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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE YUCATÁN

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

“EVALUACIÓN ELECTROQUÍMICA DE MATERIALES ANÓDICOS

Y SU APLICACIÓN EN CELDAS DE COMBUSTIBLE

MICROBIANAS”

TESIS

presentada por

RUTELY CONCEPCIÓN BURGOS CASTILLO

en opción al Título de

INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

A s e s o r e s

DRA. XOCHITL DOMÍNGUEZ BENETTON

DR. CRISTIAN CARRERA FIGUEIRAS

DR. JOSÉ MANUEL DOMÍNGUEZ ESQUIVEL

Mérida, Yucatán, México.

Enero, 2012

Aunque un trabajo en opción a

Titulación hubiere servido para el

Examen Profesional y hubiere sido

aprobado por el Sínodo, sólo su

autor o autores son responsables de

las doctrinas en él emitidas.

Artículo 76 del Reglamento

Interior de la Facultad de

Ingeniería Química de la

Universidad Autónoma de Yucatán.

DEDICATORIAS

Dedico esta tesis a mi familia en especial a mi mamá Martina a mis hermanas

Julissa, Marlene, al tío Jorge y a mis sobrinos por las sonrisas y el apoyo que

cada quien me brindó en estos años .

A mi abuelita Josefina que desde algún lugar no ha dejado de enviarme

bendiciones y porque siempre se preocupó por mí.

A mis amigos, profesores, compañeros y personas que se cruzaron en mi

camino e hicieron mi vida diferente.

AGRADECIMIENTOS

Me es grato agradecer tanto a las personas como a las instituciones que depositan la confianza

en la comunidad estudiantil para llevar a cabo los proyectos de formación académica, que nos

definen como profesionistas y personas en el largo sendero de la vida. Aquí hay muchos

nombres por mencionar pero sin duda sería interminable la lista. Sin embargo quiero agradecer

sinceramente:

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por haber proporcionado el financiamiento para la

realización de este trabajo, a través del proyecto de ciencia básica CB-83132 de la modalidad

para Jóvenes Investigadores, “Desarrollo de celdas de combustible bacterianas para la

remediación de efluentes residuales domésticos y su optimización mediante bioelectrogénesis

dirigida”.

Al personal del Laboratorio de Biotecnología de la FIQ que me permitieron realizar mis

actividades experimentales, por su apoyo y ayuda cuando fue necesario, al Laboratorio de

Química General, como al de Análisis Instrumental de la FIQ que me permitieron llevar a cabo

parte de los experimentos y cuyo apoyo fue muy importante. Y también me es grato agradecer a

todo el personal que muchas veces tuvo la comprensión para brindarnos apoyo técnico como el

área de mantenimiento, los de conserjería y de vigilancia que siempre tuvieron un trato amable y

cordial.

Al Laboratorio de Ingeniería Ambiental que me abrió las puertas y me facilitó el uso de las

instalaciones y equipos, en verdad gracias por ese apoyo interinstitucional tan apreciable para

mí.

A mis coasesores el Dr. Cristian Carrera Figueiras por su valioso apoyo hasta el termino de la

presente tesis y al Dr. José Manuel Domínguez Esquivel del Instituto Mexicano del Petróleo que

siempre tuvo un interés por transmitir el valor de un trabajo bien hecho y con mucha paciencia

me guió para realizar una parte experimental del trabajo. Y quizá es el último agradecimiento

mencionado pero no menos significativo para la Dra. Xochitl Domínguez, no sólo por el ejemplo

de trabajo, esfuerzo y dedicación, sino por sus acertados consejos en los momentos de duda e

incertidumbre que me impulsan a buscar nuevos y mejores senderos como persona y

profesionista.

viii

ÍNDICE DE CONTENIDO

1. Introducción ........................................................................................................ 16

2. Antecedentes ...................................................................................................... 18

2.1. Alternativas biotecnológicas ante la crisis energética y la contaminacion

del agua……………………………….. ........................................................................... 18

2.2. Sistemas bioelectroquímicos (SBEs) .................................................................. 20

2.3. Celdas de combustible microbianas (CCMs) ...................................................... 21

2.3.1. Fundamentos y estado del arte .......................................................................... 23

2.3.2. Microorganismos como electrocatalizadores ...................................................... 23

2.3.3. Tipos y configuraciones ...................................................................................... 24

2.3.4. Naturaleza electroquímica y funcionamiento energético .................................... 25

2.3.5. Factores que impactan en el desempeño de las celdas de combustible

microbianas (CCMs) ..................................................................................................... 26

2.3.6. Diferentes materiales como electrodos anódicos ............................................... 27

2.4. Métodos de análisis electroquímico .................................................................... 29

2.4.1. Análisis de impedancia electroquímica ............................................................... 30

2.4.2. Voltametría cíclica .............................................................................................. 32

2.5. Estrategias espectrofotométricas ....................................................................... 35

2.5.1. Difracción de rayos-X (DRX) .............................................................................. 35

2.5.2. Espectroscopía de infrarrojo ............................................................................... 35

2.6. Estrategias microbiológicas ................................................................................ 36

2.6.1. Método espectrométrico de McFarland .............................................................. 36

2.6.2. Demanda Química de Oxígeno (DQO) ............................................................... 36

3. Objetivos ............................................................................................................. 39

3.1. Objetivo general ................................................................................................. 39

3.2. Objetivos particulares ......................................................................................... 39

4. Materiales y métodos.......................................................................................... 41

4.1. Estrategia general de trabajo .............................................................................. 41

4.2. Recolección y tratamiento de las muestras microbianas .................................... 42

4.3. Medio de cultivo para las biopelículas marinas .................................................. 42

4.4. Inoculos .............................................................................................................. 42

4.5. Determinación de la cantidad de biomasa .......................................................... 43

ix

4.6. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) ................................ 44

4.6.1. Tratamiento, limpieza y preparación de los tubos de digestión .......................... 45

4.6.2. Preparación de la curva de calibración ............................................................... 45

4.6.3. Tratamiento, preservación y almacenamiento de las muestras .......................... 46

4.7. Preparación de los electrodos ............................................................................ 46

4.7.1. Preparación de la solución polimérica de polianilina (PAni) ............................... 47

4.7.2. Preparación de los electrodos compositos con polianilina.................................. 47

4.7.3. Preparación de los electrodos compositos grafito/nanofibras de carbono

(CNTs)/polianilina (PAni) ............................................................................................... 47

4.8. Preparación de la celda electroquímica para evaluar el desempeño de

los electrodos y el efecto de biopelículas marinas ....................................................... 48

4.9. Caracterización electroquímica .......................................................................... 49

4.9.1. Análisis por espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE) ..................... 50

4.9.2. Análisis mediante voltametría cíclica (CV) .......................................................... 51

4.9.3. Análisis de la impedancia electroquímica mediante circuitos equivalentes ........ 52

4.10. Determinación de la diferencia de potencial (mV) y de las densidad de

corriente (A/m2) en los sistemas de estudio .................................................................. 53

4.11. Tratamiento estadístico para los resultados analíticos ....................................... 53

4.12. Tratamiento para los resultados espectroscópicos ............................................. 54

4.12.1.Difracción de rayos-X (DRX) .............................................................................. 54

4.12.2.Espectroscopía de infrarrojo (IR) ....................................................................... 54

5. Resultados y discusiones ................................................................................... 56

5.1. Medición de la densidad de corriente ................................................................. 56

5.2. Determinación del crecimiento de los microorganismos en el medio ................. 58

5.3. Determinación de la concentración de la demanda química de oxígeno

en los sistemas bióticos ................................................................................................ 59

5.4. Caracterización electroquímica (EIE) ................................................................. 61

5.4.1. Análisis con voltametría cíclica ........................................................................... 62

5.4.2. Espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE) ......................................... 70

5.4.3. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas compositos

de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo condiciones bióticas

y abióticas ..................................................................................................................... 70

x

5.4.4. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas compositos

de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo condiciones bióticas

y abióticas ..................................................................................................................... 77

5.4.5. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas de acero

con y sin polianilina bajo condiciones bióticas y abióticas ............................................ 83

5.4.6. Análisis mediante espectroscopías .................................................................... 88

6. Conclusiones ...................................................................................................... 92

7. Referencias bibliográficas ................................................................................... 93

8. Anexos................................................................................................................ 102

xi

ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro 1. Tipos de sistemas bioelectroquímicos. ......................................................... 20

Cuadro 2. Características definidas para reacciones reversibles en los

voltagramas cíclicos. ..................................................................................................... 34

Cuadro 3. Matriz experimental ...................................................................................... 41

Cuadro 4. Soluciones para la curva estándar de McFarland ........................................ 43

Cuadro 5. Valores de los parámetros electroquímicos significativos obtenidos

mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos de

grafito bajo condiciones bióticas y abióticas. ................................................................ 76


mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos

compositos de grafito-nanofibras de carbono bajo condiciones bióticas y

abióticas. ....................................................................................................................... 82


mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los sistemas de

acero bajo condiciones bióticas y abióticas. ................................................................. 88

xii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Disposición general de una CCM de doble cámara. ...................................... 25

Figura 2. Diagrama complejo o de Nyquist. ................................................................. 31

Figura 3. Esquemas típicos de un voltagrama cíclico para diferentes sistemas .......... 34

Figura 4. Curva de calibración experimental para la aplicación del método de

McFarland. .................................................................................................................... 44

Figura 5. Curva de calibración experimental para la cuantificación de la

demanda química de oxígeno (DQO). .......................................................................... 46

Figura 6. Reactor utilizado en las mediciones electroquímicas .................................... 49

Figura 7. Interfaz del potenciostato Voltalab 80 .......................................................... 50

Figura 8. Circuito eléctrico equivalente (CEE)............................................................... 53

Figura 9. Diagramas de densidad de corriente biocatalítica. ........................................ 57

Figura 10. Curvas experimentales del crecimiento de los microorganismos

planctónicos en los sistemas bióticos evaluados. ......................................................... 59

Figura 11. Determinación experimental de las concentraciones de DQO en los

sistemas bióticos. .......................................................................................................... 60

Figura 12. Voltagrama cíclico para los electrodos de grafito a una velocidad de

barrido de 20mV/s ......................................................................................................... 64

Figura 13. Voltagrama cíclico para los electrodos compositos de grafito-

nanofibras de carbono a una velocidad de barrido de 20mV/s ..................................... 67

Figura 14. Voltagrama cíclico para los electrodos de acero a una velocidad de

barrido de 20mV/s ......................................................................................................... 68

Figura 15. Diagramas de Nyquist para los sistemas de grafito con y sin

polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas. ............................................ 71

Figura 16. Diagramas de Bode para los sistemas de grafito con y sin polianilina

expuestas a condiciones bióticas y abióticas ............................................................... 72

Figura 17. Diagramas de Nyquist para los ajustes de los datos de impedancia

para los sistemas de grafito .......................................................................................... 75

Figura 18. Diagramas de Nyquist de los sistemas compositos de grafito-

nanofibras de carbono con y sin polianilina, expuestos a condiciones bióticas y

abióticas ........................................................................................................................ 78

xiii

Figura 19. Diagramas de Bode para los sistemas compositos de grafito-

nanofibras de carbono con y sin polianilina expuestas a condiciones bióticas y

abióticas ........................................................................................................................ 79


de los sistemas compositos de grafito-nanofibras con y sin polianilina bajo

condiciones bióticas. ..................................................................................................... 82

Figura 21. Diagramas de Nyquist para los sistemas de acero con y sin

polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas. ............................................. 83

Figura 22. Diagramas de Bode para los sistemas de acero con y sin polianilina

expuestas a condiciones bióticas y abióticas ............................................................... 84


de los sistemas de acero con y sin polianilina expuestos a condiciones bióticas

y abióticas.. ................................................................................................................... 86

Figura 24. Espectro de difracción de rayos X de los nanomoldes de sílice

empleados para la síntesis de las nanofibras de carbono. ........................................... 89

Figura 25. Espectro de infrarrojo de los materiales de grafito recubiertos de

polianilina. ..................................................................................................................... 90

xiv

Lista de abreviaturas

j (A/m2), densidad de corriente

BA, electrodos de acero inoxidable

C, Coulombs

CCM/CCMs, celda de combustible microbiana/celdas de combustible

microbianas

CEE, circuito eléctrico equivalente

CNTs, nanofibras de carbono

CV, voltametría cíclica

DRX, difracción de rayos X

E, potencial en Volts

Ecel, diferencia de potencial de celda

E1/2, potencial de semireacción

EIE, espectroscopía de impedancia electroquímica

F, constante de Faraday (96,495C/mol)

FA, electrodos compositos de grafito-nanofibras de carbono

∆G, energía libre de Gibbs

G, electrodos de grafito

I, corriente en Amperes

IR, infrarrojo

mA, milli Amperes

mW, mili Watts

mV, mili Volts

NADH siglas en inglés, dinucleótido de nicotinamida y adenina

n, número de electrones intercambiados durante la oxidación de un sustrato

OCP siglas en inglés, potencial a circuito abierto

PAni, polianilina

DP, densidad de potencia (mW/m2)

SBEs, sistemas bioelectroquímicos

UFC/ml, unidades formadoras de colonias por mililitro

xv

RESUMEN

Durante el desarrollo del presente trabajo se fabricaron y se analizaron diversos

materiales anódicos, utilizando polímeros conductores, con el objeto de impactar el

desempeño de celdas de combustible microbianas por encima de 3.6 A/m2, como

parámetro de referencia reportado en la literatura para cultivos microbianos mixtos.

Se obtuvieron dos tipos de materiales: 1) modificados con películas del polímero

conductor polianilina (PAni) usando métodos químicos, 2) modificados con nanofibras

de carbono y polianilina. Ambos tipos de materiales fueron comparados con sus

análogos sin modificar: barras de grafito y barras de acero inoxidable Se realizaron

análisis electroquímicos para evaluar el desempeño de los electrodos, tanto en medios

abióticos como en presencia de cultivos microbianos mixtos tolerantes al oxígeno y

provenientes de ambientes marinos, como biocatalizadores.

Los parámetros electroquímicos obtenidos se asociaron a los mecanismos de

transporte de especies electroquímicamente activas, utilizando impedancia

electroquímica y voltametría cíclica. Se encontró que el desempeño de los materiales

estudiados, de más a menos favorable para ser utilizados como sustratos anódicos, es

el siguiente: barras de grafito con PAni > barras de acero con PAni > barras de grafito

sin PAni > nanofibras de carbono con PAni sobre barras de grafito > barras de acero

sin PAni, cuyos valores de densidad de corriente máxima en presencia microbiana

fueron 3.8 A/m2, 1.7 A/m2, 0.37 A/m2, 0.3 A/m2 y 0.2 A/m2, respectivamente.

