO se determina mediante el método colorimétrico.

27

Capítulo III

Metodología de Investigación

Diseño de la Investigación

El enfoque depende de la realidad a investigar, en este caso es objetiva, es decir este trabajo

de investigación, se sustentó en un enfoque cuantitativo, dado por el método científico ya que,

según Hernández, Sampieri, Fernández, & Baptista (2006), este tipo de enfoque se caracteriza

por la recolección de datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y análisis

estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías.

El nivel de investigación que se aplicó es explicativo, debido a que este tipo de estudio,

pretende establecer las causas de los eventos, sucesos o fenómenos que se estudian, es decir se

centra en explicar por qué ocurre un fenómeno y en qué condiciones se manifiesta, o por qué

se relacionan dos o más variables, por lo tanto, están dirigidos a responder por las causas de

los eventos y fenómenos físicos o sociales. (Hernández, Fernández, & Baptista, 2006). Por tal

motivo en este estudio se evaluó la eficiencia coulómbica, el % de remoción de DQO, la

remediación de aguas residuales domésticas, así como también la producción de electricidad,

mediante la utilización de CCMs tipo batch aplicando un campo magnético.

Los tipos de investigación que se aplicaron para el desarrollo del trabajo de investigación

son los siguientes:

Por los objetivos a desarrollar, se empleó la investigación aplicada, ya que según Tamayo

(2004), este tipo de investigación también llamada dinámica o activa, se encuentra ligada a la

investigación pura, ya que depende de sus descubrimientos y aportes teóricos, pero busca

confrontar la teoría con la realidad.

Por la fuente de datos, se utilizó la investigación bibliográfica o documental, necesaria para

llevar a cabo el proyecto, ya que según Bernal (2006), la investigación documental consiste en

un análisis de la información sobre un determinado tema, con el propósito de establecer

relaciones, diferencias, etapas, posturas o estado actual del conocimiento respecto del tema

objeto de estudio; este tipo de investigación depende de la información que se obtiene o

consulta en documentos, cuyas fuentes pueden ser: documentos escritos (libros, periódicos,

revistas, actas notariales, tratados, conferencias escritas, etc.); documentos fílmicos y

documentos grabados (discos, cintas, etc.)

Por el lugar en donde se llevó a cabo el proyecto, se aplicó una investigación de laboratorio,

experimental. La experimentación en laboratorio se puede definir como un estudio en donde el

investigador crea una situación artificial de la vida real, en donde controla algunas variables y

manipula otras; donde él pueda observar y medir el efecto de la manipulación de las variables

independientes en la variable dependiente en una situación en donde los efectos de otras

variables hayan sido controlados. (Namakforoosh, 2005)

Fue una investigación experimental porque el proceso consiste en someter a un objeto o

grupo de individuos a determinadas condiciones o estímulos (variable independiente), para

28

observar los efectos que se producen (variable dependiente). Por lo tanto, hay manipulación y

control de las variables. (Arias, 2006)

Población y Muestra

En el presente estudio no se considera población y muestra, ya que se evaluó la producción

de energía mediante la construcción de celdas de combustible microbianas tipo batch, con la

aplicación de un campo magnético de 95 mT.

Métodos y Materiales

Método.

Para el presente trabajo de investigación se aplicó el método deductivo, ya que dicho método

parte de datos generales aceptados como válidos para llegar a una conclusión de tipo particular.

Los datos se obtuvieron para la evaluación de las CCMs, para cada variable respuesta en

función de los factores de estudio planteados.

Materiales.

Materiales para elaboración de electrodos.

Pilas D Eveready

Alambre de Níquel Titanio (Ni-Ti)

Recubrimiento plástico

Pega epóxica

Pega conductora

Taladro

Mechero

Materiales para la construcción de celdas.

Niples de PVC

T de PVC

Tapas de PVC

Bushing de PVC

Imanes de Neodimio 130 mT

Teflón

Jeringas 3 ml

Electrodos de Grafito

Membrana de papel celofán

Protoboard

Materiales para determinar DQO.

Tubos para muestras

Viales de vidrio con tapa

Bureta

Gradilla

29

Equipos.

Incubadora de CO2 (Binder CB 160)

Balanza Analítica (Marca Pioner, Modelo PA214C)

Refrigeradora (Marca Innova, Modelo IRAZZU 1000 NF)

Autoclave (Modelo TM-XD350)

Agitador Vórtex

Ultrasonido

Digestor de muestras DRB200 (Hach Company, Loveland, CO)

Espectrofotómetro DR1900 (Hach Company, Loveland, CO)

Centrifugadora (Ample Scientific – Champion S-33)

Bomba de Oxígeno de pecera

Multímetro (Proskit MT-1210)

Teslámetro (Phywe)

Potenciostato (Autolab)

Reactivos.

Para el tratamiento de electrodos.

Ácido Nítrico 5%

Ácido Sulfúrico 5 %

Para preparación solución ácida y digestora para DQO.

Ácido Sulfúrico 98% Para análisis

Dicromato de Potasio

Sulfato de Plata

Sulfato de Mercurio (II)

Para preparación del Sustrato.

Agua destilada tipo II

Acetato de Sodio

Cloruro de Amonio

Cloruro de Potasio

Fosfato monobásico de sodio

Fosfato de sodio dibásico

Solución de Vitaminas

Agua residual de la parroquia de Ubillús

Diseño Experimental

El diseño experimental usado para el análisis de datos, fue Factorial 2k, y la categorización

de variables se la realizó como se muestra a continuación.

30

En este caso el diseño factorial corresponde a 23, ya que se presentan tres factores de estudio:

DQO inicial, tipo de sustrato y campo magnético (A, B, C) con dos niveles cada uno, por lo

tanto, se construyó el arreglo factorial 2x2x2 (a x b x c), cuyo número de combinaciones de

tratamientos fue 8. El software Statgraphics fue utilizado como la herramienta de análisis

estadístico de los datos obtenidos.

Matriz de Operacionalización de las Variables

Tabla 13.1 Matriz de Operacionalización de Variables

VARIABLES DIMENSIONES INDICADORES

Ind

epen

die

nte

Demanda Química de

Oxígeno inicial DQO mg O2/L

Tipo de Sustrato Solución de Acetato

Agua residual

Sintética

Real

Campo Magnético Con campo magnético

Sin campo magnético mT

Dep

end

ien

te Intensidad de Corriente

Voltaje a circuito abierto

Eficiencia Coulómbica

% de Remoción de DQO

I

V

CE

R

mA

mV

%

%

Procedimiento

La investigación se llevó a cabo en 3 etapas divididas de la siguiente manera: muestreo del

agua residual, parte microbiológica, y parte electroquímica la cual incluye Construcción de

CCMs, Evaluación de CCMs, y Análisis Estadístico. A continuación, se detalla cada una de las

partes:

Toma de muestra de agua residual.

El muestreo del agua residual se llevó a cabo en la parroquia de Pintag, barrio Ubillús,

ubicado en la provincia de Pichincha, cantón Quito.

Para la toma de muestras se emplearon recipientes de polietileno con tapa, previamente

etiquetados; para evitar un cambio en los valores de DQO, las muestras se acidificaron (pH2)

y conservaron a 4°C, de acuerdo a la norma NTE INEN 2169:2013; posteriormente fueron

llevadas al Laboratorio de Energías Renovables de la UCE, para su uso. En la figura 3.1 se

muestra como se llevó a cabo la toma de muestras del agua residual proveniente de la descarga

final de las viviendas (entrada a planta de tratamiento Ubillús).

31

9Figura 3.1. Muestreo del agua residual doméstica en el Barrio Ubillús

Etapa Microbiológica.

Preparación de electrodos de grafito.

Obtención de electrodos y tratamiento.

Se utilizaron pilas tipo D Eveready recicladas, de las cuales se extrajo las barras de grafito

que fueron sometidas a la llama hasta rojo vivo con la ayuda del mechero, de esta manera se

logró activarlo y se eliminó la cubierta cerosa. Se realizó una digestión con ácido nítrico al 5%

durante 15 minutos, para eliminar interferencias debido a la presencia de materia orgánica y

metales; posteriormente se realizaron lavados con agua destilada tipo II, usando ultrasonido

durante 3 sesiones de 15 minutos.

Una vez obtenida la barra de grafito se procedió a realizar un agujero en uno de los extremos,

con la ayuda de un taladro y una broca de diámetro de 2mm y se introdujo el alambre de NiTi

(con pega conductora) y una cubierta plástica, todo se sujetó a la barra de grafito con pega

epóxica.

Para determinar si los electrodos conducían electricidad (si la conexión entre el alambre y

el grafito fue correcta) se midió la resistencia con un multímetro y se realizó una

32

voltamperometría cíclica (Anexo 1), la cual a su vez permitió determinar el área activa del

electrodo y clasificar qué electrodos funcionaban y cuáles que no cambiaron el área.

Inoculación de los electrodos. Preparación del Biofilm.

Para el aislamiento de bacterias, se extrajo 2 g de sedimentos de una muestra recolectada de

la represa de Paute. El cultivo fue sembrado por vertido en el medio DSMZ, e incubado por

aproximadamente dos semanas para que se produzca el crecimiento de las bacterias. (Bautista,

2017).

Se inyectó 0,2 ml del medio que contenía el Mix de bacterias, en un medio nutritivo

esterilizado (BHI), para alcanzar una concentración de 6x106 UFC/ml, previamente los

electrodos de grafito fueron introducidos en este medio. Se suministró CO2 durante 3 minutos

para proporcionarle un ambiente anaerobio a las bacterias, y se incubó durante 5 días. En la

figura 3.2 se observa los electrodos inoculados.

10Figura 3.2. Electrodos inoculados con bacterias Geobacter y Mix en BHI, después de 5

días de incubación

Etapa Electroquímica.

Preparación del sustrato (Anolito).

Agua Residual Sintética (Solución de Acetato): Se preparó 250 ml de una solución que

contiene: 0,25 g de CH3COONa (rango bajo); 0,0775 g de NH4Cl; 0,0325 g de KCl; 0,7342 g

de NaH2PO4.H2O; 2,58 g de Na2HPO4.12H2O. Se esterilizó y finalmente se añadió 5 ml de

solución de vitamina, la concentración final de DQO de los sustratos fueron ajustados a DQO

iniciales de (500 y 1000) mg/L

11Figura 3.3. Sustratos para las CCMS. a) Agua Residual Sintética, y b) Agua Residual

Doméstica

33

Agua Residual Doméstica: La muestra proveniente de la entrada de la planta de tratamiento

de la parroquia de Pintag, barrio Ubillús, ubicado en la provincia de Pichincha; fue filtrada con

gasas (figura 3.4) para eliminar los sólidos sedimentables y suspendidos, posteriormente fue

esterilizada y finalmente las muestras fueron conservadas a 4°C, de acuerdo a la norma NTE

INEN 2169:2013.

12Figura 3.4. Filtración del agua residual doméstica

Construcción de las CCMs tipo batch.

La CCM tipo H fue construida usando accesorios de tubería de PVC (niple, bushing, T,

tapas) como se observa en la figura 3.5; la cámara anódica y catódica fue separada mediante

una membrana de intercambio protónico, en este caso de celofán.