La eficiencia coulómbica más favorable fue para el sistema de barras de grafito con

polianilina expuesto a condiciones bióticas y fue de 33%. Se demostró que el uso de la

polianilina sobre los electrodos en sinergia con la presencia de microorganismos

activos a nivel anódico facilita el transporte de especies electroquímicamente activas,

a través de la creación de un mayor número de sitios catalíticos. Ello hace posible el

incremento de la densidad de potencia y, de esta forma, los electrodos de grafito con

PAni muestran características favorables para ser utilizados en aplicaciones de alta

densidad de potencia en el contexto de las celdas de combustible microbiana en

contraste con sus análogos abióticos con y sin polianilina. Sin embargo, se precisa de

estudios más controlados para optimizar la producción de electrodos que conduzcan a

escalamientos exitosos.

16

1. Introducción

La sociedad está preocupada por limpiar sus tecnologías, sin embargo, ésta

debería —en vez— desarrollar y utilizar tecnologías limpias, que en principio no

causen problemas de contaminación ambiental. Esto es poco factible, ya que

predominan en nuestro planeta regiones invadidas de contaminantes, ya sea

en mayor o menor grado.

Los intereses políticos mundiales (que no pueden ser ignorados) ponen sus

esfuerzos en el desarrollo de energías alternativas, como uno de los grandes

pilares para alcanzar la sostenibilidad. Afortunadamente, para el campo de los

combustibles podemos pensar en alternativas que reemplacen las actuales

fuentes en uso. No así para el agua. El agua es un recurso vital y no hay

ninguna alternativa conocida que la reemplace. Entonces, considerando los

intereses políticos y vitales, una tecnología limpia ideal sería aquella capaz de

producir energía mediante un proceso no contaminante, al mismo tiempo que

permita la remediación del agua ya contaminada.

Las celdas de combustible microbianas son sistemas bioelectroquímicos que

permiten la oxidación de materia orgánica sobre un ánodo colonizado por

microorganismos, hasta CO2 y protones. Derivado de ello, se transfieren

electrones (mediante un circuito eléctrico externo al sistema) hasta un cátodo,

en el que se lleva a cabo la reducción del O2 para formar agua. De este modo,

esta tecnología limpia permite la remediación de agua en forma paralela a la

generación directa de electricidad, sin pasar por procesos de combustión.

17

Al día de hoy, la factibilidad técnica de estos sistemas ha sido probada; en

menor grado la económica. Pese a ello, en el mundo ya se han puesto en

marcha plantas piloto e industriales en donde las celdas de combustible

microbianas forman parte del proceso de tratamiento de aguas residuales. Un

desarrollo más completo se logrará cuando logren abatirse los costos de los

materiales anódicos, catódicos y separadores (membranas) que conforman el

sistema, manteniendo su eficiencia catalítica.

Los materiales anódicos son un aspecto clave en ello, puesto que su uso se

considera el factor limitante de la cinética del proceso. Es en este contexto que

la presente tesis tuvo como estrategia el desarrollo de nuevos materiales

anódicos que permitan incrementar la densidad de potencia con respecto a los

materiales clásicamente utilizados.

Los resultados obtenidos en el presente trabajo corroboran que utilizando

polímeros conductores como la polianilina se incrementan las propiedades

conductoras y catalíticas de los materiales utilizados como electrodos

comparados con sus análogos sin modificar. Los electrodos de grafito con

polianilina dieron mejores resultados que los de acero y los de grafito-

nanofibras de carbono con y sin polianilina en ausencia y presencia de

biopelículas anódicas, los cuales exhibieron una capacidad sinérgica notable

bajo condiciones bióticas para la producción de densidad de corriente de hasta

3.8 A/m2 con un área superficial de 7.461 cm2.

La tesis se encuentra dividida en 4 capítulos. El capitulo 1 presenta los

objetivos planteados. Posteriormente, en el capítulo 2 se abordan los

materiales y métodos, el capítulo 3 discute los resultados y señala algunas

observaciones. Finalmente, la sección cuarta presenta las conclusiones

derivadas del trabajo de investigación realizado.

18

2. Antecedentes

2.1. Alternativas biotecnológicas ante la crisis en ergética y la

contaminación del agua

La preservación del medio ambiente es una necesidad que exige hacer frente a

dos de las principales preocupaciones a escala global: i) la amenaza del

cambio climático y sus efectos, que se han relacionado directamente con el uso

indiscriminado de combustibles fósiles (Maier et al., 2006), y (ii) la

disponibilidad de agua limpia de fácil acceso (Oh, 2010).

Una de las principales acciones para reducir la dependencia existente en los

combustibles fósiles, consiste en el desarrollo de fuentes de energías

renovables que sean sustentables a largo plazo (Briggs, 2005, Panwar et al.,

2011). Es decir, aquellas prácticamente inagotables en relación al tiempo de

vida del hombre en los ecosistemas, Las energías renovables se encuentran

aun poco implementadas debido, principalmente, a restricciones tecnológicas y

políticas (Zerta et al., 2008, Buran et al., 2003, Siddiqui et al., 2010, Panwar et

al., 2011). Sin embargo, las ventajas asociadas al uso de estos tipos de

energía son principalmente que: i) ocasionan mínimo impacto al medio

ambiente, ii) los residuos que generan no son difíciles de tratar, además que no

generan gases contaminantes como lo hacen los combustibles fósiles, iii)

pueden operar como dispositivos autóctonos, reduciendo los problemas

asociados a la importación y se puede lograr una considerable disminución de

la dependencia energética, iv) los impactos que producen son despreciables o

de fácil minimización y al mismo tiempo generan puestos de trabajo en su

construcción, mantenimiento y explotación, lo que las convierte en un poderoso

instrumento para lograr desarrollo económico y tecnológico (Frers, 2010).

No obstante, el reto mas importante en el campo de energías renovables, es la

disminución de los costos asociados a su desarrollo; sin embargo, el

agotamiento progresivo de las fuentes convencionales de energía como los

yacimientos petroleros y el incremento del costo de la energía, van creando

áreas de oportunidad insatisfechas que las convierten en una realidad

19

inaplazable (Cooke et al., 2007, Briggs, 2005, Zerta et al., 2008, Buran et al.,

2003, Barcia et al., 2006, Panwar et al., 2011).

Los distintos tipos de bioenergía constituyen la fuente mas extendida para este

propósito. El término bioenergía denomina a la energía renovable que se

produce a partir de diversas fuentes biológicas (Mitchell, 2000, Srebotnjak et

al., 2011, Panwar et al., 2011), entre las que destacan: (i) la biomasa sólida,

que involucra la materia no fósil proveniente de sistemas biológicos, de la

agricultura y del procesamiento de alimentos, (Domínguez-Benetton et al.,

2010), así como el contenido orgánico biodegradable que se encuentra disuelto

en los efluentes residuales municipales e industriales (Sequeira et al., 2007,

Srebotnjak et al., 2011), (ii) la producción de biocombustibles líquidos, iii) el

biogás y los gases recuperables de los rellenos sanitarios, (iv) el biohidrógeno,

y (v) la bioelectrogénesis que se fundamenta en la generación directa de

energía eléctrica o combustibles a través del uso de sistemas biológicos o

partes de ellos (principalmente enzimas) en sistemas bio electroquímicos. En

estos últimos se convierten sustratos orgánicos hasta electrones exocelulares y

protones, los cuales pueden ser recuperados de forma directa para producir

energía eléctrica; además de agua y dióxido de carbono (Logan et al., 2006,

Clauwaert, 2008).

Por otra parte, tratamiento del agua, ya sea de una fuente fresca o residual,

depende primordialmente de la cantidad y del tipo de contaminantes disueltos

en ella. Un adecuado proceso de tratamiento generalmente consta de una serie

de métodos convencionales de desinfección, descontaminación y reducción de

contenido de sales, el cual se establece de acuerdo al uso final del agua

(Shannon et al., 2008). Estos métodos tradicionales incluyen operaciones

físico-químicas, procesos biológicos, procesos en plantas húmedas y de

tecnología robusta (EPA, 2008).

El tratamiento mediante procesos biológicos involucra sistemas compuestos

por microorganismos, donde los contaminantes de naturaleza orgánica se

reducen utilizando la actividad microbiana. En la actualidad son la forma de

tratamiento de preferencia por su rentabilidad en cuanto al consumo de energía

20

y los requerimientos de sustancias químicas tóxicas. Sin embargo, una de sus

mayores desventajas es el elevado requerimiento energético debido a los

dispositivos mecánicos utilizados para lograr una gran eficiencia (EPA, 2008).

La eficiencia de remoción y los costos asociados a los procesos de

descontaminación de agua, han impulsado cada vez más el desarrollo de

diversos dispositivos cuyo objetivo primordial es incrementar sus aplicaciones

prácticas en la gestión de los contaminantes del medio ambiente, bajo

esquemas de sustentabilidad. Entre estos sistemas destacan también los de

naturaleza bioelectroquímica, como las celdas de combustible microbianas

(Zeyaullah et al., 2009, Lovley, 2003, Nicolaou et al., 2010).

2.2. Sistemas bioelectroquímicos (SBEs)

Los SBEs son dispositivos capaces de utilizar el metabolismo biológico para

facilitar la generación de energía eléctrica, combustibles o químicos finos

(Schroder, 2007, Pant et al., 2011). Estos dispositivos son una prometedora

alternativa para la producción de formas no convencionales de energía útil, a

partir del tratamiento de aguas residuales o empleando una amplia gama de

materiales orgánicos; así como para la producción de sustancias químicas. La

clasificación de los SBEs se basa en el modo de operación y en el producto

final obtenido en cada tipo de celda (ver cuadro 1).

Cuadro 1. Tipos de sistemas bioelectroquímicos.

Tipos de SBEs Descripción Referencia

bibliográfica

Celda de

combustible

microbiana (CCM)

Se basa en el uso de la actividad

microbiana para generar electricidad a

partir de diferentes sustratos orgánicos.

(Schroder,

2007)

Celda de

electrólisis

Estos sistemas requieren suministro de

electricidad para llevar a cabo

(Schroder,

2007)

21

En el contexto de esta tesis, destacan las CCMs debido a su alto potencial para

reducir la carga de contaminantes de diferente naturaleza mientras se recupera

electricidad directa en forma sostenible. Aunque las densidades de potencia

que se obtienen con ellas son aún bajas, trabajar en su optimización es un reto

científico-tecnológico de actualidad y una prometedora alternativa en la

solución de dos problemas importantes a nivel mundial: i) la escasez de

combustibles fósiles y su impacto sobre el cambio climático, (ii) y la

disponibilidad de agua limpia de fácil acceso.

2.3. Celdas de combustible microbianas (CCMs)

Las CCMs representan un método alternativo e innovador para el tratamiento

de residuos orgánicos y para la generación de electricidad en forma directa y

renovable sin la necesidad de añadir sustancias químicas costosas y tóxicas, si

microbiana (CEM) reacciones electroquímicas, en las que

el principal producto es el H2.

Celda de

desalinación

microbiana (CDM)

Es una CCM modificada con la finalidad

de reducir el contenido de sales,

principalmente del agua de mar.

(Jacobson et

al., 2011)

Snorkel

electroquímico

microbiano (SEM)

Es básicamente una CCM en corto

circuito, donde no se genera electricidad

pero es posible un tratamiento

optimizado de aguas residuales.

(Erable et al.,

2011)

Celda de

electrosíntesis

microbiana

(CESM)

Su enfoque es la producción de

metabolitos secundarios a partir de la

energía eléctrica liberada de las

reacciones REDOX.

(Rabaey et al.,

2011)

CCMs = Celdas de combustible bioelectroquímicos

22

se emplean los microorganismos adecuados en el medio de trabajo (Rabaey et

al., 2005, Watanabe, 2008). Consisten en dispositivos electroquímicos

catalizados, que permiten la conversión directa de la energía química contenida

en los enlaces de la materia orgánica a electricidad, a través del potencial

oxidativo de algunos tipos de bacterias fermentativas o enzimas (Venkata et al.,

2008). Las bacterias utilizadas mineralizan compuestos orgánicos—conversión

hasta CO2 y agua—generando principalmente como productos aprovechables:

agua limpia y energía eléctrica (Rabaey et al., 2005). Los sustratos son

materiales biodegradables así como aguas residuales y desechos orgánicos de

las descargas municipales, industriales, agrícolas, entre otros (Clauwaert,

2008).

Las celdas de combustible microbianas como una alternativa para generar

energía, exhiben ventajas operacionales y funcionales por encima de los

dispositivos que encuentran disponibles hoy en día para generar energía

eléctrica a partir de compuestos biodegradables, entre las que se pueden

mencionar: i) las elevadas eficiencias obtenidas durante la conversión de la

materia orgánica a electricidad (por encima de 90%), ii) los adecuados niveles

de desempeño que los dispositivos pueden alcanzar a temperatura ambiente, a

diferencia de los procesos bioenergéticos existentes, iii) los gases de escape

no requieren de tratamientos adicionales, iv) en algunas aplicaciones no se

requiere de aireación mecánica, v) poseen un amplio potencial de aplicación

en los lugares donde no existe infraestructura eléctrica y mediante su uso es

posible ampliar la cartera energética para satisfacer las demandas actuales de

energía (Rabaey et al., 2005).

Sin embargo, las aplicaciones actuales de las CCMs en el mundo son limitadas

a causa de su bajo nivel de densidad de potencia (Benetton et al., 2010). Por

tanto, para que puedan darse las aplicaciones prácticas a grandes escalas será

necesario mejorar un gran número de factores limitantes, en relación a

aspectos de diseño, investigación y desarrollo (Franks et al., 2010).

23

2.3.1. Fundamentos y estado del arte

La investigación y desarrollo a nivel mundial en celdas de combustible

microbianas (CCMs) ha sido estimulada en los últimos años debido a las

necesidades energéticas actuales. Diversos grupos de investigación han

centrado sus trabajos en la generación de energía eléctrica e hidrógeno a

través de las CCMs, ya que éstas a diferencia de las celdas de combustible

convencionales pueden ser menos costosas para la producción de electricidad,

ya que no se precisa del uso de metales preciosos para lograr una operación

eficiente, además que permiten condiciones de operación más sencillas,

seguras y amigables con el medio ambiente; ya que no existe una generación

neta de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Sin embargo las

aplicaciones industriales están aún limitadas por las bajas densidades de

potencia de apenas unos cuantos miles de mW/m2 (Franks et al., 2010, Du et

al., 2007).

2.3.2. Microorganismos como electrocatalizadores

En la mayoría de los estudios de CCMs se han utilizado cepas puras, entre las

que Shewanella putrefaciens, Escherichia coli, Geobacter sulfurreducens y

Rhodoferax ferrireducens son las más comunes. Las dos últimas son

importantes debido a la eficiencia coulómbica (~98%) con que transfieren

electrones al ánodo, a partir de glucosa y acetato. Sin embargo, la eficiencia

coulómbica no siempre es un parámetro que implica una alta transferencia

energética y es necesario considerar también la densidad de potencia

generada. Estudios con cultivos mixtos y consorcios microbianos han sido

también utilizados, en los que se han obtenido eficiencias coulómbicas

comparables con las de los cultivos puros (~90%). Esos sistemas han

demostrado hasta 79% de recuperación de la energía contenida en los enlaces

de las moléculas orgánicas que sirven como fuente de carbono; sin embargo, ni

los cultivos mixtos ni los consorcios han logrado la recuperación de energía

eléctrica que se ha obtenido con Geobacter sulfurreducens (Rabaey et al.,

2005). Geobacter sulfurreducens puede producir una energía libre de -53 kJ

24

por mol de acetato oxidado, asumiendo que la conversión del acetato es

completa hasta CO2 y agua (Cord et al., 1998). La desventaja de trabajar con

Geoberacter sulfurreducens es que requiere condiciones de anaerobiosis

estricta, que son difíciles de mantener. Por ello, se ha optado por utilizar

consorcios microbianos o cultivos mixtos, entre los que las biopelículas marinas

aerotolerantes se consideran eficaces (Erable et al., 2010).

2.3.3. Tipos y configuraciones

Las CCMs pueden adoptar diversas configuraciones geométricas y funcionales

como de una cámara simple o de doble cámara, sistemas en serie, en paralelo,

entre otros. Los mismos sistemas pueden operar en modo continuo, por lotes o

en semi-continuo (Davis et al., 2007, Rabaey et al., 2005, Logan et al., 2006,

Clauwaert, 2008, Watanabe, 2008).

En un sistema de una sola cámara el oxígeno presente en el medio ambiente

es usado por lo general como aceptor de electrones, así mismo como

catalizador en la reducción del oxígeno por lo general se utiliza platino. Los

electrodos catódicos se colocan en el interior de una membrana que permite la

difusión de los protones desde la cámara anódica y al mismo tiempo debe ser

permeable al oxígeno. (Du et al., 2007). En una configuración de doble cámara,

ambos compartimentos están separados por una membrana de intercambio

catiónico (ver figura 1). La cámara anódica opera bajo condiciones anaerobias,

en tanto que el oxígeno se alimenta en la cámara catódica (Logan et al., 2006,

Du et al., 2007). Los arreglos en serie o paralelo o una combinación de ambos,

se emplean para para incrementar la densidad de potencia.

25

Figura 1. Disposición general de una CCM de doble cámara, en el

compartimiento anódico las bacterias dan lugar a reacciones oxidativas,

mientras en el compartimiento catódico pueden ocurrir procesos reductivos

químicos y microbianos Figura editada de la fuente. Fuente:(Rabaey et al.,

2005).

2.3.4. Naturaleza electroquímica y funcionamiento energético

Las CCMs son sistemas electroquímicos porque necesitan de dos electrodos,

un ánodo y un cátodo para que sea posible el transporte y la recuperación de

electricidad a través de un circuito externo (Ouitrakul et al., 2007), donde la

principal fuerza motriz en la generación de potencia (Watts), es la diferencia de

potencial (Volts) entre el ánodo y el cátodo, junto con la tasa de flujo de

electrones (Amperes).

En general, el potencial ideal de CCM o la fuerza electromotriz se puede

calcular por la ecuación de Nernst. La energía adquirida se denomina energía

libre de Gibbs (∆G) y puede ser calculada mediante la siguiente ecuación: ∆G

= -nFEemf, donde n es el número de electrones intercambiados, F es la

constante de Faraday (96,485C/mol) y Eemf es el potencial de equilibrio

termodinámico de celda (también referido como ∆E en volts), que define la

diferencia de potencial entre el donador y el aceptor de electrones (Rabaey et

al., 2005, Rozendal et al., 2008). No obstante, es importante considerar que la

26

eficiencia energética depende del tipo de bacteria utilizada y de la fuente de

carbono, además de las condiciones de operación de cada sistema (Liu et al.,

2007, Rabaey et al., 2005, Du et al., 2007, Rozendal et al., 2008).

2.3.5. Factores que impactan en el desempeño de las celdas de

combustible microbianas (CCMs)

El desempeño de una CCM depende de numerosos factores, principalmente

aquellos de naturaleza biológica y electroquímica (Rabaey et al., 2005). Entre

los aspectos fundamentales que impactan el desempeño global de las CCMs

se encuentran: (A) la arquitectura del sistema, ya que minimizando las

resistencias internas y los sobrepotenciales de los electrodos se puede

obtener una mayor densidad de potencia, (B) el uso de membranas de

intercambio protónico o catiónico y los materiales utilizados como electrodos,

ya que impactan directamente en la catálisis y en los costos de producción, por

lo que el desarrollo y uso de los materiales adecuados deberá tener un punto

de equilibrio costo-eficiencia, (C) la velocidad de la transferencia de electrones

de los procesos catabólicos al electrodo anódico y la conductividad interfacial,

(D) la tasa de conversión de los sustratos determinado por las reacciones y los

procesos catalizados por los sistemas microbianos que impactan en los

rendimientos energéticos alcanzados (Xing et al., 2009), (E) los aceptores

finales de electrones tanto en la cámara anódica como catódica, (F) la

velocidad de la transferencia de electrones del ánodo al cátodo, (G) el uso de

mediadores exógenos o biopelículas microbianas para mantener elevadas

velocidades en la transferencia de masa y electrones (Zhang et al., 2010,

HaoYu et al., 2007, Rabaey et al., 2005, Watanabe, 2008, Du et al., 2007).

Como se mencionó con anterioridad, la optimización de los consorcios

microbianos junto con un adecuado aceptor final de electrones en contacto con

las bacterias juegan un papel importante para mejorar las densidades de

potencia en una celda de combustible microbiana (Du et al., 2007). Muchos

autores coinciden en que uno de los principales factores limitantes es la

dificultad que existe en la transferencia de electrones en forma extracelular,

27

entre las células bacterianas y el electrodo (HaoYu et al., 2007, Rabaey et al.,

2005, Rozendal et al., 2008). Entonces resulta claro que la densidad de

potencia y la eficiencia global se ven significativamente afectadas por factores

de diferente naturaleza como la selección de los ánodos (Watanabe, 2008).

Por lo tanto, el uso de materiales con un alto rendimiento para la transferencia

de electrones es esencial, además es deseable que al mismo tiempo posean

una alta capacidad para el almacenamiento de energía, ya que especialmente

el tipo de material y estructura pueden afectar directamente el acoplamiento de

la biopelícula bacteriana, la transferencia de electrones, la oxidación del

sustrato y la recuperación de la energía disponible (Marinus et al., 2009,

Dumas, Claire et al., 2008).

2.3.6. Diferentes materiales como electrodos anódic os

En general se ha visto que la configuración geométrica y el material de los

electrodos anódicos impactan el metabolismo microbiano, desde la formación

de la biopelícula, hasta la oxidación directa de la fuente de carbono, así como

los mecanismos de transferencia de electrones. La superficie disponible del

ánodo y la distribución de los electrodos, son factores que junto con la

selección y diseño de materiales, afectan la resistencia de la celda y la

densidad de potencia que se genera. Además, una adecuada selección de los

electrodos en un sistema dado, puede disminuir los efectos de polarización e

impactar en el desempeño global (Marinus et al., 2009, Dumas, Claire et al.,

2008, Du et al., 2007).

Usualmente los diferentes tipos de materiales generan diferentes pérdidas y

una de las más significativas para el desempeño global son las pérdidas

debidas a la polarización por activación. Los electrodos que hasta ahora se han

utilizado son de platino (Pt), Pt-negro, grafito y tela de carbón toray, acero

inoxidable, principalmente. Los materiales con platino presentan una mayor

actividad catalítica y permiten obtener mayor densidad de corriente, pero sus

costos son muy elevados (Logan et al., 2006, Du et al., 2007). Diferentes

28

grupos de investigación han utilizado la modificación de electrodos como

estrategia para mejorar el costo y desempeño de las celdas de combustible

microbianas (Watanabe, 2008).

Hasta la fecha, los materiales fabricados a base de carbono, como la tela de

carbón, papel carbón, grafito, entre otros, se han empleado como electrodos en

la mayoría de las CCMs debido a su buena estabilidad en el inoculo

microbiano, a su alta conductividad eléctrica, a su baja toxicidad en el medio

ambiente y a su facilidad relativa de síntesis (Borole et al., 2009). No obstante,

éstos materiales poseen poca actividad electrocatalítica durante las reacciones

microbianas sobre el electrodo, por lo que la modificación de los materiales a

base de carbono ha sido una de las principales estrategias para mejorar el

rendimiento de las celdas de combustible microbianas. Algunos materiales

compositos de grafito que han sido utilizados incluyen metales y sus óxidos

(por ejemplo: Fe3+, Mn4+ Ni2+, Fe3O4, Fe3O4/Ni2+), polímeros conductores como

la polianilina sobre Pt, principalmente en los electrodos anódicos, cuya finalidad

ha sido facilitar la conducción de los electrones disponibles en el medio (Yuan

et al., 2011). El uso de mediadores electrónicos exógenos modificados (como

el colorante rojo neutro) también han sido utilizado en las modificaciones de

electrodos anódicos y se ha observado que la corriente eléctrica generada

aumenta cuando se incorporan los mediadores en los electrodos anódicos,

pero son muy tóxicos, a diferencia de los electrodos anódicos que se han

modificado con películas delgadas de polímeros conductores (Watanabe, 2008)

como la polianilina y el polipirrol, que debido a sus características funcionales,

resultan ideales para estás aplicaciones (Maser et al., 2008).

Los electrodos compositos con polianilina (PAni) exhiben una importante

disminución en la resistencia a la transferencia de carga (Rct), lo que se podría

traducirse en prometedores incrementos de las densidades de potencia y al

mismo tiempo en la factibilidad de fabricar ánodos económicos que permitan

escalar las celdas de combustible microbianas para aplicaciones prácticas. Sin

embargo resulta indispensable evaluar otros materiales de bajo costo, que

sean capaces de conducir importantes incrementos en el área superficial, para

29

facilitar la adhesión de las biopelículas microbianas que generan la electricidad

(Benetton et al., 2010).

Aunque el funcionamiento de una CCM depende de un sistema complejo de

parámetros, se ha establecido que las rutas y los mecanismos electroquímicos

durante la conversión energética determinan la densidad de potencia y la

energía de salida, siendo el mecanismo que regula la transferencia de

electrones desde las células microbianas al electrodo el factor clave, que

además de vincular los procesos microbiológicos con los electroquímicos,

define el límite teórico de la conversión energética en un sistema dado

(Schroder, 2007). Todo lo anterior nos señala la importancia del uso de un

adecuado electrodo para mejorar significativamente la transferencia de

electrones y se traduzca en rendimientos elevados de densidad de potencia,

durante la operación de una celda de combustible microbiana.

Algunos puntos a destacar durante este proceso son: (i) el material del

electrodo no debe ser toxico para los microorganismos, (ii) el material debe

poseer un elevado potencial en aplicaciones de larga duración, es decir,

exhibir estabilidad frente a los factores físicos y químicos en el medio de

trabajo, iii) su impedancia debe ser baja para prevenir el efecto de carga

cuando se conecta a un circuito externo y debe reducir las pérdidas de potencia

en el electrodo mismo, es decir, su conductividad debe ser alta, (iv) la

impedancia interfacial en la interfaz electrodo-solución también debe ser baja,

para incrementar la transferencia de electrones, lo que implica que el electrodo

no debe actuar como electrodo polarizado, y por último (v) desde un punto de

vista comercial deben ser económicos (Ouitrakul et al., 2007, Watanabe, 2008).

2.4. Métodos de análisis electroquímico

El desempeño de los electrodos esta influenciado por diversos factores, lo cual

se observa en los diferentes valores medidos de los siguientes parámetros: i) la

diferencia de potencial (∆V), ii) la densidad de corriente (A/m2) y iii) la densidad

de potencia (W/m2), expresados en relación al área superficial de los

30

electrodos empleados. El análisis de impedancia es frecuentemente utilizado

para describir las características de electrodos en sistemas electroquímicos

clásicos y su uso se ha extendido al estudio de las CCM (Loveday et al., 2004),

sin embargo, apenas cerca de 1% de las mas de 13,000 publicaciones en

CCMs hacen mención a su uso y análisis (Comunicación personal de la Dra.

Xochitl Domínguez Benetton). Otra herramienta de gran utilidad son las curvas

de polarización cíclicas que permiten obtener medidas del potencial y la

intensidad de las contribuciones, picos anódicos y catódicos. Aunque su uso ha

sido más extendido en el contexto de las CCMs, la obtención de dichas curvas

implica comprometer la estabilidad del sistema. Mediante los datos obtenidos

de los análisis electroquímicos, es posible explicar –hasta cierto grado– los

fenómenos que gobiernan el sistema estudiado.

2.4.1. Análisis de impedancia electroquímica

La espectroscopía de impedancia electroquímica es un método transigente que

se basa en la medición de una función de transferencia. La impedancia

(corriente alterna) se considera análoga a una resistencia (corriente directa) al

paso de la corriente eléctrica. En los sistemas electroquímicos, las impedancias

son dependientes de la frecuencia (Hz) de la señal aplicada. La frecuencia de

un sistema de corriente alterna se expresa en unidades denominadas Hertz

(Hz) o número de ciclos por segundo (s-1). Las magnitudes de la impedancia

son el resultado de la función de transferencia definida por una señal de

entrada y su respectiva señal de salida. En modo potenciostático, la señal de

entrada corresponde a un pequeño voltaje y la señal de salida es la medida del

desplazamiento del ángulo de fase y la amplitud de la corriente o tensión, para

cada frecuencia. El desarrollo matemático de esta técnica, permite describir la

impedancia de un sistema a través de números complejos, definidos por un

componente real y uno imaginario, asociados a la raíz cuadrada de -1. Sin

embargo, un espectro de impedancia considera diferentes parámetros como el

ángulo de fase, entre otros, a diferentes frecuencias. Los diagramas más

representativos son los diagramas complejos o de Nyquist y los diagramas de

31

Bode, tanto de fase, como los de magnitud de la impedancia e impedancia

imaginaria, contra las respectivas frecuencias en una escala logarítmica.

Figura 2. Diagrama complejo o de Nyquist.