13Figura 3.5. Accesorios de tubería usados en el ensamblaje de las CCMs

En la cámara anódica se colocó el electrodo inoculado con bacterias anaerobias, el sustrato

(agua residual doméstica o sintética), y de acuerdo a la escala de McFarland, se adicionó un

volumen calculado de UFC de Geobacter y Mix, hasta alcanzar el valor de 6x106 UFC/ml,

finalmente se colocó una jeringa de 3 ml (para recolectar la muestra), se cerró herméticamente

y se hizo pasar una corriente de CO2 para generar un ambiente anaerobio.

En la cámara catódica se colocó agua destilada y un electrodo sin inocular, y se burbujeó

aire mediante una bomba de pecera.

34

14Figura 3.6. Celda de Combustible microbiana

Aplicación de campo magnético a las CCMs tipo batch.

Para la evaluación de la influencia del campo magnético en las CCMs, se realizaron ensayos

en ausencia del campo y aplicando una intensidad de campo magnético de 95 mT, como se

muestra más adelante.

Medición de la Intensidad de Campo Magnético.

La intensidad de campo de un imán de neodimio fue medida, con un Teslámetro (Figura

3.7), colocando los imanes sobre la pared lateral de la cámara anódica (T de PVC) y se midió

la intensidad de campo a una distancia de 1,0 cm cuyo valor representa la distancia entre el

imán y el electrodo en la CCM (Figura 3.8).

15Figura 3.7. Teslámetro

16Figura 3.8. Medición de la intensidad de Campo magnético de los imanes de neodimio a

una distancia de 1,0 cm

35

Ensamblaje de celdas con Campo Magnético.

La CCM ensamblada fue acoplada con 2 imanes de neodimio, con el polo N sobre la pared

de la cámara anódica (figura 3.9). Investigaciones preliminares confirman que cambiar la

dirección del CM (polo S), no produce cambios significativos en el voltaje. (Zhao, Li, Ren, &

Wang, 2016)

Se alcanzó una intensidad de campo de 95 mT a una distancia de 1,0 cm entre los imanes y

el electrodo inoculado; con la finalidad de que las líneas de inducción magnética fueran

paralelas a través del electrodo, y perpendiculares a la superficie del electrodo con biofilm.

17Figura 3.9. Esquema 3D del acoplamiento CCM - Campo magnético

Los polos del imán fueron determinados mediante una brújula, para lo cual se colocó una

de las caras del imán hacia la aguja de la brújula (si la cara del imán atrae la aguja esta cara es

el polo sur magnético si la rechaza es el polo norte magnético).

Las líneas de campo magnético fueron determinadas usando limaduras de hierro. Se colocó

una hoja sobre el imán, y sobre esto se esparcieron las limaduras de hierro, las cuales se

dispusieron proyectando las líneas de inducción magnética generadas por el imán. A

continuación, en la figura 3.10, se observa el acoplamiento de las CCMs con los imanes de

neodimio, ensambladas en el laboratorio de Energías Renovables de la UCE.

18Figura 3.10. CCMS acopladas a imanes de neodimio

36

Evaluación de las celdas.

La evaluación de las CCMs, se llevó a cabo mediante los siguientes parámetros: voltaje,

intensidad de corriente, curvas de polarización, DQO, % remoción y % eficiencia coulómbica.

Voltaje a CA.

El voltaje generado por la CCM fue medido a circuito abierto usando un multímetro Proskit

MT-1210.

Intensidad de Corriente.

La intensidad de corriente generada por la celda fue calculada mediante la Ley de Ohm (𝑉 =

𝐼𝑅).

Curva de Polarización.

La gráfica de la diferencia de potencial vs densidad de corriente fue realizada usando los

datos del voltaje medido a circuito cerrado utilizando resistencias de 100, 300, 510, 820, 1500,

2200, 3000, 5100, 10000, 15000, 20000 51000 y 100000 Ω. Para la densidad de corriente se

consideró el área activa del electrodo, que fue determinada mediante voltamperometría cíclica.

De igual manera se procedió para la gráfica densidad de potencia vs densidad de corriente.

% Eficiencia Coulómbica.

La eficiencia coulómbica se determinó mediante la ecuación 3, y se reportó el valor en

porcentaje.

Determinación de DQO.

Se realizó según el método colorimétrico a reflujo cerrado (5220 D) del Standard Methods

for the Examination of Water and Wastewater. (American Public Health Association, 1999)

La muestra de las CCMs fue extraída cada día, y centrifugada durante 20 minutos,

posteriormente fueron colocados 2 ml en los viales de DQO seleccionados. Una vez en el tubo,

se agitó con vórtex y fue colocada en el digestor a 150 °C durante 2 horas. Transcurrido este

tiempo, se midió la absorbancia a una longitud de onda de 620 nm.

Mediante una curva de calibración (Anexo 2) se calculó la concentración correspondiente a

mg O2/L.

% Remoción de DQO.

La degradación de la materia orgánica fue evaluada mediante el % remoción generado por

la CCM, el cual fue calculado mediante la siguiente ecuación:

% 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙∗ 100

37

Técnicas e Instrumentos de Recolección y procesamiento de Datos

Técnica de Recolección de Datos.

La técnica empleada para la recolección de datos fue la observación la cual es una técnica

bastante objetiva de recolección. Según Yuni & Urbano (2006), la observación científica es

una técnica de recolección de información consistente en la inspección y estudio de las cosas

o hechos tal como acontecen en la realidad mediante el empleo de los sentidos (con o sin

tecnología), conforme a las exigencias de la investigación científica. En este caso se utilizó la

observación de laboratorio ya que tiene cierto carácter experimental y comprende la

observación minuciosa y detallada de un fenómeno en un sitio especialmente previsto para

hacer la observación.

Instrumento de recolección de datos.

Para la presente investigación se utilizó como instrumento de recolección de datos una guía

de observación, en la cual se registraron todos los datos experimentales obtenidos, para las

variables respuesta como el voltaje a circuito abierto, los voltajes a determinadas resistencias

(curva de polarización), los valores de DQO, y la intensidad de corriente, durante 5 días (93

horas) para cada CCM.

Validez.

El instrumento de recolección de datos, fue una guía de observación, que fue validada por

el MSc. Raúl Bahamonde, a través de una matriz de validación, en la cual se establece si hay

concordancia entre los indicadores con los objetivos, variables, dimensiones, e indica si el uso

de lenguaje y escalamiento son adecuados.

Técnicas de Procesamiento de Datos (análisis estadístico)

Para el análisis de los resultados se recopilaron los resultados obtenidos para cada variable

respuesta y se realizaron las gráficas correspondientes en función del tiempo, para determinar

el comportamiento de las CCMs.

El análisis estadístico se llevó a cabo con un diseño factorial 2k con tres réplicas, y se evaluó

mediante herramientas estadísticas (ANOVA; Análisis LSD), las mejores condiciones a las que

las CCMs tipo batch generaron mayor cantidad de energía eléctrica y la mejor remoción de

contaminantes, para este fin a continuación se muestra la categorización y la codificación de

las variables y sus niveles.

Tabla 23.2. Caracterización y Codificación de variables

Factor de

Estudio

Niveles Factores

Respuesta Valores

Originales Valores Codificados

DQO inicial 500 ppm -1 Eficiencia

Coulómbica 1000 ppm +1

38

Sustrato

Agua Residual

Sintética AS

Intensidad de

Corriente

Voltaje

% Remoción de

DQO

Agua Residual

Doméstica AR

Campo

Magnético

0 mT -1

95 mT +1

El estudio factorial de tres factores (A: DQO inicial; B: tipo de sustrato; y C: campo

magnético), permitió investigar los efectos: A, B, C, AB, AC, BC y ABC, por lo tanto, se

plantearon las siguientes hipótesis:

𝐻𝑜: Efecto A = 0; 𝐻𝑎: Efecto A ≠ 0

𝐻𝑜: Efecto B = 0; 𝐻𝑎: Efecto B ≠ 0

𝐻𝑜: Efecto C = 0; 𝐻𝑎: Efecto C ≠ 0

𝐻𝑜: Efecto AB = 0; 𝐻𝑎: Efecto AB ≠ 0

𝐻𝑜: Efecto AC = 0; 𝐻𝑎: Efecto AC ≠ 0

𝐻𝑜: Efecto BC = 0; 𝐻𝑎: Efecto BC ≠ 0

𝐻𝑜: Efecto ABC = 0; 𝐻𝑎: Efecto ABC ≠ 0

A continuación, se muestra el ANOVA que se empleó para probar las hipótesis indicadas

anteriormente.

Tabla 33.3. ANOVA para el diseño factorial a x b x c (2 x 2 x 2)

Fuente de

Variación

(FV)

Suma de

Cuadrados

(SC)

Grados de

Libertad (GL)

Cuadrados

Medios (CM)

Fo

Efecto A SCA a – 1 CMA CMA/CME

Efecto B SCB b – 1 CMB CMB/CME

Efecto C SCC c – 1 CMC CMC/CME

Efecto AB SCAB (a – 1)(b – 1) CMAB CMAB/CME

Efecto AC SCAC (a – 1)(c – 1) CMAC CMAC/CME

Efecto BC SCBC (b – 1)(c – 1) CMBC CMBC/CME

Efecto ABC SCABC (a – 1) (b – 1)(c – 1) CMABC CMABC/CME

Error SCE abc(n – 1) CME

Total SCT abcn – 1

Para realizar comparaciones entre los tratamientos se utilizó el método de diferencia mínima

significativa (LSD), ya que es la diferencia mínima que debe haber entre dos medias muestrales

para poder considerar que los tratamientos correspondientes son significativamente diferentes,

para ayudar a la interpretación de estos resultados se utilizó el diagrama de Pareto y el gráfico

de efectos principales.

39

Capítulo IV

Análisis y Discusión de Resultados

Resultados

Evaluación del CM.

Los imanes colocados a 1,0 cm de distancia de la sonda del Teslámetro, generaron una

intensidad de campo de 95 mT.

En la figura 4, se observa cómo las limaduras de hierro proyectaron las líneas de inducción

magnética generadas por los imanes de neodimio.

19Figura 4. Líneas de campo de los imanes de Neodimio

Como se observa en la figura 4, la disposición de las líneas del CM fueron paralelas a través

del electrodo, y perpendiculares a la superficie del electrodo con biofilm, aplicando de esta

manera una intensidad de campo de 95 mT sobre el electrodo inoculado, lo cual tuvo efecto

sobre la actividad enzimática y bioelectroquímica del biofilm, por ende se generaron mejores

voltajes e intensidades de corriente (como se explica más adelante), ya que según Yin & otros

(2016), la presencia de CM hace más eficiente el proceso de transferencia de electrones.

Evaluación de las CCMs.

Se realizaron tres réplicas de cada ensayo. A continuación, se presentan los valores

promedios obtenidos de cada variable respuesta (voltaje, intensidad de corriente, % remoción

y % CE), para cada factor de estudio (sustrato, DQO inicial, campo magnético).

Voltaje.

a) Blancos

Se evaluó el crecimiento bacteriano en ausencia de nutrientes (con y sin CM), realizando

ensayos de blancos (agua destilada como anolito y electrodo con biofilm) para observar el

40

efecto del crecimiento bacteriano sobre el voltaje, la intensidad de corriente y el DQO, en

sustratos sin materia orgánica.

En la figura 4.1, se muestran los resultados obtenidos del voltaje en ausencia y presencia de

CM.