Los diagramas de Nyquist (ver figura 2) permiten identificar directamente

algunas magnitudes de parámetros físicos asociados al sistema de estudio. Por

ejemplo, la resistencia óhmica (electrolito) se encuentra relacionada con la

intersección de la curva con el eje real del plano complejo en la zona de altas

frecuencias. La resistencia a la transferencia de carga, que no siempre puede

determinarse directamente, se relaciona con la doble capa eléctrica en la

interfase electrodo-electrolito, a bajas frecuencias. Los diagramas de Bode

muestran inflexiones correspondientes a frecuencias características del

sistema, que indican posibles fenómenos físicos predominantes y hacen

posible la determinación de parámetros que definen el efecto de pseudo-

capacitancias.

2.4.1.1. Circuitos eléctricos equivalentes

Los circuitos equivalentes son modelos representativos de las reacciones de

mayor influencia, al analizar la respuesta electroquímica obtenida en un

sistema. Estos modelos se diseñan mediante elementos análogos empleados

en los circuitos eléctricos, éstos incluyen elementos pasivos como resistores,

32

inductores, capacitores, así como elementos de difusión asociados a

fenómenos más complejos, entre otros (Domínguez-Benetton, 2007).

Este análisis permite determinar si un mecanismo propuesto o descripción del

sistema son válidos para representar los fenómenos que gobiernan las

reacciones en un sistema dado, simulando el comportamiento de las especies

electroactivas en el seno de la solución, en la interfase de la solución-electrodo

y en el electrodo de trabajo (Loveday et al., 2004). Aunque hay otras formas

más adecuadas de modelar la respuesta de impedancia de un sistema

electroquímico, como el desarrollo de modelos determinísticos o estocásticos,

se consideran fuera del alcance de la presente tesis por la complejidad que

implican.

2.4.2. Voltametría cíclica

Es una técnica que permite evaluar, asociar y establecer un mecanismo

electroquímico y al mismo tiempo caracterizar superficies in situ, lo que la

convierte en una técnica recurrente para caracterizar materiales. Los datos

registrados corresponden a un espectro electroquímico de superficie, que se

obtiene cuando se fija el potencial en un valor constante o se establece en

régimen dinámico, el barrido de potencial establecido ocasiona cambios de

energía en la superficie del electrodo de trabajo, medibles como corriente en

función del tiempo o del potencial mismo (ver figura 3). Las mediciones de

estos cambios producen picos ( i�� , i�� ) que se interpretan ya sea como

reacciones de óxido-reducción o de adsorción-desorción.

La información que esta técnica puede proporcionar cuando se trabaja con

curvas (corriente (i) contra potencial (E)) de sistemas reversibles, se basa en el

análisis de tres características de los esquemas trazados: i) la altura de la

curva, donde la aparición de una meseta indica que el sistema esta gobernado

por mecanismos relacionados con la transferencia de masa y es de utilidad

para determinar cualquier parámetro en sistemas no complejos, como la

concentración de las especies electroquímicamente activas en la superficie del

33

electrodo, ii) la forma de la curva, que resulta útil para obtener propiedades

termodinámicas debido a la dependencia que existe entre la energía libre y la

extensión de la reacción en el equilibrio termodinámico bajo las condiciones de

trabajo dadas, entre éstas propiedades podemos mencionar el potencial

estándar, la magnitud de la energía libre de la reacción y las contantes de

equilibrio, y iii) la posición de la curva, cuyo análisis es esencial cuando se

precisa verificar la existencia de reversibilidad en un sistema dado. El

parámetro cuantitativo a evaluar es el valor del potencial de semireacción (E1/2)

definido por la ecuación de Nernst. También existen algunas características

cualitativas que están asociadas a la reversibilidad y a fenómenos difusivos.

Por ejemplo, cuando existen cambios en la magnitud del pico de corriente

máximo es posible asociar fenómenos de concentración en la superficie del

electrodo, indicando la presencia de fenómenos difusivos, donde el espesor de

la capa de difusión será proporcional al potencial de la velocidad de barrido

utilizada, siendo el espesor de la capa de difusión mas grande a bajos

potenciales de barrido que en los de mayor velocidad, cabe hacer notar que las

corrientes máximas de cada curva suceden en un mismo valor de potencial,

considerada una característica específica de las reacciones de electrodo en el

sistema dado. Otra situación es el desplazamiento de las curvas en dirección al

eje de las magnitudes de voltaje, ocasionando que los valores máximos de

corriente registrados disminuyan a una tasa constante, este comportamiento

permite asumir que no se alcanzan condiciones de equilibrio bajo las

condiciones de estudio. Este fenómeno ocurre porque la corriente necesita un

intervalo mayor de tiempo para responder, que en los casos reversibles (Bard

et al., 2001, Zhao et al., 2009).

En los sistemas electroquímicos reversibles (ver figura 3a) los voltagramas

exhiben características bien definidas y algunas de ellas pueden explicarse

mediante ecuaciones matemáticas que identifican a dicho sistema como si

fuera una “huella digital” (ver cuadro 2). El análisis de los voltagramas puede

proporcionar información útil que permiten explicar los fenómenos limitantes en

los sistemas de estudio y en general, el estudio de la posición de los picos en

función de la velocidad de barrido, proporciona una aproximación de los valores

34

de las constantes de la velocidad durante la transferencia de electrones (Bard

et al., 2001).

Figura 3. Esquemas típicos de un voltagrama cíclico para diferentes sistemas,

(a) corresponde a una sola reacción reversible, (b) la transferencia de

electrones en el sistema reversible esta influenciado por fenómenos difusivos y

(c) corresponde a una reacción cuasi-reversible. Figura tomada y modificada de

la fuente. Fuente:Cartage.org.lb.

Cuadro 2. Características definidas para reacciones reversibles en los

voltagramas cíclicos.

Característica Ecuación

I) El intervalo del voltaje entre los picos de corriente. ∆E E�� E�

�

59

nmV

II) La posición de los picos de voltaje no es una función

35

2.5. Estrategias espectrofotométricas

2.5.1. Difracción de rayos-X (DRX)

Es una herramienta que permite la identificación “inequívoca” de pigmentos

inorgánicos en forma cristalina en muestras muy pequeñas. Con esta técnica

se busca la identificación de la estructura cristalina de los materiales y de la

concentración de un elementos de interés en las muestras. Los rayos-X son

difractados (dispersados) o reflectados de una manera determinada según la

estructura cristalina del material. Los ángulos y la intensidad de las difracciones

y reflexiones se interpretan por comparación con una base de datos de

referencia. La cristalinidad e identificación de las fases pertenecientes a los

sólidos sintetizados se observan con la ayuda de un difractómetro de rayos

(Connolly, 2007).

2.5.2. Espectroscopía de infrarrojo

La espectrometría de infrarrojos, es un tipo de espectrometría de absorción que

emplea la región infrarroja del espectro magnético. Los espectros se obtienen

haciendo incidir un haz de luz infrarroja el cual es dividido en dos rayos, uno

atraviesa la muestra y la otra pasa por una referencia que suele ser la

sustancia en que esta contenida la muestra. Las señales son comparadas y se

registran los datos. La naturaleza de la técnica permite identificar las sustancias

presentes así como la composición de las mismas. Esta técnica resulta de

de la velocidad de barrido.

III) La relación entre los picos de corriente es igual a la

unidad.

i��

i�� 1

IV) Los picos de corriente son proporcionales a la raíz

cuadrada de la velocidad de barrido.

i�� , i�

� ∝ √V

36

interés en el análisis de los moldes nanoestructurados de sílice utilizados en la

síntesis de nanofibras de carbono (ESPECTROMETRIA, 2007).

2.6. Estrategias microbiológicas

2.6.1. Método espectrométrico de McFarland

El cálculo del número de células que existen en un medio de cultivo de trabajo

se puede llevar cabo mediante el recuento de masa celular (microscopía,

número de colonias, peso seco, medida del nitrógeno celular, turbidimetría,

entre otros) o por actividad celular (debido al nivel de actividad bioquímico de

las células en relación al tamaño de la población). No obstante los métodos de

dispersión de luz, como la turbidimetría, son las técnicas más utilizadas para

monitorear el crecimiento de cultivos bacterianos. Uno de los métodos

turbidimétricos más utilizados para la estimación del número de

microorganismos totales o el número de microorganismos viables en la

suspensión bacteriana es el método de McFarland, se realiza comparando una

muestra de trabajo contra un estándar. Este método es de especial utilidad

cuando se requiere minimizar la toma de muestras y, por tanto, la perdida de

volumen en el sistema, o bien cuando se emplean microorganismos anaerobios

cuyo recuento por otros métodos se dificulta o se hace exhaustivo.

El primer paso consiste en preparar las soluciones patrón y seguidamente se

debe construir una curva estándar. Los patrones se preparan mezclando una

solución de ácido sulfúrico (H2SO4) a 1% con una solución de cloruro de bario

(BaCl2.2H2O) a 1.175%. El blanco utilizado para la curva estándar por lo

general es agua destilada (Torres-Bautista, 2010).

2.6.2. Demanda Química de Oxígeno (DQO)

El método de la Demanda Química de Oxígeno (DQO) se emplea para

monitorear la cantidad de sustrato orgánico contenido en el medio de trabajo

que se consume en los sistemas biocatalizados y es factible de asociar a la

generación de densidad de potencia (Franks et al., 2010), de acuerdo al

37

método descrito por la norma mexicana(NMX-AA-030-SCFI-2001, 2001) (ver la

sección 8 de los anexos).

38

Capítulo 1

Objetivos

39

3. Objetivos

3.1. Objetivo general

• Evaluar el desempeño electroquímico de nuevos materiales anódicos en

celdas de combustible microbianas, capaces de generar una densidad de

corriente superior a 3.6 A/m2.

3.2. Objetivos particulares

• Fabricar materiales anódicos de grafito, acero inoxidable, nanofibras de

carbono y sus análogos modificados con el polímero conductor polianilina.

• Analizar el desempeño electroquímico de materiales anódicos con

polianilina.

• Analizar el desempeño electroquímico de materiales anódicos

incorporando nanofibras de carbono.

• Analizar las características morfológicas de los diversos materiales

anódicos con y sin polianilina.

• Determinar el electrodo con mejores características funcionales de

acuerdo a la densidad de potencia generada en las CCMs.

40

Capítulo 2

Materiales y Métodos

41

4. Materiales y métodos

La investigación se realizó en el Laboratorio de Biotecnología de la Facultad de

Ingeniería Química de la Universidad Autónoma de Yucatán. Parte de la

investigación se realizó en el Laboratorio de Catálisis del Instituto Mexicano del

Petróleo.

4.1. Estrategia general de trabajo

Las mediciones experimentales se dividieron en dos lotes, uno utilizando

sistemas bióticos y el otro compuesto de sistemas abióticos. En ambos lotes se

probaron materiales con y sin modificaciones como electrodos. Las

modificaciones consistieron en aplicar un recubrimiento de un polímero

conductor. Estas diferencias tuvieron por objeto mostrar las ventajas

funcionales que confiere el uso de polímeros conductores en la densidad de

potencia generada, en un sistema bioelectroquímico, frente a los análogos sin

modificar y por otro lado evaluar el efecto sinérgico que se logra ante la

presencia de biocatalizadores.

Cuadro 3. Matriz experimental

G: barras de grafito sólido

FA: nanofibras de carbono

BA: barras de acero inoxidable 316L

Básicamente se fabricaron seis tipos de electrodos de: grafito sólido con y sin

polianilina (G), grafito modificado con nanofibras de carbono con y sin

polianilina (FA) y un par a base de acero inoxidable con y sin polianilina (BA).

Sistemas abióticos Sistemas bióticos

G G G G

FA FA FA FA

BA BA BA BA

42

Todos los sistemas fueron evaluados con las mismas técnicas para medir su

desempeño en relación a la densidad de potencia de salida en una CCM.

4.2. Recolección y tratamiento de las muestras micr obianas

Para evaluar la utilidad de los materiales fabricados, se desarrollaron

biopelículas microbianas aerotolerantes sobre las superficies de los electrodos.

Las muestras para formarlas, se tomaron de biopelículas naturales del medio

marino, en el embarcadero del puerto de Telchac, Yucatán, México. Las

muestras se almacenaron en botes de vidrio de 100 ml, limpios y estériles

usando una espátula para raspar e introducir aproximadamente 50 ml de

biomasa y 50 ml de agua de mar. Las muestras fueron almacenadas en frío

(aproximadamente 4°C) hasta llegar al laboratorio p ara su tratamiento.

Posteriormente, las muestras fueron almacenadas en matraces Erlenmeyer de

250 ml que contenían 100 ml de agua de mar estéril enriquecida con acetato

hasta una concentración de 10 mM, durante un periodo de tres días a

temperatura ambiente (aproximadamente 26°C), las pr imeras 24 horas se

mantuvieron condiciones de agitación (125 rpm). El agua de mar utilizado en

los experimentos fue tomado del mismo lugar que las muestras.

4.3. Medio de cultivo para las biopelículas marinas

Se utilizó como medio de cultivo agua de mar estéril (autoclaveada a 121°C, 15

lb/in2, 15 min.), enriquecida con acetato de sodio hasta una concentración final

de 10 mM, a un pH de 8.08±0.08.

4.4. Inoculos

Las celdas se inocularon a 10% v/v con las muestras previamente tratadas y

cultivadas (ver sección 4.2), tomando cuidadosamente el volumen adecuado

con una probeta volumétrica bajo condiciones estériles.

43

4.5. Determinación de la cantidad de biomasa

Una estimación del número de células que existen en el medio de cultivo se

obtuvo mediante el recuento de masa celular turbidimétrico. La estimación del

número de microorganismos totales o el número de microorganismos viables

en la suspensión bacteriana se realizó comparando la muestra contra un

estándar de McFarland. El primer paso consistió en preparar las soluciones

patrón y seguidamente se construyó la curva estándar (ver cuadro 4). Los

patrones se prepararon mezclando una solución de ácido sulfúrico (H2SO4) a

1% con una solución de cloruro de bario (BaCl2.2H2O) a 1.175%. El blanco

utilizado para la curva estándar fue agua destilada y se realizaron correcciones

para el medio de trabajo.

Cuadro 4. Soluciones para la curva estándar de McFarland

Número

de McFarland

BaCl2

a 1.175%

H2SO4

a 1%

UFC/ml

(1x 108)

0.50 0.050 9.950 1.5 0.75 0.075 9.925 2.25

1 0.1 9.9 3

2 0.2 9.8 6

3 0.3 9.7 9

4 0.4 9.6 12

6 0.6 9.4 18

7 0.7 9.3 21

8 0.8 9.2 24

10 1 9.0 30

Para determinar las absorbancias de los diferentes números de McFarland, se

utilizó un espectrofotómetro a una longitud de onda de 600nm, los valores se

tabularon y se construyó una gráfica de las absorbancias contra los números

de McFarland (ver figura 4), una vez establecidas las relaciones entre los

patrones, los números de McFarland y las absorbancias, se relacionaron con

las absorbancias de los cultivos celulares estudiados y se calcularon las

concentraciones microbianas de cada sistema de trabajo realizando una

44

interpolación de las lecturas espectrofotométricas en la curva de calibración

(Torres-Bautista, 2010).

Figura 4. Curva de calibración experimental para la aplicación del método de

McFarland.

Finalmente se realizaron las interpolaciones correspondientes, y se calculó el

parámetro UFC/ml asociado a la densidad microbiana.

4.6. Determinación de la demanda química de oxígeno (DQO)

Este método consistió en el tratamiento de las muestras de los sistemas

estudiados, para lograr la oxidación de la materia orgánica presente, utilizando

un oxidante fuerte, el dicromato de potasio en medio ácido (H2SO4). La

valoración cuantitativa se llevó a cabo mediante un método colorimétrico,

realizando mediciones de absorbancia en el espectro de luz visible, a 600 nm.

Se optó por realizar las lecturas a altas concentraciones debido a un barrido

previo para determinar el rango de DQO de las muestras. Previamente se

prepararon soluciones patrón de acuerdo a la norma NMX-AA-030-SCFI-2001 y

se realizó una curva de calibración para la interpolación de las lecturas de las

45

muestras. Así mismo, durante el tratamiento de las muestras se realizaron

correcciones para el medio de trabajo determinado.

4.6.1. Tratamiento, limpieza y preparación de los t ubos de digestión

Los viales digestores fueron de boro-silicato con recubrimiento de teflón (marca

HACH), con tapas resistentes a la temperatura. Todos los tubos fueron lavados

con una solución de H2SO4 al 20%, se enjuagaron con agua destilada, y se

verificó que estuvieren completamente secos antes de agregar las soluciones

patrón. Una vez limpios y secos, a cada tubo se agregaron 3.5 ml de solución

catalítica, 1.5 ml de solución digestora A (ver anexo 8.1.2), y se guardaron de la

luz (NMX-AA-030-SCFI-2001, 2001).

4.6.2. Preparación de la curva de calibración

La curva se construyó utilizando 5 diluciones de la solución patrón primario de

biftalato de potasio, con equivalentes de DQO en un rango de 100-900 mg O2/l,

para altas concentraciones (ver anexos). Los tubos se lavaron con una solución

de ácido sulfúrico al 20% y se secaron cuidadosamente. Después se agregó a

cada tubo 3.5 ml de solución catalítica, 1.5 ml de solución digestora A (ver

anexo 8.1.2) y 2.5 ml de biftalato de potasio, seguidamente se realizó la

digestión de las diluciones en un reactor de digestión HACH, durante 2 horas.

Los viales se enfriaron a temperatura ambiente y posterior se construyó la

curva de equivalentes de DQO contra las absorbancias. La curva se realizó por

triplicado, obteniéndose una correlación de 0.99 (ver figura 5).

46

Figura 5. Curva de calibración experimental para la cuantificación de la

demanda química de oxígeno (DQO).

4.6.3. Tratamiento, preservación y almacenamiento d e las muestras

Las muestras se trataron para su análisis inmediatamente después de

haberlas tomado, agregando 2.5 ml de una disolución de la misma a un tubo de

reacción previamente preparado (sección 4.6.1), se homogenizó cada vial

digestor con la muestra haciendo inversiones con mucha precaución en

repetidas ocasiones, destapando el tubo después de cada inversión para evitar

sobrepresiones. Seguidamente fueron llevados a digestión en una placa de

calentamiento con horadaciones para los tubos (previamente precalentada) a

una temperatura de 150°C durante dos horas. En oca siones las muestras no

digeridas o tratadas de inmediato se mantenían en refrigeración a 4°C,

agregándoles H2SO4.

4.7. Preparación de los electrodos

Los electrodos fabricados fueron los siguientes materiales: 1) barras de acero

inoxidable 316 recubiertas con PAni y sin PAni, 2) barras de grafito modificadas

47

con nanofibras de carbono recubiertas con PAni y sin PAni, 3) grafito y grafito

recubierto con PAni.

4.7.1. Preparación de la solución polimérica de pol ianilina (PAni)

La obtención de la solución polimérica de los recubrimientos de polianilina

(PAni), en la fase conductora emeraldina, se realizó utilizando la siguiente

metodología que garantiza la formación de la fase de interés. Primero se

disolvieron las gotas de 0.4 ml de monómeros de anilina (99.7%, J.T. Baker) en

30ml de una solución de ácido clorhídrico (HCl, 0.2 M) a temperatura de

laboratorio. Para iniciar la polimerización se agregó a la disolución anterior, 60

ml de persulfato de potasio (K2S2O8, 0.1 M) y se esperaba un tiempo

aproximado de 3 minutos antes que inciara la aparición de las trazas de

polianilina, lo cual se apreciaba mediante el cambio de coloración de la

solución.

4.7.2. Preparación de los electrodos compositos con polianilina

Los recubrimientos de polianilina (PAni) sobre los distintos materiales de

soporte se realizaron por inmersión de los electrodos durante un periodo de 1

hora en la solución polimérica previamente descrita. Los electrodos fueron

introducidos en una solución acuosa de HCl (2 M), inmediamente transcurrido

el tiempo de deposición. Finalmente, se lavaron con agua destilada y se

colocaron en una mufla a 70°C para eliminar la hume dad y se mantuvieron en

un desecador hasta su uso. Se obtuvieron películas verdosas sobre los

materiales.

4.7.3. Preparación de los electrodos compositos gra fito/nanofibras de

carbono (CNTs)/polianilina (PAni)

Los electrodos compositos de CNTs/PAni se prepararon en tres pasos: i)

primero se preparó una matriz polimérica para dispersar las nanofibras de

carbono de polimetilmetracrilato en tetrahidrofurano al 6% p/v. El

48

polimetilmetacrilato (PMMA, 100%) se disolvió en tetrahidrofurano (THF, 99%,

Sigma Aldrich), durante aproximadamente 48 horas, hasta disolución completa.

Posteriormente, en la solución homogénea de polimetilmetacrilato-

tetrahidrofurano (PMMA/THF, 6% p/v) se dispersaron nanofibras de carbono

(CNTs) al 1% en peso y la solución obtenida se agitó en un vortex hasta

obtener una solución coloidal homogénea, del proceso anterior se obtuvo una

solución de PMMA/THF/nanofibras de carbono, ii) seguidamente los electrodos

se recubrieron por inmersión en la solución PMMA/THF/nanofibras de carbono

aproximadamente durante un minuto, cuidando que no se formaran burbujas, y

se llevaron a una estufa a 65°C durante 24 horas an tes de la inmersión en la

solución polimérica de polianilina para eliminar el solvente de los materiales, iii)

finalmente se recubrieron con películas de polianilina (ver sección 4.7.1) y se

guardaron en un desecador hasta su uso. Esta metodología se basó en lo

reportado en la literatura y a la disponibilidad de materia prima económica en el

laboratorio de trabajo (Xie et al., 2005).

4.8. Preparación de la celda electroquímica para ev aluar el desempeño

de los electrodos y el efecto de biopelículas mari nas

Las mediciones experimentales se llevaron a cabo en un reactor electroquímico

de 650 ml utilizando un arreglo de tres electrodos (figura 6). Los reactores

fueron previamente lavados, sellados y esterilizados antes de cada medición.

Los sistemas se llenaron 530 ml de medio estéril y fueron inoculados al 10%

v/v con muestras tratadas provenientes de biopelículas marinas. El electrodo

de trabajo fue un electrodo composito, como electrodo de referencia se utilizó

un electrodo de plata-cloruro de plata (Ag/AgCl) y el contraelectrodo consistió

en un electrodo de punta de platino (Pt-95%/Au-5%). Previo a cada medición

los electrodos se limpiaron cuidadosamente (Faimali et al., 2010, Xu et al.,

2010, Dumas et al., 2007).

49

Figura 6. Reactor utilizado en las mediciones electroquímicas utilizando

biopelículas marinas, para la evaluación de la producción de densidad de

potencia.

4.9. Caracterización electroquímica

La caracterización electroquímica, se llevó a cabo mediante el uso de la

interfaz Voltalab 80 (ver figura 7). Las mediciones electroquímicas se realizaron

en diferentes tiempos de operación del sistema: 9, 24, 48, y 72 horas tanto para

los sistemas bióticos como abióticos. El empleo de diferentes métodos

electroquímicos permitió obtener diferentes espectros útiles en el análisis del

desempeño de los ánodos ya que permiten elucidar los fenómenos limitantes

en la interfase electrodo- solución. Los métodos empleados fueron: i) potencial

a circuito abierto, ii) cronoamperometría, iii) espectroscopía de impedancia

electroquímica y iv) voltametría cíclica. Es importante tener en cuenta que los

métodos electroquímicos fueron empleados de acuerdo a los fenómenos

establecidos como relevantes y de interés para este estudio.

50

Figura 7. Interfaz del potenciostato Voltalab 80 a través del cual es posible

seleccionar los diferentes métodos de espectroscopía de impedancia

electroquímica.

Previo a cada análisis electroquímico, se observó la estabilización del potencial

a circuito abierto (OCP), durante un periodo de 60 minutos, las lecturas se

realizaron de 1 punto por segundo, las cuales estuvieron espaciadas de

acuerdo con el comportamiento de la cinética microbiana particular del sistema

y se trabajó de acuerdo al potencial de circuito abierto para promover la

formación de biopelículas. Todas las mediciones electroquímicas se llevaron a

cabo a temperatura de laboratorio.

4.9.1. Análisis por espectroscopía de impedancia e lectroquímica (EIE)

Las mediciones de espectroscopía de impedancia electroquímica se realizaron

aplicando un potencial alterno de baja amplitud (10 mV) en un intervalo de

frecuencias de 100 kHz - 10 mHz, tomando logaritmos cada 5 puntos por

década (Domínguez-Benetton, 2007). Antes de grabar los puntos de las

lecturas, el software realizó cinco repeticiones para el mismo valor e integró los

últimos. El análisis cualitativo y cuantitativo tanto de los diagramas complejos

como de los diagramas del módulo de la impedancia permiten tener una idea

51

de los mecanismos y fenómenos limitantes asociados a un determinado

sistema mediante los valores de parámetros significativos. Por ejemplo, en el

caso de la presencia de respuestas descritas por un semicírculo perfecto la

impedancia puede relacionarse con un proceso simple controlado por

activación y el valor de la resistencia de la solución puede aproximarse al del

intercepto de la curva compleja con el eje real. Sin embargo, cuando este

diagrama no corresponde a un semicírculo perfecto el sistema requerirá de un

modelo más detallado para explicar el comportamiento. Las representaciones

del módulo de impedancia resultan de mucha utilidad en esos casos para

aproximar el valor de la resistencia del electrolito, el cual se asocia al del

módulo de la impedancia, a medida que las frecuencias tienden al infinito

(Orazem et al., 2006). El comportamiento capacitivo y su valor se asociaron

trazando y analizando los diagramas de Bode.

4.9.2. Análisis mediante voltametría cíclica (CV)

Las curvas de voltametría cíclica se llevaron a cabo imponiendo un potencial

eléctrico variable entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia,

generando el paso de una corriente entre el electrodo de trabajo y el contra-

electrodo. Antes de activar el registro del barrido cíclico se realizaron

mediciones de estabilización de potencial a circuito abierto. Las condiciones de

barrido fueron un rango de potencial de -700 mV a 300 mV, con una rampa

de barrido de 20 mV/s recorriendo 3 ciclos.

Estas mediciones permitieron evaluar si los mecanismos de las reacciones de

oxidación–reducción tienen lugar en la interfaz entre los electrodos e involucran

transferencia directa o indirecta de electrones. Para monitorear el efecto de los

electrodos fabricados con y sin polianilina, se empleó un sistema abiótico, es

decir, sin inóculo microbiano, además de un sistema biótico para observar el

efecto de las bacterias como biocatalizadores, en la producción de densidad de

potencia (Zhao et al., 2009).

52

4.9.3. Análisis de la impedancia electroquímica med iante circuitos

equivalentes

Los ajustes de los espectros de impedancia electroquímica, se realizaron

mediante circuitos equivalentes, usando el programa EC-Lab. Los espectros

registrados resultaron de utilidad para el cálculo de parámetros significativos en

cada sistema electroquímico, como son los valores de capacitancia, resistencia

del electrolito, así como para establecer los fenómenos que gobiernan el

comportamiento de cada sistema y al mismo tiempo verificar si existen

diferencias significativas entre los sistemas estudiados. El circuito equivalente

con mejor rango de ajuste, se seleccionó mediante un análisis de sensibilidad y

de los valores de los parámetros estadísticos en un rango de 1E-3 (ver figura

8). Cabe mencionar que fue de suma importancia un análisis gráfico previo de

los diagramas complejos y de los diagramas de Bode con el objeto de obtener

adecuados valores iniciales para los ajustes de los parámetros que describen

a los modelos propuestos, para cada sistema estudiado. Fijando los

parámetros obtenidos con el método grafico, los parámetros restantes se

obtuvieron inicialmente mediante aleatorización (10000 iteraciones), seguida

del método simplex (10000 iteraciones).

Resultados preliminares obtenidos de los modelos teóricos propuestos,

sugirieron que el recubrimiento sobre el electrodo (PAni) daba como respuesta

un comportamiento que podría deberse a la degradación de la película con el

tiempo y a la presencia de películas bacterianas en los electrodos. Ello condujo

a realizar consideraciones importantes en el desarrollo del modelo

representado por un circuito eléctrico equivalente (CEE). El modelo considera

la existencia de una resistencia inherente al medio líquido de inmersión

(Rohm), una doble capa capacitiva en la interfase del electrodo de trabajo-

electrolito (CPE1) y un efecto debido a la resistencia iónica de transferencia de

carga o a la polarización (Rpolz) así como el efecto capacitivo asociado al

recubrimiento (CPE2/Rct) (figura 8), además de la posible existencia de

fenómenos de difusión de las especies electro-activas a través del espesor del

recubrimiento hasta el soporte de grafito y cambios en el valor de la

53

capacitancia del recubrimiento debido a la absorción de ciertas especies a

través de los poros así como los efectos debido a cambios en la porosidad del

recubrimiento (Loveday et al., 2004).

Figura 8. Circuito eléctrico equivalente (CEE).