20Figura 4.1. Comportamiento del Voltaje a circuito abierto de las CCMs (blancos) con

Campo magnético 0 mT y 95 mT

Como se puede apreciar en la figura 4.1, a pesar de no existir materia orgánica en el agua

destilada, si hay producción de voltaje, pero la intensidad de corriente es baja (Anexo G: tabla

4.8); esto debido a que las bacterias no cuentan con la materia orgánica necesaria para producir

electrones.

Se observa que a medida que pasa el tiempo hay una disminución evidente de voltaje hasta

las 40 h, a partir del cual se observa un comportamiento casi constante; esto concuerda con los

valores obtenidos de DQO (Anexo G: tabla 4.3), es decir que conforme pasa el tiempo empieza

la fase de muerte celular de las bacterias y por lo tanto hay una caída de voltaje.

b) Agua Sintética

Para este sustrato se trabajó con dos concentraciones (rango bajo: 500 mg/L y rango

alto: 1000 g/L).

En la figura 4.2 y 4.3 se muestran los valores del voltaje a circuito abierto generados por las

CCMs con AS a rango bajo y alto, con y sin la aplicación de CM, en el transcurso de 93 horas.

247,00

417,25

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

0 20 40 60 80 100

V (

mV

)

t (horas)

Voltaje

Blanco SIN CM Blanco CM

41

21Figura 4.2. Voltaje a CA de las CCMs

con AS (500 mg/L), Campo magnético = 0

mT y 95 mT

22Figura 4.3. Voltaje a CA de las CCMs

con AS (1000 mg/L) Campo magnético =

0 mT y 95 mT

Como se puede observar en la figura 4.2 y 4.3, el comportamiento del voltaje con AS a

rango bajo y alto son muy similares. Se puede evidenciar que los primeros días de

funcionamiento de las CCMs (20 h), se generaron los voltajes más altos con la aplicación del

CM (600 mV), y a partir de este tiempo se observa una brusca caída de voltaje (fase declive),

lo cual no sucede con las CCMs sin CM ya que estas celdas inicialmente producen voltajes

pequeños (380 mV), sin embargo, la pérdida de voltaje es menor, esto puede ser explicado

por los resultados obtenidos de DQO (Anexo G: tabla 4.12), ya que mediante la aplicación de

95 mT se produce una mayor degradación de la materia orgánica las primeras 20 h, tiempo a

partir del cual empieza la fase de muerte celular de las bacterias porque ya no cuentan con la

materia orgánica (nutrientes) necesaria para producir electrones, por lo tanto hay una caída de

voltaje.

c) Agua Residual

A continuación, en la figura 4.4 y 4.5, se muestran los voltajes generados por las CCMs con

AR de Ubillús a rango bajo y alto, con y sin campo magnético, para cada día de funcionamiento.

23Figura 4.4. Voltaje a CA de las CCMs

con AR (Ubillús) 500 mg/L, Campo

magnético = 0 mT y 95 mT

24Figura 4.5. Voltaje a CA de las CCMs

con AR (Ubillús)1000 mg/L, Campo

magnético = 0 mT y 95 mT

386,00

559,67

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 50 100

V (

mV

)

t (horas)

AS - R. BAJO

AS - R. Bajo SIN CM AS - R. Bajo CM

346,67

607,67

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

0 50 100

V (

mV

)

t (horas)

AS - R. ALTO

AS - R. Alto SIN CM AS - R. Alto CM

188,25

351,67

0

100

200

300

400

0 50 100

V (

mV

)

t (horas)

AR - R. BAJO

AR - R. Bajo SIN CM AR - R. Bajo CM

250,00

385,67

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

0 50 100

V (

mV

)

t (horas)

AR - R. ALTO

AR - R. Alto SIN CM AR - R. Alto CM

42

Las figuras 4.4 y 4.5 muestran los voltajes generados por las CCMs usando AR, se observa

que con la aplicación de CM a las 20 h, se produjeron voltajes más altos que las celdas

normales, pero al segundo día se observa una brusca caída de voltaje (fase declive), debido a

lo explicado anteriormente con el AS.

Sin embargo, se puede apreciar que a diferencia del sustrato puro (AS), los voltajes

generados con el AR fueron más bajos, siendo el valor más alto 385, 67 mV (rango alto), esto

es porque el AR obtenida del Barrio Ubillús, al ser proveniente de diversos hogares, es un

sustrato complejo, ya que contiene una diversidad de contaminantes tanto orgánicos como

inorgánicos, sólidos suspendidos, sedimentables, coloides, etc.; por tal motivo es más difícil el

transporte de electrones, debido a esto las aguas sintéticas generan mejores voltajes.

Curvas de Polarización.

a) Agua Sintética.

Rango Bajo.

En la tabla 4.1 se observan los valores promedio de intensidad de corriente máxima,

densidad de corriente y densidad de potencia, producida por las CCMs con y sin campo

magnético, para cada día; en ambos casos se observa que los valores más altos de estas

variables se obtienen a las 20 horas (resaltado con celeste) a una resistencia externa de 100 Ω.

Sin embargo, las CCMs con 95 mT generaron potencias y corrientes más altas.

Tabla 44.1. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AS (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT

CM = 0 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente

Imáx (mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 390,0 4,9000 1,2492 0,0128 0,0103 0,6613

20 100,0 17,3333 1,2492 0,1733 0,1388 24,0693

45 150,0 11,6667 1,2492 0,0744 0,0596 6,6800

69 100,0 6,3333 1,2492 0,0633 0,0507 3,2288

93 150,0 3,6667 1,2492 0,0278 0,0222 0,8094

CM = 95 mT t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente I

(mA) max

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 100,0 8,5333 1,2492 0,0853 0,0683 6,1737

20 100,0 23,1000 1,2492 0,2310 0,1849 43,8128

45 100,0 2,3333 1,2492 0,0233 0,0187 0,4744

69 150,0 1,9667 1,2492 0,0132 0,0106 0,2082

93 100,0 0,9333 1,2492 0,0093 0,0075 0,0752

43

A continuación, la figura 4.6 muestra la curva de polarización (Potencial vs densidad de

corriente) de las CCMs con AS a rango bajo con y sin la aplicación del CM evaluadas durante

5 días.

25Figura 4.6. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (500mg/L), con 0

mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 1 Día 1 CM

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 2 Día 2 CM

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 3 Día 3 CM

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,000 0,020 0,040 0,060

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 4 Día 4 CM

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 5 Día 5 CM

a) b)

c) d)

e)

44

Se puede observar en las gráficas sin campo magnético (día 1 y día 2) una pérdida de voltaje

a bajas corrientes, lo que indica pérdidas por activación, debido a que se requiere de la energía

de activación necesaria para que ocurra la reacción redox, durante la transferencia de electrones

desde o hacia un compuesto que reacciona en la superficie del electrodo. (Logan, Microbial

Fuel Cells, 2008). Mientras que en las gráficas de las CCMs con 95 mT, se observa que la

pérdida de voltaje del día 1 y 2 es menor, esto se justifica debido a la aplicación del campo

magnético, puesto que según Tong & otros (2015) bajo la exposición de campos magnéticos

adecuados, las pérdidas de activación de las CCMs disminuyen, ya que se mejora la actividad

bioelectroquímica de los microorganismos.

En la figura 4.7 se observan las gráficas de la densidad de potencia vs densidad de corriente,

de las CCMS con AS rango bajo de cada día.

0,000

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 1 Día 1 CM

0,000

50,000

100,000

150,000

200,000

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 2 Día 2 CM

0,000

5,000

10,000

15,000

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 3 Día 3 CM

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

0,000 0,020 0,040 0,060

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 4 Día 4 CM

a) b)

c) d)

45

26Figura 4.7. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS

(500mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.

En la figura 4.7 se puede apreciar que mediante la aplicación del CM hay una generación

de potencia más alta los dos primeros días, ya que en estos días la diferencia de potencial es

más alta, sin embargo, a partir del día 3 las gráficas de densidad de potencia indican valores

más bajos, este es porque en los primeros días se produjo la mayor degradación de la materia

orgánica, debido al mejoramiento del metabolismo microbiano por acción del CM y por ende

los últimos días las densidades de potencia son bajas, mientras que sin CM se observa lo

contrario, porque las bacterias necesitan más tiempo para adaptarse.

Rango Alto.

A continuación, en la tabla 4.2 se puede apreciar los valores promedio de potencial, densidad

de corriente y potencia, y las mediciones del voltaje a diferentes resistencias. Se observa el

mismo comportamiento que el AS a bajas concentraciones. La máxima potencia e intensidad

de corriente se observa a las 20 horas obteniéndose los siguientes valores 0,1203 mA; 14,63

mW/m2 (0 mT) y 0,2410 mA; 47,2551 mW/m2 (95 mT).

Tabla 54.2. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AS (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT

CM = 0 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente

Imáx (mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 150,0 5,6667 1,2492 0,0352 0,0282 1,5357

20 100,0 12,0333 1,2492 0,1203 0,0963 14,6393

45 100,0 8,5000 1,2492 0,0850 0,0680 6,1441

69 180,0 2,4333 1,2492 0,0132 0,0106 0,2942

93 100,0 2,0333 1,2492 0,0203 0,0163 0,3792

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025D

ensi

dad

de

Po

ten

cia

(mW

/m2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Bajo

Día 5 Día 5 CM

e)

46

CM = 95 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente

Imáx (mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 100,0 11,3333 1,2492 0,1133 0,0907 10,5136

20 100,0 24,1000 1,2492 0,2410 0,1929 47,2551

45 100,0 3,4667 1,2492 0,0347 0,0278 0,9975

69 100,0 2,1333 1,2492 0,0213 0,0171 0,4371

93 100,0 1,4333 1,2492 0,0143 0,0115 0,2020

A continuación, se muestra las gráficas de la diferencia de potencial vs densidad de corriente

(figura 4.8) de las CCMs con AS a rango alto con y sin la aplicación del campo magnético.

0,0000

0,1000

0,2000

0,3000

0,4000

0,5000

0,6000

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 1 Día 1 CM

0,0000

0,1000

0,2000

0,3000

0,4000

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 2 Día 2 CM

0,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,1200

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 3 Día 3 CM

0,0000

0,0100

0,0200

0,0300

0,0400

0,0500

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 4 Día 4 CM

a) b)

c) d)

47

27Figura 4.8. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (1000mg/L), con 0

mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.

Se puede observar en la figura 4.8, una gráfica lineal de la diferencia de potencial en función

de la densidad de corriente, es decir que a densidades de corriente bajas se obtienen potenciales

más altos, al igual que las gráficas de las CCMs con AS a rango bajo. Se puede apreciar que

con la aplicación del CM se obtienen mejores potenciales durante el día 1 y 2, por lo tanto,

también hay una disminución en las pérdidas de activación debido a la aplicación del campo;

sin embargo, los días siguientes (4 y 5) las CCMs tienen un comportamiento similar, con y sin

campo magnético, en esto difiere del AS a rango bajo, ya que para estos ensayos se usó un

sustrato más concentrado (1000 mg/L), por lo tanto, hay una cantidad suficiente de materia

orgánica para degradar durante estos días.

En la figura 4.9 se muestran las gráficas de densidad de potencia vs densidad de corriente

de las CCMs con AS a rango alto.

0,0000

0,0050

0,0100

0,0150

0,0200

0,0250

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020P

ote

nci

al (

V)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 5 Día 5 CM

0,000

50,000

100,000

150,000

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 1 Día 1 CM

0,000

50,000

100,000

150,000

200,000

0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 2 Día 2 CM

e)

a) b)

48

28Figura 4.9. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS

(1000mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.

Siguiendo el mismo análisis para el AS a rango bajo, se puede observar en la figura 4.9,

que con CM a los dos primeros días se obtienen mejores resultados de potencia, sin embargo,

en los días finales las CCMs sin CM tienen un comportamiento más estable.

b) Agua Residual Doméstica.

Rango Bajo.

En la tabla 4.3 se muestran los valores medidos del Voltaje a diferentes resistencias durante

93 horas, para las CCMs con AR a baja concentración con y sin la aplicación de campo

magnético. Con dichos resultados se determinó las intensidades de corriente y las densidades

de potencia máximas (resaltado con azul).

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

0,000 0,020 0,040 0,060 0,080

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 3 Día 3 CM

0,000

0,500

1,000

1,500

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 4 Día 4 CM

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AS - R. Alto

Día 5 Día 5 CM

c) d)

e)

49

Tabla 64.3. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AR (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT

CM = 0 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente

Imáx (mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 390,0 1,1000 1,2492 0,0030 0,0020 0,0290

20 510,0 3,8000 1,2492 0,0075 0,0060 0,2574

45 510,0 1,8500 1,2492 0,0036 0,0029 0,0569

69 750,0 2,2667 1,2492 0,0031 0,0025 0,0585

93 510,0 1,4667 1,2492 0,0027 0,0022 0,0317

CM = 95 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente

Imáx (mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 330,0 2,6667 1,2492 0,0082 0,0065 0,1575

20 470,0 7,3667 1,2492 0,0167 0,0134 0,9885

45 220,0 2,4000 1,2492 0,0113 0,0091 0,2046

69 100,0 0,7667 1,2492 0,0077 0,0061 0,0472

93 470,0 2,2000 1,2492 0,0051 0,0041 0,0929

Rango Alto.

La tabla 4.4 muestra las densidades de corriente y potencias obtenidas de las CCMs con AR

a altas concentraciones, con este sustrato se observan bajos valores de potencias. Los valores

más altos se observan al segundo día de funcionamiento de la CCM.

Tabla 74.4. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las

curvas de polarización de las CCMs con AR (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT.

CM = 0 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente I

(mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 390,0 1,7667 1,2492 0,0044 0,0035 0,0615

20 290,0 8,3333 1,2492 0,0285 0,0228 1,8449

45 220,0 1,8000 1,2492 0,0082 0,0066 0,1242

69 220,0 1,2333 1,2492 0,0063 0,0051 0,0613

93 300,0 0,8000 1,2492 0,0027 0,0021 0,0171

CM = 95 mT

t (h) Resistencia

(Ohm)

Potencial

(mV)

Área

Ánodo

(cm2)

Intensidad

de

corriente I

(mA)

Densidad

de

Corriente

(mA/cm2)

Densidad

de

Potencia

(mW/m2)

2 680,0 6,6000 1,2492 0,0093 0,0074 0,4873

20 100,0 2,9667 1,2492 0,0297 0,0237 0,7218

50

45 220,0 2,8667 1,2492 0,0129 0,0103 0,3003

69 180,0 1,9000 1,2492 0,0108 0,0086 0,1751

93 470,0 3,4667 1,2492 0,0078 0,0063 0,2194

A continuación, en la figura 4.10, se muestran las curvas de polarización de las CCMs con

AR a rango bajo y alto, respectivamente.

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR R. Bajo

Día Día CM

0,2690

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008P

ote

nci

al (

V)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 1 Día 1 CM

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,000 0,005 0,010 0,015Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR R. Bajo

Día 2 Día 2 CM

0,2190

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0,000 0,010 0,020 0,030

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 2 Día 2 CM

0,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,000 0,005 0,010

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR R. Bajo

Día 3 Día 3 CM

0,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,1000

0,000 0,005 0,010 0,015

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 3 Día 3 CM

a)

b)

c)

51

29Figura 4.10. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR (500mg/L y

1000 mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.

En las curvas de polarización (figura 4.10) se observa que la diferencia de potencial de las

CCMs con AR tanto a rango bajo como alto, tienen un comportamiento similar. Es decir,

generaron mayores potenciales que las CCMs sin CM, sin embargo, a diferencia del AS este

comportamiento se observó en todos los días de funcionamiento, por lo tanto se confirma que

el CM mejoró el metabolismo bacteriano y la actividad biolectroquímica del biofilm (Zhao, Li,

Ren, & Wang, 2016).

La figura 4.11 muestra las gráficas de densidad de potencia vs densidad de corriente de las

CCMs con AR a rango bajo y alto, con y sin CM.

0,0000

0,0200

0,0400

0,0600

0,0800

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR R. Bajo

Día 4 Día 4 CM

0,0000

0,0100

0,0200

0,0300

0,0400

0,0500

0,0600

0,0700

0,0800

0,000 0,005 0,010

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 4 Día 4 CM

0,0000

0,0100

0,0200

0,0300

0,0400

0,0500

0,000 0,002 0,004 0,006Dif

eren

cia

de

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR R. Bajo

Día 5 Día 5 CM

0,0000

0,0100

0,0200

0,0300

0,0400

0,0500

0,0600

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Po

ten

cial

(V

)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 5 Día 5 CM

d)

e)

52

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2)

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Bajo

Día 1 Día 1 CM

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 1 Día 1 CM

0,000

2,000

4,000

6,000

8,000

0,000 0,005 0,010 0,015

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Bajo

Día 2 Día 2 CM

0,000

5,000

10,000

15,000

20,000

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 2 Día 2 CM

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Bajo

Día 3 Día 3 CM

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

0,000 0,005 0,010 0,015

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 3 Día 3 CM

a)

b)

c)

53

30Figura 4.11. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR

(500mg/L y 1000 mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día

5.

Se observa en la figura 4.11 que los primeros días de funcionamiento, las CCMs acopladas

al CM, con AR a rango alto y bajo generaron potencias más altas que sin aplicar CM, sin

embargo, este comportamiento se mantiene en todos los días de funcionamiento, lo que no

sucede con el AS, en la que sólo los primeros días las potencias eran más altas, esto

posiblemente se debe a la cantidad y complejidad de la materia orgánica presente en el AR, ya

que no es lo mismo degradar un sustrato simple como el AS (CH3CCO- CO2), que el AR

que está constituida de moléculas o compuestos más grandes.

Por lo tanto, con el AS se pudo observar que los microorganismos mejoraron su

metabolismo por la influencia del CM y por ende la transferencia de electrones fue más rápida

(día 1 y 2), sin embargo, con el agua residual este proceso mejora todos los días, obteniéndose

densidades de potencia más altas que sin CM, cada día.

Sin embargo, se puede apreciar que con AS se obtuvieron mejores resultados que con el

AR, esto puede deberse a que en el agua residual hay una competencia de especies, porque es

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Bajo

Día 4 Día 4 CM

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 4 Día 4 CM

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Bajo

Día 5 Día 5 CM

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008

Den

sid

ad d

e P

ote

nci

a (m

W/m

2 )

Densidad de Corriente (mA/cm2)

AR - R. Alto

Día 5 Día 5 CM

d)

e)

54

una matriz más compleja, ya que por lo general el AR puede tener aceptores alternos de

electrones. (Cervantes, 2011)

Intensidad de corriente máxima.

a) Blancos

En la figura 4.12, se muestran los resultados de la intensidad de corriente máxima generada

por las CCMs, con y sin la aplicación del CM.

31Figura 4.12. Comportamiento de la Intensidad de Corriente de las CCMs (blancos) con: a)

Campo magnético = 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT

En la figura 4.12 se puede observar que los valores de Imáx son bajos, ya que no se dispone

de materia orgánica. Sin embargo, el CM mejoró el metabolismo de las bacterias y la

transferencia de electrones hasta las 20 horas, razón por la cual hay un incremento en la

intensidad de corriente, pero a partir de este tiempo se observa una disminución debido a que

las bacterias no cuentan con el medio nutritivo, necesario para generar electrones.

b) Agua Sintética.

El agua residual sintética (solución de acetato), fue uno de los sustratos empleados para las

CCMs, porque se quería conocer el comportamiento de las celdas con sustratos puros, ya que,

según Ge, Li Xiao, Tong & He (2013), este tipo de sustratos permiten obtener mejores

rendimientos en la generación de energía y potencia, puesto que los compuestos orgánicos son

una fuente rica en electrones.

Rango Bajo.

En el Anexo G: tabla 4.9 se muestran los valores promedio de la intensidad de corriente

máxima generada por las CCMs con AS a rango bajo y alto. A continuación, en la figura 4.15

se observa la intensidad de corriente vs tiempo de las CCMs con AS a rango bajo, con presencia

y ausencia de CM.

0,0000

0,0050

0,0100

0,0150

0 20 40 60 80 100

I (m

A)

t (horas)

Intensidad de Corriente Máxima

Blanco SIN CM Blanco CM

55

32Figura 4.13. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las

CCMs con AS a Baja Concentración (500 mg/L) con Campo magnético = 0 mT y 95 mT

Se puede observar (figura 4.13) que los valores de intensidad de corriente máxima en el

transcurso de 2h y 20 h son más altos (día 1 = 0 mT: 0,0131 mA y 95 mT: 0,0853 mA; día 2 =

0 mT: 0,1733 mA y 95 mT: 0,2053 mA); esto se debe a que las bacterias empiezan a oxidar la

materia orgánica y generar electrones; sin embargo, con la aplicación del campo magnético de

95 mT la intensidad de corriente aumenta aproximadamente un 15,6% que con 0 mT al segundo

día, esto debido a que la aplicación de un CM adecuado reduce la resistencia interna de la

CCM, mejora la concentración de las especies electroactivas en la superficie del electrodo y

por lo tanto hay un proceso de transferencia de electrones más eficiente. (Yin, y otros, 2016)

Rango Alto.

En la figura 4.14 se muestra la intensidad de corriente generada por las CCMs con AS a

rango alto, con y sin la aplicación de CM.

33Figura 4.14. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las

CCMs con AS a Alta Concentración (1000 mg/L) con, Campo magnético = 0 mT y 95 mT

Como se observa en la figura 4.14 la intensidad de corriente es más alta a 0 mT y 95 mT los

días 1 y 2, no obstante, con la aplicación del CM a partir de las 40 horas se observa una caída

brusca de dicha variable, lo cual se explica con los valores de DQO obtenidos, ya que en el

0,0131

0,1733

0,0853

0,2053

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0 20 40 60 80 100

I (m

A)

t (horas)

AS - R. BAJO

AS - R. Bajo SIN CM AS - R. Bajo CM

0,0352

0,12000,1133

0,2377

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0 20 40 60 80 100

I (m

A)

t (horas)

AS - R. ALTO

AS - R. Alto SIN CM AS - R. Alto CM

56

segundo día ocurre la máxima degradación y, por lo tanto, las intensidades de corriente

empiezan a disminuir porque hay menos materia orgánica para producir electrones.

Por lo tanto, se puede apreciar que el CM favorece la producción de energía usando As a

rango alto, ya que al segundo día de funcionamiento se observó un aumento del 50% en la

intensidad de corriente, comparado con un 15,6 % a rango bajo; es decir que se desarrolló una

tecnología que funciona mejor con sustratos altamente concentrados.

c) Agua Residual

En el Anexo G: tabla 4.10 se muestran los valores promedio de la intensidad de corriente

máxima generada por las CCMs con AR a rango bajo y alto.