4.10. Determinación de la diferencia de potencial (mV) y de las densidad

de corriente (A/m 2) en los sistemas de estudio

La caracterización eléctrica se realizó utilizando un multímetro de alta

impedancia (marca Fluke), con la finalidad de monitorear los cambios en el

tiempo del voltaje generado en cada sistema de estudio, durante un periodo de

72 horas, así fue posible obtener las magnitudes del voltaje y de la densidad

de corriente generada en cada sistema. Las lecturas de potencial se registraron

en una computadora cada 15 minutos. Las densidades de potencia se

calcularon en mW/m2 a partir de la ecuación DP=VI/a, en donde DP se refiere

a la densidad de potencia, V al voltaje (mV), I a la corriente (mA) y “a” al área

del ánodo en metros cuadrados (Logan et al., 2006). Adicionalmente se

realizaron mediciones de impedancia electroquímica, descritas en secciones

anteriores.

4.11. Tratamiento estadístico para los resultados a nalíticos

Para determinar la variación de los parámetros medidos durante el tiempo de

ensayo de cada sistema se realizaron análisis de varianza con el estadístico de

54

prueba chi cuadrada, estos valores fueron calculados por el software de trabajo

durante cada medición electroquímica (alfa menor o igual a 5%).

4.12. Tratamiento para los resultados espectroscópi cos

4.12.1. Difracción de rayos-X (DRX)

El método empleado fue el de polvos reduciendo el tamaño de las partículas

del material mediante molienda. Las muestras y los electrodos se colocaron en

el porta-muestras exponiéndose al haz de rayos X a una velocidad de barrido

de 0.5 °/min y un incremento de 0.1. Las muestras s e analizaron en ángulos

desde 0.1 hasta 10° en la escala de 2 theta. Este m étodo se basa en la

identificación de fases cristalinas. El equipo utilizado fue un difractómetro de

rayos X modelo D800 Avance, marca BROKER AXS con una fuente de

excitación de rayos X de Cuα obtenida a 35 KV y 25 mA.

4.12.2. Espectroscopía de infrarrojo (IR)

Las muestras se empastillaron y analizaron por FTIR utilizando la técnica de

reflectancia difusa. El equipo utilizado es un espectrofotómetro Nicolet FTIR

Magna 560 con resolución de 4 cm-1, 50 barridos y baja velocidad del

modulador.

55

Capítulo 3

Resultados y Discusiones

56

5. Resultados y discusiones

5.1. Medición de la densidad de corriente

Los sistemas se evaluaron a temperatura de laboratorio, aproximadamente a

26±2°C, durante un periodo total de 72 horas. El mo do de operación de los

reactores electroquímicos fue en lote alimentado, donde cada 8 horas se

añadieron 10 ml de medio fresco, para cada caso.

Los electrodos en un sistema electroquímico afectan las propiedades de la

interfaz y juegan un papel fundamental en la transferencia de especies

electroactivas. La figura 9 muestra las curvas obtenidas de densidad de

corriente en media celda, cuyo desempeño está asociado al conjunto sinérgico

compuesto por el tipo de material utilizado como electrodo de trabajo y a la

actividad bioelectrocatalítica de las especies microbianas en el medio. Se ha

visto que los microorganismos degradan el acetato sobre electrodos de

acuerdo a la siguiente ecuación (Xu et al., 2010, Liu et al., 2010):

��

�� !�"��"#$$$$$$$$$$$$%2�� 7�( � 8*�

En el mismo diagrama (ver figura 9) es posible apreciar que a excepción del

sistema de grafito con polianilina, que exhibe un máximo en su curva desde el

inicio, la generación de densidad de corriente exhibe dos periodos de tiempo

característicos -el primero entre las 12 y 22h y el segundo entre las 40 y 48

horas- donde las magnitudes se incrementan indicando la interacción directa de

microorganismos electroquímicamente activos; especialmente, los electrodos

modificados con polianilina incrementan la densidad de potencia. Las

densidades de corriente máximas se obtuvieron al utilizar ánodos de grafito

sólido con recubrimientos de polianilina, cuyo valor fue de 3.8 A/m2. No

obstante, que la figura 9 muestra un valor de hasta 8 A/m2 para el sistema

mencionado, se prefirió tomar el valor máximo después del segundo pico de

densidad de corriente para evitar una sobreinterpretación de los resultados,

debido a que el comportamiento observado no es similar a lo convencional, lo

cual pudiera explicarse a un acoplamiento particular del sistema en las

57

condiciones de trabajo, pero se justifican las densidades elevadas alcanzadas,

en los tiempos de arranque. Las perturbaciones que se observan en el

comportamiento de las curvas son debidas a la manipulación de los electrodos

durante el muestreo, realimentación de medio fresco y a las variaciones en el

potencial debidas a las mediciones electroquímicas realizadas.

Figura 9. Diagramas de densidad de corriente biocatalítica de un cultivo

microbiano mixto proveniente de ambientes marinos, utilizando como medio de

cultivo agua de mar enriquecida con acetato (10 mM), para diversos materiales

como electrodos anódicos. Gra: grafito, c_PAni: con polianilina, s_PAni: sin

polianilina, Ace: acero inoxidable, CNTs: nanofibras de carbono.

Sin embargo, aún con el decaimiento de la corriente máxima en picos

subsiguientes, las densidades de corriente para el sistema de grafito con PAni

biótico, se mantuvieron por encima del desempeño de los demás materiales

evaluados y se consideran valores de alta densidad de corriente con respecto

al estado del arte actual donde se han reportado hasta 6.9 A/m2 utilizando

58

cepas puras y hasta 3.6 A/m2 utilizando cultivos mixtos que se desarrollan a

partir de muestras tomadas de ambientes naturales o industriales (Logan,

2009, Nevin et al., 2008). El área utilizada para los cálculos, fue de 7.461 cm2.

Los cultivos mixtos (no caracterizados) desarrollados sobre los electrodos

utilizaron como fuente de inóculo consorcios microbianos naturalmente

formados en ambientes marinos locales. Cabe resaltar que el aspecto

sobresaliente de los microorganismos utilizados, es su capacidad para realizar

la transferencia extracelular de electrones sin requerir anaerobiosis estricta, lo

cual únicamente ha sido reportado para inóculos provenientes de biopelículas

desarrolladas en ambientes marinos (Erable et al., 2009) .

En general, las curvas muestran que el uso de polianilina conduce a una

generación más sostenida de densidad de corriente, en contraste con los

electrodos no modificados. Así mismo, es preciso mencionar que la producción

de densidad de corriente en los sistemas abióticos fue despreciable en relación

a los sistemas biocatalizados. En resumen, el desempeño de los materiales

estudiados en orden descendente fue mejor para Gra_c_PAni > Ace_c_PAni >

Gra_s_PAni >CNT_c_PAni >Ace_s_PAni.

5.2. Determinación del crecimiento de los microorga nismos en el medio

El crecimiento celular fue monitoreado mediante el método espectrofotométrico

de Mc Farland. Las muestras fueron diluidas para evitar errores de lectura

cuando las absorbancias de las muestras eran superiores a 0.5. Contrastando

la escala de Mc Farland (ver figura 10) con las densidades de corriente de los

sistemas evaluados no se puede demostrar una correlación entre el número de

microorganismos planctónicos y las densidades de corriente obtenidas, lo cual

sugiere mecanismos de transferencia directa de electrones al ánodo, sin la

presencia de mediadores naturalmente producidos por las bacterias.

59

Figura 10. Curvas experimentales del crecimiento de los microorganismos

planctónicos en los sistemas bióticos evaluados.

En estudios posteriores se precisa realizar una cinética que permita estimar el

crecimiento de los microorganismos presentes en las biopelículas

electroquímicamente activas, así como establecer relaciones más confiables de

la cantidad de microorganismos con la materia orgánica degradada y la

producción de corriente.

5.3. Determinación de la concentración de la demand a química de

oxígeno en los sistemas bióticos

En las mediciones de la demanda química de oxígeno (DQO), los sistemas

exhibieron una disminución en la concentración de la materia orgánica en la

relación a la concentración inicial del medio fresco. Las eficiencias finales de

remoción para los sistemas de grafito con y sin polianilina fueron de 99.8% y

86.4% respectivamente, el sistema composito de grafito-nanofibras tuvo un

valor de 94.8% y para los sistemas de acero con y sin polianilina fueron de 99.2

60

y 96.4% respectivamente. Los resultados tienen un 98% de certeza. Este

comportamiento se puede observar en la figura 11, donde las curvas de

dispersión muestran valores más bajos para los sistemas de grafito y acero

con polianilina y aún más para el sistema de grafito con polianilina, mientras

que las concentraciones de DQO para los sistemas análogos sin polianilina se

mantienen significativamente mayores en el transcurso del tiempo, mientras el

sistema composito de grafito-nanofibras-polianilina exhibe un comportamiento

entre los valores máximos y mínimos con respecto a la remoción de sustrato

orgánico.

Figura 11. Determinación experimental de las concentraciones de DQO en los

sistemas bióticos.

Las eficiencias coulómbicas se calcularon utilizando la relación E= (Cp/CT) x

100%, donde Cp representa los coulombios totales que se obtienen integrando

la corriente en el intervalo de tiempo y CT son los coulombios teóricos que se

pueden producir del metabolismo del acetato (Ringeisen et al., 2006). El valor

más significativo se obtuvo para el sistema de grafito modificado con polianilina

61

y fue de 33%. Sin embargo, el bajo valor significa que los microorganismos

usan gran parte de la oxidación de acetato para su crecimiento y para

mantener otras rutas metabólicas (Franks et al., 2010), así, la degradación de

sustrato orgánico, puede deberse a una alta concentración de bacterias en

solución que no están relacionadas con la producción de electricidad.

5.4. Caracterización electroquímica (EIE)

Las técnicas de Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) y

Voltametría Cíclica (CV) se seleccionaron como las técnicas principales

mediante las cuales puede obtenerse información valiosa en el contexto de

caracterización de materiales (Domínguez-Benetton et al., 2012).

Las mediciones de EIS y CV se llevaron a cabo en sistemas abióticos y bióticos

durante un periodo de 72 horas. Las mediciones se realizaron a temperatura

de laboratorio, aproximadamente 26±2°C. Con la fina lidad de evaluar tanto el

efecto de las películas de polianilina (PAni) en la producción de densidad de

potencia así como el efecto de las biopelículas marinas como biocatalizadores

de las reacciones y fenómenos interfaciales, para cada sistema de estudio se

registraron 4 espectros de impedancia electroquímica y 4 voltagramas cíclicos

a las 9, 24, 48, 72 horas para los sistemas bióticos y, para los sistemas

abióticos se llevaron a las 0, 24, 48, 72 horas.

Las mediciones de impedancia electroquímica fueron analizadas mediante

representaciones gráficas de los CV, diagramas de Nyquist y Bode, circuitos

equivalentes y mediante la magnitud del error estadístico, además se realizaron

correcciones de los datos electroquímicos utilizando el método de corrección

óhmica de acuerdo a la literatura (Orazem et al., 2006, Zhao et al., 2009).

Los elementos integrados en los circuitos eléctricos son congruentes con la

información proporcionada por el análisis de los datos experimentales con el

método de corrección óhmica, así, diversos circuitos eléctricos equivalentes

fueron propuestos con el objeto de obtener magnitudes de los parámetros

62

electroquímico y valorar el desempeño de los recubrimientos de polianilina

sobre los electrodos de trabajo a base de grafito, asociando el comportamiento

de los sistemas a fenómenos físicos. Los elementos eléctricos utilizados

modelan fenómenos resistivos y de doble capa capacitiva, además de

fenómenos relacionados a la difusión de especies electro-activas. Durante los

ajustes de datos experimentales la desviación estándar del error estocástico

varió entre 0.9-5%.

5.4.1. Análisis con voltametría cíclica

Los voltagramas obtenidas de las mediciones de CV exhiben la presencia de

fenómenos resistivos, capacitivos y de transferencia de masa como resultado

de un balance entre la velocidad de difusión del sustrato y la velocidad con que

se llevan a cabo las reacciones electroquímicas. La contribución de dichos

fenómenos es más evidente con la adición de microorganismos en el medio

(sistemas bióticos), y se asocian a la forma pronunciada de picos transitorios

en las curvas (ver figuras 16,17,18), que a su vez implican incrementos

proporcionales en la velocidad de las reacciones electroquímicas (Parot et al.,

2011).

En las curvas cíclicas de los sistemas de grafito se encontró que los cambios

en el tiempo no son significativos en ausencia de microorganismos, sugiriendo

un típico comportamiento electrocatalítico para la degradación de la fuente de

carbono (acetato). La mayoría de los sistemas exhiben un comportamiento

capacitivo a excepción del sistema de grafito con polianilina biótico donde se

observa que al inicio existen fenómenos de concentración de especies en la

superficie del electrodo, pico de reducción a -494.5 mV (ver figura 12). Este

pico puede atribuirse a las reacciones redox que se llevan a cabo en los sitios

activos que crea la presencia de los grupos quinónicos de la polianilina. Al

parecer la concentración de especies electroactivas resulta de un incremento

de la transferencia de cargas entre los sitios activos generados en la superficie

del electrodo y la actividad biocatalítica de los microorganismos, hecho

evidente por los picos de los potenciales redox en comparación con los demás

63

sistemas. También puede asociarse el establecimiento de una biopelícula no

homogénea e inmadura que induce a un comportamiento capacitivo en el

tiempo (72 horas). Así mismo, el incremento del pico de reducción en

presencia de una concentración constante con respecto a los demás sistemas

es un posible indicativo de que el proceso esta siendo controlado por la

velocidad de difusión de especies electroactivas o del sustrato a la superficie

del electrodo, que se minimizan en el tiempo marcado por la desaparición

pronunciada de los picos en la curva de 72h, que también puede relacionarse

con la disminución de la concentración de la fuente de carbono y se respaldan

con los datos de impedancia electroquímica (aunque no se muestran los

resultados aquí) (Shamsipur et al., 2008, Mi et al., 2007) .

64

Figura 12. Voltagrama cíclico para los electrodos de grafito a una velocidad de

barrido de 20mV/s. Las curvas corresponden a electrodos con y sin polianilina

tanto para condiciones abióticas como bióticas. (a) Representa un aumento de

los sistemas abióticos para la 0 y 72 horas. Gra: grafito, s_PAni: sin polianilina.