La figura 4.15 y 4.16 muestra el comportamiento de la intensidad de corriente empleando

como sustrato AR a baja y alta concentración, con y sin campo magnético.

34Figura 4.15. Intensidad de Corriente a

circuito cerrado de las CCMs con AR (500

mg/L) con CM = 0 mT y 95 mT

35Figura 4.16. Intensidad de Corriente a

circuito cerrado de las CCMs con AR

(1000 mg/L) con CM = 0 mT y 95 mT

Se puede apreciar en la figura 4.15 y 4.16, que la aplicación de 95 mT, mejoró la intensidad

de corriente de las CCMS con AR a baja y alta concentración, durante las primeras 20 h, sin

embargo, se ve un mayor efecto en el AR a rango bajo, ya que esta variable incrementó un 55,1

%, comparado con el rango alto que aumentó sólo un 10,1%; esto se debe a que es un sustrato

menos concentrado, y por tanto la competencia de especies es menor.

El CM mejoró la transferencia de electrones y el metabolismo de las bacterias, degradando

la materia orgánica y generando electrones en menor tiempo, sin embargo, los mejores

resultados se obtuvieron con el agua sintética (0,2 mA) ya que con el agua residual el

incremento es menos evidente (0,02 mA) puesto que es una matriz más compleja en la que se

puede dar una competencia de especies, que no dejan pasar libremente a los electrones y

depositarlos en el ánodo.

0,0075

0,0167

0,0000

0,0050

0,0100

0,0150

0,0200

0 20 40 60 80 100

I (m

A)

t (horas)

AR - R. BAJO

AR - R. Bajo SIN CM AR - R. Bajo CM

0,02670,0297

0,0000

0,0050

0,0100

0,0150

0,0200

0,0250

0,0300

0,0350

0 20 40 60 80 100

I (m

A)

t (horas)

AR - R. ALTO

AR - R. Alto SIN CM AR - R. Alto CM

57

Demanda Química de Oxígeno (DQO).

a) Blancos

Se determinó el DQO por día de funcionamiento de las CCMs blancos, para ser restados del

DQO de las CCMs con los sustratos (agua residual doméstica y sintética) para que de esta

manera el crecimiento bacteriano no interfiera y se pueda evaluar exclusivamente la remoción

de materia orgánica en aguas residuales sintéticas y domésticas. En la figura 4.17, se muestra

el comportamiento de DQO en función del tiempo para las CCMs con y sin CM y en el Anexo

G: tabla 4.11 se muestran los resultados de esta variable.

36Figura 4.17. DQO en función del tiempo usando como sustrato agua destilada, con Campo

magnético = 0 mT y 95 mT

En la figura 4.17, se aprecia el crecimiento bacteriano en las CCMs, y se evidencia que la

aplicación de un campo magnético de 95 mT favorece este proceso. (Yin, y otros, 2016). Es

decir, hubo mayor crecimiento bacteriano, por eso los valores de DQO son altos, pero como no

hay presencia de materia orgánica no se generan electrones y por lo tanto las intensidades de

corriente disminuyen como se observa en la figura 4.12.

b) Agua Sintética

Se empleó dos concentraciones iniciales de DQO para este sustrato (500mg/L y 1000 mg/L),

en el Anexo G: tabla 4.12, se muestran los resultados obtenidos para las CCMs con y sin CM.

A continuación, se explica mediante las gráficas, como fue la degradación de la materia

orgánica.

Rango Bajo.

La figura 4.18 muestra la degradación de materia orgánica expresado en valores de DQO de

las CCMS con AS a rango bajo, a 0 mT y 95 mT para cada día de funcionamiento.

635,25

1028,00

300,00

500,00

700,00

900,00

1100,00

0 20 40 60 80 100

DQ

O (

mg/

L)

t (horas)

BLANCO

Blanco SIN CM Blanco CM

58

37Figura 4.18. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (500 mg/L), con

Campo magnético = 0 mT y 95 mT

Como se puede observar en la figura 4.18, los valores de DQO obtenidos de las CCMs

acopladas con CM son bajos, por lo tanto, a las 20 horas hay una mayor degradación de materia

orgánica, lo que no pasa sin CM; esto se debe a que el campo mejora el crecimiento bacteriano

y acelera la degradación de contaminantes. (Tong, y otros, 2015)

Esto concuerda con los bajos voltajes obtenidos en este tiempo, lo cual se explica con la

curva de crecimiento bacteriano, que consta de una fase de adaptación (día 1), seguida de la

fase exponencial en cuya etapa las bacterias y biomasa crecen, y por consiguiente consumen la

mayor parte del sustrato (día 2), posteriormente empieza la fase estacionaria, y finalmente la

fase de muerte celular, en la que se detiene la degradación de materia orgánica. (López, Buitrón,

García, & Cervantes, 2017)

Rango Alto.

La figura 4.19 muestra el DQO en función del tiempo de las CCMs con AS a rango alto con

y sin CM.

38Figura 4.19. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (1000 mg/L), con

Campo magnético: a) 0 mT; y b) 95 mT.

628,08

490,00

198,67 184,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

0 20 40 60 80 100

DQ

O (

mg/

L)

t (horas)

AS - R. BAJO

a) SIN CM b) CM

1011,00

564,75

155,33

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

0 20 40 60 80 100

DQ

O (

mg/

L)

t (horas)

AS - R. ALTO

a) SIN CM b) CM

59

Se puede apreciar en la figura 4.19 que el CM favorece la degradación de la materia

orgánica, ya que se observan valores de DQO más bajos en las CCMs acopladas al CM, y a

pesar de ser un sustrato más concentrado se llega a un DQO de 155,33 mg/L, que es similar al

obtenido con rango bajo. Este comportamiento se debe a que el CM mejora el crecimiento

bacteriano, y por ende el metabolismo de estos microrganismos, degradando la mayor cantidad

de materia orgánica (Yin, y otros, 2016). Por lo tanto, el CM incide en la degradación de la

materia orgánica con sustratos puros con altas y bajas concentraciones, ya que además de lo

mencionado anteriormente, el acetato presenta vías de degradación simple con menos pérdida

de energía (Ge, Xiao, Tong, & He, 2013).

c) Agua Residual.

Para verificar si las CCMs degradaron la materia orgánica presente en el AR a rango bajo y

alto, se realizaron mediciones de DQO, como se observa en el Anexo G: tabla 4.13.

La figura 4.20 y 4.21 se muestra el DQO en función del tiempo para las CCMs con AR

(Ubillús) a rango bajo y alto, con y sin CM.

39Figura 4.20. DQO en función del

tiempo usando como sustrato AR (Ubillús)

(500 mg/L), con: a) 0 mT; y b) 95 mT.

40Figura 4.21. DQO en función del

tiempo usando como sustrato AR (Ubillús)

(1000 mg/L), con: a) 0 mT; y b) 95 mT.

En la figura 4.20 y 4.21 se observa que conforme pasa el tiempo hay degradación de materia

orgánica, obteniéndose mejores resultados al segundo día de funcionamiento, con la aplicación

del CM, ya que se mejoró el crecimiento bacteriano. Mientras que, sin CM, la degradación es

constante, ya que las bacterias se están adaptando y van degradando lentamente la materia

orgánica, este mismo comportamiento se observa con el agua sintética.

Por lo tanto, se confirma que la aplicación del CM mejora la degradación de DQO tanto en

agua residual doméstica como en agua sintética a bajas y altas concentraciones.

796,00

538,08

148,67186,00

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

0 50 100

DQ

O (

mg/

L)

t (horas)

AR - R. BAJO

a) SIN CM b) CM

581,42 591,33

1140,00

182,00243,33

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

0 50 100

DQ

O (

mg/

L)

t (horas)

AR - R. ALTO

a) SIN CM b) CM

60

% Remoción de DQO.

Los valores de DQO obtenidos para cada día, fueron utilizados para conocer el porcentaje

de remoción de materia orgánica (contaminante) de las CCMs con y sin la aplicación del CM

en el transcurso de 93 horas. En el Anexo G: tabla 4.14, se muestran los valores promedio para

cada uno de los factores de estudio. A continuación, se explica las gráficas de remoción.

a) Agua Sintética.

La figura 4.22 y 4.23 muestra la gráfica de remoción producida por las CCMs con y sin CM,

con AS a baja y alta concentración.

41Figura 4.22. Porcentaje de Remoción

del AS (500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95

mT

42Figura 4.23. Porcentaje de Remoción

del AS (1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95

mT

Como se observa en la figura 4.22 y 4.23 hay un mayor porcentaje de remoción en las CCMs

acopladas al CM, se puede apreciar que en el 2° día de funcionamiento se remueve el 57,37 %

de DQO en rango bajo y 83,37 % para rango alto, esto se da porque el CM mejora el

metabolismo microbiano, y por lo tanto las bacterias consumen mayor cantidad de materia

orgánica en menos tiempo, lo cual no ocurre sin CM ya que apenas se logra una degradación

del 44 %.

b) Agua Residual.

El agua residual doméstica es un sustrato que contiene varios contaminantes, entre ellos la

materia orgánica, la misma que debe ser removida antes de la disposición final del agua para

evitar su contaminación, razón por la cual diariamente se midió dicho parámetro para conocer

cuánto logra remover la CCM y el tiempo óptimo para dicho proceso.

57,37

-40

-20

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100

% R

emo

ció

n

t (horas)

AS -R. BAJO

a) AS - R. Bajo sin CM b) AS - R. Bajo CM

44,14

83,37

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

% R

emo

ció

n

t (horas)

AS -R. ALTO

a) AS - R. Alto sin CM b) AS - R. Alto CM

61

En el Anexo G: tabla 4.14, se muestran los valores promedio del porcentaje de remoción

producido por las CCMs para este sustrato a dos concentraciones diferentes, con y sin CM. A

continuación, se explica mediante gráficas.

La figura 4.24 y 4.25 muestra el porcentaje de remoción generado por las CCMs con y sin

CM con AR del barrio Ubillús con un DQO inicial de 500 mg/L y 1000 mg/L.

43Figura 4.24. % de Remoción del AR

(500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT

44Figura 4.25. % de Remoción del AR

(1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT

En las figuras 4.24 y 4.25, se aprecia que mediante el uso de las CCMs se logra una buena

remoción de DQO con y sin campo magnético, sin embargo, los mejores resultados se

obtuvieron con las CCMs acopladas al CM de 95 mT, llegando a valores de 79,63 % (rango

bajo) y 84,04 % (rango alto).

Se puede evidenciar que, al aplicar un CM adecuado, en este caso 95 mT se benefició el

proceso de remoción de DQO en las CCMs con ambos sustratos (AS y AR), ya que la influencia

del CM sobre el biofilm anódico, aumenta la actividad microbiana y por lo tanto se acelera la

degradación de contaminantes en sistemas de tratamiento de aguas residuales. (Tong, y otros,

2015) Lo cual se confirmó en este estudio ya que hay mayor remoción de DQO en AR,

probablemente porque este sustrato contiene nutrientes que contribuyan al crecimiento

bacteriano.

% Eficiencia Coulómbica.

La eficiencia coulómbica, se determinó considerando las intensidades de corriente máximas

y las variaciones de DQO, para realizar la gráfica I vs t, y encontrar la ecuación a integrar. A

continuación, se muestra un ejemplo para al AS a rango alto (Figura 4.26):

32,40

79,63

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100

% R

emo

ció

n

t (horas)

AR -R. BAJO

a) AR - R. Bajo sin CM b) AR - R. Bajo CM

46,17

84,04

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100

% R

emo

ció

n

t (horas)

AR -R. ALTO

a) AR - R. Alto sin CM b) AR - R. Alto CM

62

45Figura 4.26. Gráfica de la Imáx vs t

La eficiencia Coulómbica se determinó con la ecuación 3.

𝐶𝐸 =𝑀

𝑚 ∫ 𝐼(𝑡)𝑑𝑡𝑡

𝑜

𝐹 ∙ ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑏 ∙ 𝑉 𝑥 100 𝐸𝑐. 3

En la figura 4.26, se muestra la gráfica de la I máx en función del tiempo, la cual fue utilizada

para hallar la ecuación de I (t), en este caso es una polinómica de grado 4.

𝐶𝐸 =𝑀

𝑚 ∫ (−2∗10−25 𝑡4 + 2∗10−19 𝑡3 −5∗10−14 𝑡2+ 5∗10−9 𝑡 + 2∗10−5 )𝑑𝑡𝑡

𝑜

𝐹 ∙ ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑏 ∙ 𝑉 𝑥 100

Una vez integrada esta función, se determinó la CE en porcentaje.

𝐶𝐸 =24𝑎 𝑡5 + 30𝑏 𝑡4 + 40𝑐 𝑡3 + 60𝑑 𝑡2 + 120𝑒 𝑡

15 𝐹 ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑉 𝑥 100

Para entender mejor los resultados de eficiencia coulómbica Anexo G tabla 4.15, se

multiplicó por 100 para obtener el % de CE de las CCMs con y sin aplicación de CM, para

diferentes sustratos, a continuación, se analizará dichos resultados.

a) Agua Sintética.

La figura 4.27 y 4.28, muestra el % de CE de las CCMs con AS a baja y alta concentración,

con y sin la aplicación del CM.

y = -2E-25x4 + 2E-19x3 - 5E-14x2 + 5E-09x + 2E-05R² = 1

0,0000E+00

2,0000E-05

4,0000E-05

6,0000E-05

8,0000E-05

1,0000E-04

1,2000E-04

1,4000E-04

1,6000E-04

1,8000E-04

2,0000E-04

0 100000 200000 300000 400000

I (A

)

t (s)

63

46Figura 4.27. Porcentaje de Eficiencia

coulómbica del sistema con AS (500

mg/L) con: a) 0 mT y b) 95 mT

47Figura 4.28. Porcentaje de Eficiencia

coulómbica del sistema con AS (1000

mg/L) con: a) 0 mT y b) 95 mT

Se puede observar en la figura 4.27 y 4.28, que el CM generó mejores eficiencias

coulómbicas, conforme pasa el tiempo. En los días iniciales, se observa el mismo

comportamiento para ambos sustratos, pero a partir del tercer día, en las CCMS sin los valores

son casi constates (rango alto), la degradación de materia orgánica es pequeña. Sin embargo,

se observa que los mejores resultados se obtuvieron con CM y el sustrato a altas

concentraciones, siendo el valor más alto 81,58% a las 93 h; esto posiblemente se debe a que

mientras el tiempo aumenta la variación de DQO es menor, por lo tanto, es más eficiente la

recuperación de electrones como corriente eléctrica. Además, Zhao, Li, Ren, & Wang, (2016)

afirman en su estudio, que la aplicación de CM mejora los valores de CE, ya que inhibe

procesos alternos como por ejemplo la producción de metano.

b) Agua Residual.

En la figura 4.29 y 4.30 se muestran las eficiencias coulómbicas de las CCMs con y sin CM,

usando como sustrato el AR del barrio Ubillús, a baja y alta concentración.

48Figura 4.29. Porcentaje de Eficiencia

coulómbica del sistema con AR (500

mg/L) con: a) 0 mT y b) 95 mT

49Figura 4.30. Porcentaje de Eficiencia

coulómbica del sistema con AR (1000

mg/L) a) 0 mT y b) 95 mT

46,25

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

0 20 40 60 80 100

% C

E

t (horas)

AS - R. BAJO

a) AS - R. Bajo Sin CM b) AS - R. Bajo CM

8,51

81,58

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0 20 40 60 80 100

% C

E

t (horas)

AS - R. ALTO

a) AS - R. Alto Sin CM b) AS - R. Alto CM

0,51

3,30

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

0 20 40 60 80 100

% C

E

t (horas)

AR - R. BAJO

a) AR - R. Bajo Sin CM b) AR - R. Bajo CM

13,47

10,04

0,00

5,00

10,00

15,00

0 20 40 60 80 100

% C

E

t (horas)

AR - R. ALTO

a) AR - R. Alto Sin CM b) AR - R. Alto CM

64

Como se observa en la figura 4.29, la aplicación del CM permite obtener eficiencias

coulómbica más altas, ya que en estos ensayos se observó una mayor generación de intensidad

de corriente, lo que quiere decir que hubo una mayor recuperación de electrones obtenidos de

la oxidación de la materia orgánica. Sin embargo, con el sustrato a rango alto se observa lo

contrario (figura 4.30), es decir que con y sin CM, los resultados son similares, esto

posiblemente se debe a que con este sustrato se logró una mayor oxidación (degradación) de

materia orgánica más no una buena intensidad de corriente.

Por lo tanto, el CM si influyó de manera positiva en la CE, aunque se obtuvieron mejores

resultados con el AS, esto se debe a que el AR es un sustrato más complejo y por lo tanto hay

la posibilidad de que haya una competencia de especies, como se mencionó anteriormente.

Análisis de los efectos entre los factores de estudio para cada variable respuesta

A continuación, se muestran los resultados del ANOVA y las gráficas de los efectos de los

factores de estudio (DQO inicial, tipo de sustrato y campo magnético) sobre las variables

respuesta (intensidad de corriente, voltaje, % remoción y % CE), de acuerdo con el diseño 2^3

aplicado en este estudio. Estas comparaciones se realizaron para el segundo día de

funcionamiento de las CCMs puesto que, de acuerdo a los resultados presentados

anteriormente, en este tiempo se genera la máxima degradación de materia orgánica (remoción

de DQO) para las CCMs con CM y por lo tanto para los siguientes días su funcionamiento es

irrelevante, debido a que ya se consumió la mayor cantidad de materia orgánica para producir

electrones, y por ende la I y el V no son significativos.

En la tabla 4.5, se muestra la matriz del diseño factorial 23, con los resultados obtenidos en

este trabajo de investigación.

Tabla 84.5. Matriz del Diseño Factorial 23

BLOQUE

DQO

inicial

(mg/L)

Tipo de

Sustrato

Campo

Magnético

(mT)

Intensidad

de

Corriente

(mA)

Voltaje

(mV)

Remoción

(%)

Eficiencia

Coulómbica

(%)

1 -1 AS -1 1,7E-01 386,0 -11,84 6,42

1 1 AS -1 4,0E-02 382,0 44,14 2,99

1 -1 AR -1 1,0E-02 62,0 36,59 0,26

1 1 AR -1 3,0E-02 241,0 42,15 0,61

1 -1 AS 1 2,1E-01 389,0 50,21 4,70

1 1 AS 1 2,3E-01 385,0 79,44 4,09

1 -1 AR 1 1,8E-02 289,0 72,33 0,33

1 1 AR 1 2,8E-02 230,0 84,04 0,38

2 -1 AS -1 1,8E-01 402,0 -4,90 6,73

2 1 AS -1 1,9E-01 275,0 40,18 3,29

2 -1 AR -1 4,7E-03 185,0 32,82 0,29

2 1 AR -1 3,0E-02 252,0 49,56 0,52

65

2 -1 AS 1 2,0E-01 348,0 58,80 4,01

2 1 AS 1 2,0E-01 336,0 86,94 3,74

2 -1 AR 1 1,6E-02 224,0 73,70 0,33

2 1 AR 1 3,6E-02 318,0 85,79 0,37

3 -1 AS -1 1,7E-01 370,0 -10,10 0,00

3 1 AS -1 1,3E-01 339,0 48,10 2,75

3 -1 AR -1 7,5E-03 124,0 27,80 0,34

3 1 AR -1 2,0E-02 244,0 46,78 0,55

3 -1 AS 1 2,1E-01 458,0 63,09 3,74

3 1 AS 1 2,8E-01 473,0 83,73 3,88

3 -1 AR 1 1,6E-02 244,0 92,88 0,26

3 1 AR 1 2,5E-02 282,0 82,28 0,39

Intensidad de corriente.

La tabla 4.6, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA, en la cual los valores-P

prueban la significancia estadística de cada uno de los factores. En este caso 3 valores-P son

menores que 0,05, por lo tanto, los factores: tipo de sustrato, campo magnético, la interacción

Tipo de sustrato-CM; tienen un efecto estadísticamente significativo sobre Intensidad de

Corriente con un 95,0% de nivel de confianza.

Tabla94.6. Análisis de Varianza para Intensidad de Corriente - Suma de Cuadrados Tipo III

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-F Valor-P

EFECTOS

PRINCIPALES

A:DQO inicial 0,0000467604 1 0,0000467604 0,05 0,8272

B:Tipo de Sustrato 0,161294 1 0,161294 169,81 0,0000

C:Campo Magnético 0,00982935 1 0,00982935 10,35 0,0054

INTERACCIONES

AB 0,00106001 1 0,00106001 1,12 0,3065

AC 0,00236612 1 0,00236612 2,49 0,1341

BC 0,00708297 1 0,00708297 7,46 0,0148

ABC 0,0031671 1 0,0031671 3,33 0,0866

RESIDUOS 0,0151974 16 0,000949839

TOTAL

(CORREGIDO)

0,200044 23

Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual

En la figura 4.31 muestra el diagrama de Pareto que nos indica que las barras que cruzan la

línea de referencia son estadísticamente significativas.

66

50Figura 4.31. Diagrama de Pareto estandarizada para Intensidad de Corriente

Se puede ver en el diagrama de Pareto (figura 4.31), que el tipo de sustrato y el campo

magnético son estadísticamente significativos para la intensidad de corriente. Se muestra que

el campo magnético tiene un efecto positivo sobre producción de intensidad de corriente, es

decir que las CCMs acopladas al CM de 95 mT generaron mayores intensidades de corriente,

para el AS se mejoró en un 50%, mientras que para el AR en un 10%, esto debido a que el AS

es un sustrato puro rico en electrones.

A continuación, se muestra en la figura 4.32 los efectos principales sobre la intensidad de

corriente.

51Figura 4.32. Gráfica de efectos principales para Intensidad de Corriente

La figura 4.32 indica que el tipo de sustrato afecta principalmente a la producción de energía

eléctrica, es decir que con el AS se obtienen mejores resultados, esto debido a que es un sustrato

más fácil de degradar en comparación con el AR., y por lo tanto no hay competencia de

especies.

Diagrama de Pareto Estandarizada para Intensidad de Corriente

0 2 4 6 8 10 12

Efecto estandarizado

A:DQO inicial

C:Campo Magnético

B:Tipo de Sustrato

+-

-1,0

Tipo de Sustrato

AR 1,0

Gráfica de Efectos Principales para Intensidad de Corriente

0

0,04

0,08

0,12

0,16

0,2

Inte

nsid

ad

de C

orr

ien

te

DQO inicial

1,0 AS

Campo Magnético

-1,0

67

Otro efecto importante es el que ejerce el campo magnético, ya que con la aplicación de 95

mT hay un aumento en la intensidad de corriente, esto se explica porque el CM mejora la

actividad bioelectroquímica de los microorganismos anódicos, atribuido probablemente al

estrés oxidativo y efecto magnetohidrodinámico; específicamente el CM puede disminuir el

grosor de la doble capa de difusión en la interface solución-biofilm, promoviendo así la

transferencia de masa y la oxidación bioelectrocatalítica del sustrato. (Tong, y otros, 2015). Por

lo tanto, hace más eficiente el proceso de transferencia de electrones. (Yin, y otros, 2016)

Voltaje.