Los voltagramas de los sistemas compositos de grafito nanofibras de carbono

no muestran una respuesta bien definida hasta que se modifica la superficie de

los electrodos con la película de polianilina, exhibiendo un pico de reducción

que se desplaza en el tiempo entre -300 mV y -100 mV. Este fenómeno, se

puede asociar a especies electroactivas en la superficie del electrodo,

principalmente grupos quinónicos (debido a la presencia de la polianilina) las

65

cuales funcionan creando sitios electroactivos que favorecen la velocidad de

los procesos de oxidación-reducción (ver figura 13 (a)). En contraste, el sistema

composito de grafito-nanofibras sin PAni refleja un comportamiento ideal de

doble capa, excepto en algunas regiones donde se forman deflexiones. Otro

aspecto a notar es que el sistema composito con PAni biótico exhibe picos de

corriente máxima y se desplazan hacia valores mayores en el tiempo. Estas

características que añade el uso de polímeros conductores y biocatalizadores

contribuyen a velocidades favorables de los procesos farádicos (Domínguez-

Benetton et al., 2012, Mi et al., 2007). Sin embargo, los procesos de

concentración y de difusión de especies tiene un efecto más significativo que

en los sistemas análogos de grafito sin nanofibras de carbono, lo cual podría

estar relacionado directamente con la resistencia que confiere la matriz

polimérica de polimetilmetacrilato (PMMA) utilizada como dispersante de las

nanofibras de carbono que puede generar un resistencia muy alta en un rango

mayor de 1010 ohm.cm2 (Loveday et al., 2004), lo que se traduce en una pobre

actividad de especies electroactivas y en una reducida densidad de potencia a

pesar que el sistema pudiera favorecer el desarrollo de una biopelícula estable

en el transcurso del tiempo con respecto a los demás sistemas evaluados. Sin

embargo, en el tiempo en que se evaluó el desempeño de este tipo de

electrodos no generaron densidades de corriente significativas por encima de

los electrodos de grafito modificados con polianilina.

En los sistemas de acero, los efectos mas significativos se dan en las

respuestas medidas entre los electrodos modificados con polianilina tanto en

condiciones bióticas como abióticas, cuyos potenciales de reducción son

desplazados hacia valores menos positivos mientras que los de oxidación van

hacia valores más positivos en los sistemas abióticos (ver figura 14). Los

valores correspondientes a los potenciales de reducción varían de -247.9 mV a

-356.5 mV, respectivamente y de 95 a 115.6 mV para los picos de oxidación,

para las 0 y 72 horas. Los sistemas bióticos sólo exhiben picos de reducción

que tienden a valores mas positivos (de -349.6 mV a -67.12 mV). Este conjunto

de sistemas exhiben una clara relación entre el efecto de la concentración de

especies electroactivas y la resistencia a la transferencia de carga cuando se

66

comparan frente a sus análogos abióticos y bióticos sin polianilina, donde las

velocidades de reacción son menores (Parot et al., 2011).

Sin embargo, estos sistemas precisan otras evaluaciones mas controladas, por

el efecto de las reacciones secundarias que pudieran generar subproductos no-

electroactivos como resultado de procesos de corrosión así como de

subproductos que involucran iones metálicos (por ejemplo, manganeso

presente en el electrolito o en la aleación metálica) que pueden traducirse en el

desarrollo de compuestos exocelulares y enzimas que modifican las capas de

óxido existentes entre el electrodo de acero inoxidable y las células de la

biopelícula que promueven la oxidación del acetato e incrementan la

concentración de especies electroactivas. Sin duda, los fenómenos resultan de

la naturaleza del sistema, del material y de las condiciones de operación (Dulon

et al., 2006, Franks et al., 2010). Además se ha visto que los microorganismos

bioelectrocatalíticos favorecen las reacciones de reducción de oxígeno cuando

los soportes son electrodos de acero inoxidable (picos de reducción) lo que al

estar acopladas con las reacciones de oxidación favorecen el incremento de las

densidad de corriente, sin embargo, se precisa de condiciones mas estables

para llevar a cabo los análisis.

67

Figura 13. Voltagrama cíclico para los electrodos compositos de grafito-

nanofibras de carbono a una velocidad de barrido de 20mV/s. Las curvas

corresponden a electrodos con y sin polianilina tanto para condiciones abióticas

como bióticas. (a) Representa un aumento de los sistemas compositos

abióticos para las 0 y 72 horas. CNTs: nanofibras de carbono, c_PAni: con

polianilina.

68

Figura 14. Voltagrama cíclico para los electrodos de acero a una velocidad de

barrido de 20mV/s. Las curvas corresponden a electrodos con y sin polianilina

tanto para condiciones abióticas como bióticas.

Los resultados sugieren que el mejor funcionamiento fue para los sistemas de

grafito con polianilina bajo condiciones bióticas y se debió a que exhibe un

comportamiento similar al de un capacitor al tiempo cero (valores de alfa (a)

cercanos 1, (ver cuadro 5) el cual promueve la transferencia de especies

electroactivas desde las células microbianas hasta el electrodo de grafito

modificado (Xu et al., 2010). Así mismo, el uso de los microorganismos como

biocatalizadores en los sistemas de grafito con polianilina en el tiempo reducen

69

la resistencia a la transferencia de especies electroactivas a través de los

procesos extracelulares de transferencia de especies activas eléctricamente,

cuyo mecanismo es un complicado proceso que requiere de más estudio

(Domínguez-Benetton et al., 2012) .

Por otra parte, es claro que los efectos de la disminución de la resistencia a la

transferencia de carga (aumento de la velocidad de las velocidades de

reacción) contribuyen a mayores densidades de corriente para el sistema de

grafito con polianilina bajo condiciones bióticas, en el intervalo de tiempo

evaluado, (ver sección 5.1). Entonces, la presencia conjunta del consorcio

microbiano marino y el polímero conductor incrementaron la densidad de

corriente. Hecho estudiado en otros grupos de trabajo, en los cuales se ha visto

que el empleo de especies que crecen en ambientes marinos poseen

citocromos que favorecen la catálisis de reacciones de oxido-reducción (Dulon

et al., 2006, Xu et al., 2010, Parot et al., 2011).

Cabe mencionar que las variaciones en las superficies a nivel macro y de micro

poros de los electrodos, las condiciones ambientales y de operación así como

las concentraciones de las especies electro-donadoras y las características

fisicoquímicas del electrolito son factores que limitan la detección y

comparación de la actividad de los microorganismos como catalizadores de

reacciones de oxidación acopladas en los sistemas electroquímicos, por lo que

es preciso establecer condiciones estables durante la realización de los

experimentos y el empleo de mejores métodos para la determinación de la

rugosidad de las superficies de los electrodos que proporcionen los valores de

las áreas reales para cada material (Marsili et al., 2008, Liu et al., 2010).

70

5.4.2. Espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE)

5.4.3. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas

compositos de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo

condiciones bióticas y abióticas

5.4.3.1. Análisis mediante espectros de Nyquist y d e Bode

Los espectros de impedancia (ver figura 15) se llevaron a cabo durante el

crecimiento de los microorganismos en las primeras 72 horas. Las curvas

muestran un comportamiento variable en el intervalo de altas frecuencias bajo

condiciones abióticas en los sistemas de grafito sin polianilina y una mayor

resistencia a la transferencia de carga (Rp) comparados con sus análogos con

polianilina. En los sistemas el uso de recubrimientos de polianilina reduce tanto

la resistencia óhmica (Rs) como la resistencia a la transferencia de carga (ver

cuadro 5). En el caso de los sistemas de grafito con y sin polianilina abióticos,

los valores de Rohm indican una baja concentración de especies electroactivas

que promuevan la formación de un gradiente de cargas y la difusión de las

especies electroactivas hacia la interfaz electrodo-electrolito para facilitar las

reacciones farádicas. No obstante, los valores asociados a la resistencia del

electrolito disminuyen con el tiempo lo cual podría asociarse a que las

reacciones son termodinámicamente posibles y se llevan a cabo a velocidades

pequeñas. El uso de polianilina y de los microorganismos hace evidente un

efecto catalítico. Este hecho provoca que se incremente la velocidad de las

reacciones electroquímicas debido a la presencia del polímero conductor en su

estado conductivo que confiere una mayor movilidad electrónica e incrementa

la carga de la superficie del electrodo (Chi-Chang et al., 2001). Mientras tanto,

los microorganismos incrementan la concentración de especies electroactivas

(membranas externas con citocromos reducidos, mediadores solubles redox

reducidos o productos de fermentación reducidos, entre otros) y la

reversibilidad electroquímica al aumentar la velocidad de flujo de especies

eléctricas hasta el aceptor final de las cargas (Liu et al., 2010). Este

comportamiento es el que permite que los sistemas de grafito modificados con

71

polianilina bajo condiciones bióticas alcancen como máximo una densidad de

potencia elevada de 3.8 A/m2.

Así mismo, el comportamiento de los diagramas señala la presencia de

fenómenos más complejos, por ejemplo, la depresión del semicírculo de las

curvas (altas frecuencias) podrían estar asociados a las heterogeneidades del

recubrimiento, como la formación de una película no uniforme en espesor, la

exposición de grafito no recubierto o a la dispersión de los valores de alguna

propiedad física del sistema, así como el grado de conductividad que confiere

la película depositada sobre el electrodo, que facilita o impide el paso de las

cargas (Loveday et al., 2004).

Figura 15. Diagramas de Nyquist para los sistemas de grafito con y sin

polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas para las 0 y 72 horas.

(b) Representa un aumento a altas frecuencias del diagrama de Nyquist (a).

Los diagramas de Bode se representan graficando el logaritmo del módulo de

la impedancia [log |Z|/Ohm.cm-2] y el ángulo de fase [Phase (Z)/deg] contra el

intervalo del logaritmo de las frecuencias [freq/Hz] (ver figura 16). En los

diagramas de fase de Bode se observa que el sistema posee constantes de

72

tiempo bien definidas (ver figura 16). Las frecuencias características se

observan a 0.01 Hz, 25 Hz y 4E3 Hz. Los diagramas de fase muestran tres

inflexiones, de las cuales dos de ellas están bien definas, sugiriendo que el

sistema esta limitado por mas de un proceso, donde la resistencia a la

polarización junto con la resistencia a la transferencia de carga pueden ser

considerados como uno los principales fenómenos que limitan las reacciones

de electrodo.

Figura 16. Diagramas de Bode para los sistemas de grafito con y sin polianilina

expuestas a condiciones bióticas y abióticas para las 0 y 72 horas. (a)

Diagrama del módulo de la impedancia, (b) Diagrama de fase.

73

Los diagramas de Bode del módulo exhiben la presencia de pendientes bien

definidas a bajas frecuencias indicando un comportamiento estable en el rango

analizado en el transcurso del tiempo. Las representaciones del módulo de

impedancia resultaron de mucha utilidad para aproximar el valor de la

resistencia del electrolito, el cual se asocia al valor del modulo a medida que

las frecuencias tienden al infinito (Orazem et al., 2006).

5.4.3.2. Análisis de impedancia electroquímica medi ante circuitos

equivalentes.

Los ajustes se realizaron de acuerdo al análisis previo de los datos

experimentales por corrección óhmica. Las aproximaciones de la resistencia

óhmica se obtuvieron de las representaciones de Bode. Esta corrección es

importante para hacer más evidente las frecuencias características y el

comportamiento de la superficie del electrodo.

Los datos fueron ajustados empleando un circuito eléctrico equivalente (ver

figura 8) para obtener parámetros electroquímicos representativos. Los

fenómenos considerados involucran la resistencia óhmica (ROhm), la

resistencia a la polarización (Rpolz), el efecto capacitivo asociado a la doble

capa dieléctrica en la interfase electrodo-electrolito (elemento CPE1), la

resistencia a la transferencia de carga (CPE/Rct) y fenómenos de difusión

mediante un elemento de Warburg (W). El elemento de fase constante se

utilizó para simular el comportamiento no ideal de la distribución de la

capacitancia (Castaneda et al., 2008). Los elementos W y Rct explican los

fenómenos limitantes debido a la difusión y a la resistencia de carga cuyas

contribuciones es casi imposible de diferenciar en presencia de diferentes

gradientes (especies electroactivas provenientes de donadores de electrones y

mediadores reducidos) o cuando hay diferentes mecanismos de transporte de

especies hasta el ánodo (presencia de nanocables y citocromos en las

membranas externas) (Nevin et al., 2008)

74

Los sistemas de grafito con polianilina, de acuerdo con la forma de los

diagramas de Nyquist y a los valores de los parámetros electroquímicos

ajustados mediante circuitos eléctricos (ver figura 17 y cuadro 5), muestran que

la resistencia óhmica alcanza valores entre 1.368 a 6.934 Ohm.m2 y la

resistencia a la polarización disminuye debido a la presencia de la película de

polianilina debido a que posiblemente se crea un efecto de resonancia

electrónica (Lai et al., 2011).

Los valores de la resistencia a la polarización resultan ser menores en

magnitud para los sistemas tanto abióticos como bióticos con y sin

polianilina sugiriendo que los fenómenos limitantes son la difusión y la

transferencia de especies electroactivas a través de la interfase

electrodo-solución, sin embargo los resultados de los ajustes no

determinan claramente al paso limitante. Los valores se reducen

significativamente de 1780 a 15.49 Ohm.m2 en el tiempo 0 y de 1386 a

10.56 Ohm.m2 a la hora 72. Esto puede estar asociado a la disminución

de la impedancia y al incremento en la velocidad en que las especies

electroactivas alcanzan la superficie del electrodo y se dan las

reacciones electroquímicas que incrementan la densidad de corriente, ya

que la resistencia a la polarización Rpolz es inversamente proporcional a

la densidad de corriente intercambiada durante una reacción, por tanto si

la magnitud de Rpolz disminuye la densidad de corriente aumenta

(Mansfeld, 2007, Clauwaert, 2008). Sin embargo, con el paso del tiempo

el comportamiento se hizo más complejo, lo cual fue evidente por los

cambios en los valores de los parámetros de los elementos de fase

constante.

Por otra parte, después de la hora 72, los efectos difusivos a través de la

interfase electrodo-solución no se ven significativamente reducidos en los

sistemas abióticos con y sin polianilina y en el sistema biótico sin polianilina, lo

cual está posiblemente asociado a una baja concentración de especies

oxidantes que no permiten la formación de un gradiente efectivo de sustancias

electroactivas, hecho que se respalda en la información proporcionada en los

75

diagramas de módulo de Bode, donde la curva tiende a un valor finito diferente

de cero a medida que las frecuencias tienden al infinito (ver figura 16).

En el caso de los sistemas bióticos sin polianilina el comportamiento señala

que a pesar de la presencia de bacterias en el medio, que debieran actuar

como biocatalizadores, no existen suficientes especies electroactivas que

puedan ser transportadas de manera efectiva hasta la interfase electrodo-

solución. Lo anterior pudiera deberse al efecto de la presencia de

microorganismos planctónicos formando una barrera al flujo de las especies

electroquímicamente activas, ya que el crecimiento y mantenimiento del

metabolismo microbiano generan subproductos secundarios, como

exopolisacáridos, que no son precisamente activos en los procesos de

transferencia de carga al electrodo. Además, factores como el tiempo de

evaluación y las condiciones de operación pudieran no haber sido las más

adecuadas para el desarrollo de una biopelícula estable y electroactiva sobre el

electrodo que facilitara el transporte de cargas.


para los sistemas de grafito. Gra: Grafito, s_PAni_abio: sistema sin polianilina

76

abiótico, c_PAni_abio: sistema con polianilina abiótico, s_PAni_bio: sistema sin

polianilina biótico, c_PAni_bio: sistema con polianilina biótico.