La tabla 4.7, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA para el Voltaje a circuito

abierto, generado por las CCMs. En este caso 3 valores-P son menores que 0,05, por lo tanto,

los factores: tipo de sustrato, campo magnético y las interacciones: DQO inicial-tipo de

sustrato; tienen un efecto estadísticamente significativo sobre voltaje con un 95,0% de nivel de

confianza.

Tabla 104.7. Análisis de Varianza para Voltaje - Suma de Cuadrados Tipo III

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-F Valor-P

EFECTOS

PRINCIPALES

A:DQO inicial 3174,0 1 3174,0 1,42 0,2516

B:Tipo de Sustrato 142296, 1 142296, 63,44 0,0000

C:Campo Magnético 21241,5 1 21241,5 9,47 0,0072

INTERACCIONES

AB 15100,2 1 15100,2 6,73 0,0196

AC 726,0 1 726,0 0,32 0,5773

BC 2480,67 1 2480,67 1,11 0,3086

ABC 8588,17 1 8588,17 3,83 0,0681

RESIDUOS 35889,3 16 2243,08

TOTAL

(CORREGIDO)

229496, 23

Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual

En la figura 4.33 se muestra el diagrama de Pareto para el voltaje, considerando los tres

factores de estudio.

68

52Figura 4.33. Diagrama de Pareto estandarizada para Voltaje

Se observa en la figura 4.33, que durante el segundo día de funcionamiento de la CCM el

tipo de sustrato y el campo magnético son estadísticamente significativos para el voltaje, al

igual que la intensidad de corriente. Se muestra que el campo magnético tiene un efecto positivo

sobre la generación del voltaje, esto es debido a que el CM afecta la actividad bioelectroquímica

y el crecimiento bacteriano, por lo tanto, mejora la concentración de las especies electroactivas

en la superficie del electrodo y reduce la resistencia interna de la celda. (Yin, y otros, 2016)

En la figura 4.34 se observan los efectos principales en la generación de voltaje.

53Figura 4.34. Gráfica de Efectos Principales para Voltaje

En esta gráfica se observa una pendiente pronunciada para el tipo de sustrato y el campo

magnético, es decir que estos factores tienen un efecto importante sobre esta variable al

segundo día de funcionamiento de la CCM. Se aprecia que a altas concentraciones del sustrato

los voltajes generados son más altos, posiblemente porque las bacterias cuentan con una

cantidad suficiente de materia orgánica necesaria para la oxidación y producción de electrones

ya que, al aplicar el CM, este incrementa el metabolismo bacteriano y por ende los

microorganismos requiere mayor alimento para su crecimiento. Por lo tanto, el CM genera

mejores voltajes porque hay una eficiencia directa en la transferencia de electrones por

bacterias. Al igual que con la intensidad de corriente el mejor sustrato para la producción de

voltaje es el AS, ya que es un sustrato más simple, como se mencionó anteriormente.

Diagrama de Pareto Estandarizada para Voltaje

0 2 4 6 8

Efecto estandarizado

A:DQO inicial

C:Campo Magnético

B:Tipo de Sustrato

+-

-1,0

Tipo de Sustrato

AR 1,0

Gráfica de Efectos Principales para Voltaje

220

260

300

340

380

Vo

ltaje

DQO inicial

1,0 AS

Campo Magnético

-1,0

69

Porcentaje de Remoción de DQO.

La tabla 4.8, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA para la Remoción de DQO

(%) producido por las CCMs. En este caso 6 valores-P son menores que 0,05, por lo tanto, los

factores: DQO inicial, tipo de sustrato, campo magnético, y las interacciones: DQO inicial-tipo

de sustrato, DQO inicial-CM, tipo sustrato-CM; tienen un efecto estadísticamente significativo

sobre % de remoción con un 95,0% de nivel de confianza.

Tabla 114.8. Análisis de Varianza para Remoción - Suma de Cuadrados Tipo III

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-F Valor-P

EFECTOS

PRINCIPALES

A:DQO inicial 3546,59 1 3546,59 111,51 0,0000

B:Tipo de Sustrato 1648,88 1 1648,88 51,84 0,0000

C:Campo Magnético 13630,3 1 13630,3 428,56 0,0000

INTERACCIONES

AB 1392,17 1 1392,17 43,77 0,0000

AC 498,044 1 498,044 15,66 0,0011

BC 156,622 1 156,622 4,92 0,0413

ABC 117,794 1 117,794 3,70 0,0723

RESIDUOS 508,883 16 31,8052

TOTAL

(CORREGIDO)

21499,3 23

Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual

En la figura 4.35 se muestra el diagrama de Pareto que nos indica que el campo magnético,

DQO inicial y el tipo de sustrato, son estadísticamente significativos.

54Figura 4.35. Diagrama de Pareto Estandarizada para Remoción

Como se observa en la figura 4.35, todos los factores de estudio; tienen un efecto positivo

sobre la remoción de DQO. Se puede apreciar que el CM mejoró significativamente esta

Diagrama de Pareto Estandarizada para Remoción

0 2 4 6 8 10 12

Efecto estandarizado

B:Tipo de Sustrato

A:DQO inicial

C:Campo Magnético

+-

70

variable. En la figura 4.36 se observan los efectos principales en la remoción de DQO

producido por las CCMs.

55Figura 4.36. Gráfica de Efectos Principales para Remoción

En la figura 4.36 se observa una pendiente pronunciada para los tres factores de estudio

(DQO inicial, tipo de sustrato y campo magnético), como se mencionó anteriormente, tienen

un efecto importante sobre esta variable al segundo día de funcionamiento de la CCM. El efecto

principal es causado por la aplicación del campo magnético de 95 mT, aumentando la

degradación en un 47,1 % en AS y 45,1 % en AR, esto se debe a que el CM afecta la actividad

enzimática del biofilm, es decir mejora la actividad biológica (crecimiento bacteriano) y por lo

tanto acelera la degradación de contaminantes. (Zhao, Li, Ren, & Wang, 2016)

Además, se aprecia que la mayor remoción se da con un DQO inicial a alta concentración,

porque con el CM se mejora el crecimiento bacteriano, por lo tanto, es necesario una mayor

cantidad de materia orgánica para degradar, asimismo el mejor sustrato es el agua residual,

posiblemente porque contiene una fuente rica en nutrientes que favorecen este proceso.

Eficiencia Coulómbica

La tabla 4.9, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA para la Eficiencia

Coulómbica (%) calculada para las CCMs. En este caso 1 valor-P es menor que 0,05, por lo

tanto, solo el tipo de sustrato tiene un efecto estadísticamente significativo sobre % de

eficiencia coulómbica con un 95,0% de nivel de confianza, para el segundo día de evaluación

de la CCM.

Tabla124.9. Análisis de Varianza para Eficiencia Coulómbica Suma de Cuadrados Tipo III

Fuente Suma de

Cuadrados

Gl Cuadrado

Medio

Razón-F Valor-P

A:DQO inicial 0,617604 1 0,617604 0,33 0,5713

B:Tipo de Sustrato 72,4885 1 72,4885 39,21 0,0000

C:Campo Magnético 0,0900375 1 0,0900375 0,05 0,8281

-1,0

Tipo de Sustrato

AR 1,0

Gráfica de Efectos Principales para Remoción

28

38

48

58

68

78R

em

oció

n

DQO inicial

1,0 AS

Campo Magnético

-1,0

71

AB 1,4357 1 1,4357 0,78 0,3912

AC 0,329004 1 0,329004 0,18 0,6787

BC 0,258337 1 0,258337 0,14 0,7134

ABC 0,650104 1 0,650104 0,35 0,5615

Error total 29,5781 16 1,84863

Total (corr.) 105,447 23

Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual

En la figura 4.37 se muestra el diagrama de Pareto, para el porcentaje de eficiencia

coulómbica de las CCMs.

56Figura 4.37. Diagrama de Pareto Estandarizada para Eficiencia Coulómbica

Se puede observar en la figura 4.37 que el factor campo magnético tiene un efecto positivo

sobre la eficiencia coulómbica de las CCMs, es decir que influyó en el mejoramiento de esta

variable, pero no es significativo al segundo día de funcionamiento. En la figura 4.38 se

observan los efectos principales sobre la variable eficiencia coulómbica de las CCMs.

57Figura 4.38. Gráfica de Efectos Principales para Eficiencia Coulómbica

Diagrama de Pareto Estandarizada para Eficiencia Coulómbica

0 2 4 6 8

Efecto estandarizado

C:Campo Magnético

A:DQO inicial

B:Tipo de Sustrato

+-

-1,0

Tipo de Sustrato

AR 1,0

Gráfica de Efectos Principales para Eficiencia Coulómbica

0

1

2

3

4

Efi

cie

ncia

Co

uló

mb

ica

DQO inicial

1,0 AS

Campo Magnético

-1,0

72

La figura 4.38, nos muestra que el DQO inicial, el tipo de sustrato y el campo magnético,

ejercen un efecto importante en el % de CE; sin embargo, el CM no afecta significativamente

a dicha variable, porque al segundo día de operación, se observa una mayor remoción de DQO.

Se observa que el efecto principal para un mejor % CE es el tipo de sustrato, ya que con AS se

obtienen resultados más altos, debido a que con este sustrato se obtuvieron mayores

intensidades de corriente, este comportamiento se da posiblemente porque el AS es un sustrato

más simple en comparación al AR, por lo tanto, no hay competencia de especies.

73

Capítulo V

Conclusiones y Recomendaciones

Conclusiones

Las celdas de combustible microbianas acopladas al campo magnético mejoraron la

remoción de DQO, y la generación de voltaje e intensidad de corriente, en comparación con

las CCMs tradicionales. Por lo tanto, es posible obtener buenos resultados con celdas de

combustible microbianas ensambladas con materiales de bajo costo y reciclables, acoplando

un campo magnético de 95 mT.

Se obtuvo el mejor porcentaje de remoción al 2° día de funcionamiento, con las CCMs con

CM y aguas residuales domésticas a altas concentraciones, llegando a una remoción de DQO

del 84,0%, aumentando de esta manera la degradación en un 45,1% en comparación a las CCMs

tradicionales. Por lo tanto, la alta remoción de materia orgánica producida por el campo

magnético, disminuyó el tiempo de funcionamiento de una CCM a dos días, a diferencia de la

CCM normal evaluada en 5 días, lo cual brinda la oportunidad de construir celdas en paralelo

cambiando el sustrato cada dos días, abarcando de esta manera más volumen de agua a tratar.

La mejor intensidad de corriente se generó con las CCMs acopladas al CM con agua residual

sintética, aumentando en un 50% con respecto a la CCM normal; y sólo un 10% con agua

residual doméstica, al segundo día de funcionamiento. Asimismo, las mejores condiciones para

generar voltajes altos fueron las CCMs con CM y agua sintética a altas concentraciones, en

donde se observó un aumento del 16,6%.

El CM tiene un efecto positivo en la eficiencia coulómbica en los últimos días de

funcionamiento, obteniéndose los valores más altos con el sustrato de agua sintética (81,5%),

esto debido a que en el agua residual (barrio Ubillús), puede existir una competencia de

especies por los electrones liberados de la oxidación, ya que estas especies no dejan pasar

libremente a los electrones y depositarlos en el ánodo.

Recomendaciones

Este trabajo de investigación contribuyó a la degradación de materia orgánica y a la

producción de un subproducto como es la bioelectricidad, sin embargo, durante el proceso de

investigación surgieron varias recomendaciones para futuras investigaciones, como se detalla

a continuación:

Evaluar un mejor diseño de CCM que capte un mayor volumen de agua residual a tratar,

pero que genere el mismo efecto causado por el diseño planteado en este estudio, es decir que

genere mayor cantidad de energía que una celda tradicional, y al mismo tiempo remueva la

mayor cantidad de materia orgánica. Como las bacterias juegan un papel importante en esta

tecnología de producción de energía, se recomienda evaluar estas CCMs con más consorcios

de bacterias.

74

Evaluar el modelo de CCM planteado en este estudio, con más electrodos (reciclados) y

verificar si hay buena conducción.

Utilizar una tarjeta de adquisición de datos o el potenciostato, para evaluar minuciosamente

el comportamiento de las CCMs a través de las curvas de polarización, en tiempo real; ya que

al realizarlas con pocas resistencias y cerrar el circuito se observó una caída brusca de potencial

para este modelo de CCM.

El campo magnético (95 mT) aplicado en las CCMs, si generó buenos resultados, sin

embargo, para investigaciones posteriores se pueden aplicar otras intensidades de campo

magnético que no sobrepasen los 200 mT, ya que intensidades de campo magnético altas son

perjudiciales para el crecimiento microbiano.

La disposición de los imanes que generan el campo magnético sobre el ánodo, debe ser de

tal manera que la distancia entre el imán y el electrodo con biofilm permita alcanzar una

intensidad de campo que haga efecto sobre los microorganismos, ya que si esta distancia es

muy grande se deben utilizar más imanes para incrementar a la intensidad de campo necesaria.

75

Bibliografía

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78

Anexos

A Esquema Causa Efecto

Disposición final de aguas residuales sin un tratamiento

previo

Propagación de

enfermedades

Incumplimiento de las

normativas ambientales

en cada provincia

Eliminación de

residuos sin control

Generación de

subproductos

perjudiciales

Falta de conocimiento

en la eliminación de

desechos

EF

EC

TO

S

CA

US

AS

Falta de presupuesto

para implementar

plantas de tratamiento

adecuadas

Falta de Normativas

Ambientales

Falta de Control en la

disposición final del agua

proveniente de hogares

Basura en las

alcantarillas

Sustancias tóxicas

arrojadas al agua

Actividad industrial,

minera

Contaminación de fuentes

naturales: ríos, lagos,

mares

Muerte de seres

acuáticos

Generación de

desechos tóxicos

Contaminación Ambiental

79

Baja conducción de

la electricidad No hay generación de

electrones

Reacción de

reducción del oxígeno

es lenta

E

F

E

C

T

O

S

Menor respuesta a

la generación de

y degradación de

materia orgánica

Menor degradación de

materia orgánica

Baja eficiencia

Bajo rendimiento

(menor volumen

de sustrato)

Muerte de

bacterias

Los potenciales

obtenidos no son

constantes

No conducen

electricidad

Baja generación de la intensidad de corriente producida por celdas de

combustible microbianas

Modelo de

la celda

C

A

U

S

A

S

Tipo de sustrato Condiciones

ambientales para las

bacterias

Defectos en los

Electrodos

Falta de

alimentación

continua con

agua residual Defectos en el

Tipo de

membrana de

intercambio

iónico

Alambres

conductores de

bajo costo

Agua

residual Presión Temperatura

Tipo de bacterias

electrogénicas

anaerobias

usadas

Ausencia

de

catalizad

ores

Baja eficiencia

80

B Diagrama de flujo

58Figura B1. Diagrama de Flujo de Preparación de electrodos

E1 = De las Pilas D Eveready

E2 = Ebullir durante 15 minutos.

81

59Figura B2. Diagrama de Flujo de

Inoculación de electrodos

60Figura B3. Diagrama de Flujo del

Ensamblaje de una Celda de combustible

microbiana

82

C Instrumento de recolección de datos

Guía de observación: Hoja o ficha de registro de datos

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

CARRERA DE QUÍMICA

Tema:

Responsables:

Fecha: Hora:

Datos Experimentales:

Sustrato: Réplica N°:

Celda N°:

VCA=

I=

Datos para la curva de polarización

R (Ω) V

100

300

510

820

1500

2200

3000

5100

10 K

15 K

20 K

51 K

100 K

Determinación de DQO

Muestra Absorbancia

83

D Matriz de validación de instrumentos

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS

CARRERA DE QUÍMICA

Tema:

Matriz de Validación

Indicador

Corresponde

ncia con

objetivos

Corresponde

ncia con

Variables

Corresponden

cia con

dimensiones

Uso del

Lenguaje

Escalamien

to

C NC C NC C NC A I A I

DQO

(mgO2/L) x

x

x

x

x

Campo

magnético

(mT)

x

x

x

x

x

Eficiencia

Coulómbica

(%)

x

x

x

x

x

% Remoción

de DQO x

x

x

x

x

Instrucciones:

En correspondencia: cada indicador debe señalarse la correspondencia C, o No

Correspondencia NC.

En uso de lenguaje y escalamiento. En cada indicador Adecuado A, Inadecuado I.

Observaciones

El instrumento de recolección creado, está bien estructurado ya que hay correspondencia entre

los indicadores, los objetivos, y las variables planteadas en este estudio.

Nombre:

Firma:

84

E Anexo 1. Voltamperometría Cíclica

61Figura E1. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una

velocidad de 0,005 V/s

62Figura E2. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una

velocidad de 0,010 V/s

63Figura E.3. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una

velocidad de 0,015 V/s

85

F Anexo 2. Curva de Calibración para DQO

X

y =

respuesta

100 0,019

100 0,024

200 0,058

200 0,047

300 0,097

300 0,065

400 0,153

400 0,154

500 0,167

500 0,178

600 0,200

600 0,194

600 0,184

700 0,244

800 0,254

800 0,279

900 0,329

900 0,294

1000 0,341

1000 0,337

1000 0,311

64Figura F1. Recta de Calibración para DQO

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 200 400 600 800 1000 1200

y

x

Recta de Calibración

86

Anexo G. Tablas de Resultados

Tabla13G4.5 Valores de Voltaje a circuito abierto de los blancos con: a) 0 mT y b) Campo

magnético = 95 mT

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

V (mV) V (mV)

2 247,00 417,25

20 115,00 225,00

45 90,83 76,70

69 80,40 39,13

93 49,75 30,43

Tabla14G4.6. Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AS a Baja

Concentración (500 mg/L) y Alta Concentración (1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo

magnético = 95 mT

DQO Rango Bajo DQO Rango Alto

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

Voltaje

(mV)

Voltaje

(mV)

Voltaje

(mV)

Voltaje

(mV)

2 386,00 559,67 346,67 607,67

20 364,00 398,33 332,00 398,00

45 97,00 37,07 94,00 39,50

69 83,67 21,20 48,33 25,13

93 36,00 17,50 28,80 20,17

Tabla15G4.7 Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AR (500 g/L y 1000

mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT

DQO Rango Bajo DQO Rango Alto

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

Voltaje

(mV)

Voltaje

(mV)

Voltaje

(mV)

Voltaje

(mV)

2 188,25 351,67 250,00 385,67

20 123,5 252,33 245,67 276,67

45 44,05 119,47 48,33 96,63

69 33,65 82,33 46,00 58,40

93 26,8 62,77 30,00 57,00

87

Tabla16G4.8. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS (blancos) con: a) 0

mT y b) Campo magnético = 95 mT

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

I máx

(mA)

I máx

(mA)

2 0,0073 0,0078

20 0,0033 0,0136

45 0,0067 0,0052

69 0,0090 0,0029

93 0,0071 0,0020

Tabla17G4.9. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AS (500 mg/L y

1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT

DQO Rango Bajo DQO Rango Alto

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

I máx

(mA)

I máx

(mA)

I máx

(mA)

I máx

(mA)

2 0,0131 0,0853 0,0352 0,1133

20 0,1733 0,2053 0,1200 0,2377

45 0,0744 0,0233 0,0850 0,0347

69 0,0633 0,0132 0,0132 0,0247

93 0,0278 0,0093 0,0203 0,0143

Tabla18G4.10. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AR (500

mg/L y 1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT

DQO Rango Bajo DQO Rango Alto

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

I máx

(mA)

I máx

(mA)

I máx

(mA)

I máx

(mA)

2 0,0030 0,0082 0,0044 0,0093

20 0,0075 0,0167 0,0267 0,0297

45 0,0036 0,0111 0,0082 0,0129

69 0,0031 0,0077 0,0063 0,0108

93 0,0027 0,0051 0,0021 0,0079

88

Tabla19G4.11. Valores de DQO en función del tiempo

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

2 482,00 765,25

20 635,25 1028,00

45 647,00 931,50

69 642,50 888,50

93 452,00 790,00

Tabla20G4.12. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Sintética

(500 mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT

Rango Bajo Rango Alto

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

0 576,50 466,00 1011,00 934,00

2 720,67 331,42 741,33 441,42

20 628,08 198,67 564,75 155,33

45 539,67 291,83 549,67 281,83

69 400,17 261,50 386,17 252,17

93 490,00 184,00 489,00 116,00

Tabla21G4.13. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Doméstica

(Ubillús) (500 mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT

Rango Bajo Rango Alto

t (horas)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

DQO

(mg/L)

0 796,00 730,00 1080,00 1140,00

2 658,00 341,42 731,33 424,75

20 538,08 148,67 581,42 182,00

45 589,67 258,50 529,67 315,17

69 387,50 241,50 574,17 314,83

93 334,33 204,00 591,33 243,33

89

Tabla22G4.14. Resultados de los % de remoción de materia orgánica en función del tiempo

t (horas)

AS (500 mg/L) AS (1000 mg/L) AR (500 mg/L) AR (1000 mg/L)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

% R % R % R % R % R % R % R % R

0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

2 -25,01 28,88 26,67 52,74 17,34 53,23 32,28 62,74

20 -8,95 57,37 44,14 83,37 32,40 79,63 46,17 84,04

45 6,39 37,37 45,63 69,83 25,92 64,59 50,96 72,35

69 30,59 43,88 61,80 73,00 51,32 66,92 46,84 72,38

93 15,00 60,52 51,63 87,58 58,00 72,05 45,25 78,65

Tabla23G4.15. Resultados de la CE expresado en porcentaje en función del tiempo

t (horas)

AS (500 mg/L) AS (1000 mg/L) AR (500 mg/L) AR (1000 mg/L)

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

CM

0 mT

CM

95 mT

% CE % CE % CE % CE % CE % CE % CE % CE

20 6,57 5,89 3,01 3,90 0,30 0,31 0,56 0,38

45 21,45 22,72 8,65 14,35 1,01 1,20 2,06 1,67

69 19,99 32,16 8,58 36,47 0,72 2,10 5,85 4,43

93 46,75 46,25 8,51 81,58 0,51 3,30 13,47 10,04