Así mismo, el sistema exhibe una respuesta transitoria en el tiempo de

inmersión. Desde un comportamiento capacitivo ideal a un comportamiento de

fase constante, hecho evidente por el cambio de los valores del parámetro alfa

(α) de los elementos CPE1 y CPE2 entre α=1 (bajas frecuencias) a valores de

α≠1 (frecuencias medias) (ver cuadro 5). Este fenómeno puede ser atribuido a

la heterogeneidad de la superficie del electrodo de trabajo o a constantes de

tiempo distribuidas debido a las reacciones de transferencia de cargas como

también a cambios en la conductividad por la presencia de películas

conductoras (polianilina) y su interacción con las células microbianas. Los

valores muestran incrementos pequeños con el tiempo de inmersión para los

sistemas abióticos a diferencia de los sistemas bióticos donde los valores

disminuyen (Hirschorn et al., 2010, Orazem et al., 2006, Huang et al., 2007). La

disminución de α con el tiempo de inmersión en los sistemas bióticos sugiere

que la superficie se vuelve más homogénea posiblemente por el desarrollo de

una biopelícula inmadura.


mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos de

grafito bajo condiciones bióticas y abióticas.

Condición Elemento Rs Rp CPE1 α1 CPE2 α2

Tiempo(h) (Ohm.m2) (Ohm.m2) F.s ^(α-1) F.s ^(α-1)

Abiótico

s/Pani

0 2.639 218.6 0.01983 0.7174 0.01008 1

72 1.952 1386 0.03057 0.8080 - -

Abiótico

c/Pani

0 6.934 51.52 0.03311 0.6909

7.919E-

3 1

72 5.638 10.073 0.05249 0.7604 - -

Biótico

s/Pani

9 1 1780 0.01515 0.9040 - -

72 1.368 927.9 0.01965 0.8825 0.03831 1

77

Biótico

c/Pani

9 1.631 15.49 0.05275 0.6413 0.01839 1

72 2.421 10.56 0.05449 0.5373 0.05080 0.3894

En resumen, puede decirse que la concentración de las especies electroactivas

se incrementan por la presencia de especies oxidantes en el medio (bacterias)

y por la presencia de los recubrimientos de polianilina que aumenta la

conductividad del medio, lo cual facilita el transporte de las cargas a través de

la interfase, cuyo efecto en el sistema de grafito- polianilina, bajo condiciones

bióticas, da como resultado un desempeño favorable y máximo en la densidad

de potencia (3.8 A/m2) mediante el uso sinérgico de las películas de polianilina

y de biocatalizadores.

5.4.4. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas

compositos de grafito-nanofibras de carbono con y sin polianilina bajo

condiciones bióticas y abióticas

5.4.4.1. Análisis mediante espectros de Nyquist y d e Bode

Los diagramas de Nyquist en esta sección corresponden a los sistemas

compositos de grafito-nanofibras de carbono sin polianilina abiótico y a su

análogo con polianilina biótico, donde podemos observar que las magnitudes

de la impedancia alcanzan valores elevados con respecto a los sistemas de

grafito (ver figura 18).

Estos sistemas exhiben un comportamiento resistivo muy pronunciado. Este

efecto puede atribuirse a la presencia de las capas tanto de nanofibras de

carbono en matriz epóxica como de polianilina que incrementan la resistencia a

la transferencia de carga (Xie et al., 2005). Aunque se ha visto que los

recubrimientos le confieren estabilidad al sistema para la adhesión de células

bacterianas, en este caso crean una resistencia a la polarización significativa

(ver cuadro 6). Es preciso mencionar que las impedancias de los sistemas

bióticos fueron los más elevados en este conjunto de mediciones los cuales no

se muestran por efecto de la escala de los gráficos.

78

Figura 18. Diagramas de Nyquist de los sistemas compositos de grafito-

nanofibras de carbono con y sin polianilina, expuestos a condiciones bióticas y

abióticas para las 0 y 72 horas.

Lo anterior se respalda en la información que proporcionan los diagramas de

Bode. Por ejemplo la presencia de múltiples inflexiones en las gráficas de fase

sugieren que el comportamiento esta gobernado por más de proceso que

impactan el desempeño global. Así mismo, el diagrama de módulo señala que

los valores asociados a la resistencia del electrolito tienden a cero a medida

que las frecuencias tienden al infinito, en el transcurso del tiempo. Los

diagramas de módulo corroboran la información con respecto a los factores que

podrían contribuir de manera significativa al desempeño del sistema, los cuales

están asociados a la resistencia a la transferencia de carga (bajas frecuencias)

y el efecto de la resistencia del electrolito disminuye con el tiempo (altas

frecuencias). Además el comportamiento de las curvas sugiere la existencia de

fenómenos de adsorción en la interfase electrodo-solución (ver figura 19).

Los diagramas de fase exhiben más de una constante de tiempo, sin embargo

sólo una constante de tiempo esta bien definida, en cada espectro, junto con

una frecuencia característica a 0.4Hz.

79

Figura 19. Diagramas de Bode para los sistemas compositos de grafito-

nanofibras de carbono con y sin polianilina expuestas a condiciones bióticas y

abióticas para las 0 y 72 horas. (a) Diagrama del módulo de la impedancia, (b)

Diagrama de fase.


equivalentes

Los ajustes se realizaron de acuerdo al comportamiento del análisis previo de

los datos experimentales por corrección óhmica. El CEE utilizado para obtener

80

los parámetros electroquímicos es el correspondiente a la figura 8. Entre los

elementos utilizados destaca el elemento asociado a la transferencia de

electrones (Rct), importante en este estudio para proporcionar información

acerca de la facilidad para la transferencia de electrones en la interfase del

composito. Los ajustes muestran un comportamiento acorde a los datos

experimentales de los espectros de impedancia (ver figura 20). En estos

sistemas la resistencia a la transferencia de especies electroactivas se hace

más evidente posiblemente debido a la capa de resina epóxica utilizada como

dispersante de las nanofibras de carbono y a una inadecuada dispersión de las

nanofibras de carbono que ocasionan las bajas propiedades para transportar

especies electroactivas (Pacios et al., 2008). Los valores de la resistencia

óhmica para el sistema abiótico sin polianilina variaron en un rango de 5.729 a

83.5 Ohm.m2 lo que es significativamente mayor en relación a los sistemas con

grafito, mientras que para el análogo composito de grafito-nanofibras de

carbono biótico con polianilina los valores se reducen tanto para el tiempo 0 y

72 y corresponden a 1.553 y 12.53 Ohm.m2, respectivamente. Sin embargo

aunque existe una disminución significativa en los valores de la resistencia a la

polarización que incrementan las densidades de corriente contrastando el

sistema con polianilina biótico (400 mA/m2) contra el sistema sin polianilina

abiótico (despreciable), los valores de densidad de corriente no superan al

máximo que se alcanzó con el sistema de grafito modificado solo con

polianilina expuesto a condiciones bióticas (3.8 A/m2).

También se puede observar una disminución en las magnitudes de la

impedancia y en las magnitudes de la resistencia a la transferencia de carga

que se acompañan por una reducción de la resistencia a la polarización. Los

valores de la resistencia a la polarización son menores para el sistema biótico

con polianilina (177 Ohm.m2 a 829.6 Ohm.m2) comparado con el sistema

abiótico sin polianilina (221 Ohm.m2 a 3205 Ohm.m2) para los espectros de las

horas 0 y 72. Este fenómeno muestra el efecto positivo que añade el uso de

polímeros conductores y de biocatalizadores en los electrodos ya que al

reducirse los fenómenos de resistencia a la polarización también se incrementa

el flujo de especies electroactivas hasta la interfase electrodo- solución, lo que

81

se traduce en densidades de potencia más favorables, alcanzando una

densidad de potencia máxima cercano a 400 mA/m2 en relación a la nula

producción de su análogo sin polianilina abiótico.

Los valores asociados a la resistencia del electrolito contrastados con los de la

resistencia a la transferencia de carga resultan insignificantes en ambos

sistemas. Sin embargo después en la hora 72 se observa un incremento de la

Rpolz en el sistema biótico que puede explicarse por la presencia y desarrollo

de una biopelícula inmadura donde los exopolisacáridos obstruyen el paso de

las cargas hasta el electrodo, acorde con los valores de α los cuales alcanzan

valores muy pequeños, comportándose como un sistema no reactivo que se

traduce en una pobre actividad de reacciones farádicas y por tanto de

densidades de corriente menores. Por otra parte en los diagramas de fase

podemos ver que los valores disminuyen por debajo de cero, por lo que

además de los fenómenos limitantes debido a la transferencia de carga,

también pueden asociarse fenómenos limitantes por especies adsorbidas en

los intersticios porosos (ver figura 19).

En general, el desempeño esta dado por un mecanismo de pasos complejos y

cuyo control puede resumirse en los siguientes fenómenos: el transporte de las

especies (transferencia de masa o difusión convectiva) hasta la interfase

electrodo-solución seguido por el efecto de la doble capacitiva en la interfase y

a especies adsorbidas en la superficie porosa (Franks et al., 2010).

82


de los sistemas compositos de grafito-nanofibras con y sin polianilina bajo

condiciones bióticas. CNTs: nanofibras de carbono, s_PAni_abio: sin polianilina

abiótico, c_PAni_bio: con polianilina abiótico, s_PAni_bio: sin polianilina biótico,

c_PAni_bio: con polianilina biótico.


mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los electrodos

compositos de grafito-nanofibras de carbono bajo condiciones bióticas y

abióticas.

Condición Elemento Rs Rp CPE2 α2

Tiempo(h) (Ohm.m2) (Ohm.m2) F.s ^(α-1)

Abiótico

s/Pani

0 5.729 221.4 1.59E-9 1

72 83.5 3205 0.00768 1

Biótico

c/Pani

9 1.553 177 0.183E-9 1

72 12.53 829.6 26.49E-9 0.7347

83

5.4.5. Mediciones de impedancia electroquímica para los sistemas de

acero con y sin polianilina bajo condiciones biótic as y abióticas

5.4.5.1. Análisis de los datos experimentales media nte espectros de

Nyquist y de Bode

Los espectros de impedancia (ver figura 21) se muestran para las horas 0 y 72,

para los sistemas bióticos como abióticos a excepción del sistema de acero con

polianilina abiótico el cual no se muestra a la hora 72 debido a la escala

utilizada que no permitía mostrar el desempeño de forma adecuada, el cual

alcanza valores por encima de 56 Ohm.m2.

Figura 21. Diagramas de Nyquist para los sistemas de acero con y sin

polianilina expuestos a condiciones bióticas y abióticas para las 0 y 72 horas.

(b) Representa un aumento a altas frecuencias del diagrama de Nyquist (a).

Los diagramas de Nyquist muestran que las magnitudes de la resistencia a la

transferencia de carga disminuyen con el tiempo para el sistema abiótico sin

polianilina en contraste para los sistemas bióticos con y sin polianilina los

cambios en los valores de las resistencias sugieren que el control pasa de ser

difusional a activación por transferencia de carga debido a que los espectros

84

de impedancia con el paso del tiempo exhiben la forma de un semicírculo,

comúnmente asociado a la presencia de fenómenos de activación por

polarización y por concentración de especies que no lograban difundir a

velocidades elevadas hasta el electrodo, ya que en apariencia las capas de

subproductos de corrosión hicieron que el sistema se pasive, es decir, la

película de la interfase se tornó mas resistiva lo que impedía un transporte

efectivo de especies electroactivas hacia la interfase electrodo-solución y se

llevaran a cabo las reacciones de electrodo de interés. Sin embargo se precisa

de otros análisis mas detallados para este tipo de materiales que proporcionen

información acerca de las especies existentes.

Figura 22. Diagramas de Bode para los sistemas de acero con y sin polianilina

expuestas a condiciones bióticas y abióticas a las 0 y 72 horas. (a) Diagrama

del módulo de la impedancia, (b) Diagrama de fase.

85

Como en los otros casos los diagramas de Bode se representaron mediante

dos tipos de gráficos uno con el logaritmo del módulo de la impedancia [log

|Z|/Ohm.cm-2] y el otro con el ángulo de fase [-Fase (Z)/grado] contra el

intervalo del logaritmo de las frecuencias [freq/Hz] (ver figura 22). En los

diagramas de fase se puede observar la presencia de múltiples inflexiones lo

que señala un control debido a más de un proceso. Los diagramas de módulo

exhiben pendientes bien definidas en el intervalo de bajas frecuencias, lo cual

fue útil para calcular las alfas de las curvas para el desarrollo del circuito

eléctrico equivalente para el ajuste de datos. En resumen el comportamiento de

las curvas sugiere la existencia de fenómenos de resistencia a la transferencia

y de difusión de cargas electroactivas a medida que transcurre el tiempo debido

a la presencia de una meseta en la curva a bajas frecuencias lo que señala

como en otros casos dificultad en el transporte de las especies electroactivas

que se ve incrementada en el tiempo y es mayor en los sistemas bióticos (ver

figura 22). Las frecuencias características se observan a 1.5823E-3 Hz, 25 Hz y

100 Hz.


equivalentes

El circuito eléctrico propuesto se utiliza para calcular los parámetros

electroquímicos

relacionados con: i) la resistencia del electrolito (Rohm), ii) el efecto de doble

capa dieléctrica en la interfase electrodo-electrolito (CPE1) y la resistencia a la

polarización (Rpolz) y iii) los fenómenos de doble capa debido a la presencia de

subproductos de corrosión capas de óxidos (tanto en los sistemas bióticos

como abióticos) y la presencia de una biopelícula electroactiva en la superficie

del electrodo, para el caso de los sistemas bióticos y la dificultad de difusión de

las especies electroactivas hasta la superficie del electrodo. De los ajustes se

obtienen las magnitudes de la resistencia a la polarización, las cuales

incrementan con el tiempo para todos los sistemas y varían de 41.09 Ohm.m2 a

1049 Ohm.m2 para el sistema abiótico sin polianilina y de 22.69 Ohm.m2 a

1643 Ohm.m2 para el sistema biótico con polianilina (ver cuadro 7).

86

Los cambios en los valores de las resistencias sugieren que en la interfase

electrodo-solución existe la formación de capas semiconductoras de productos

de corrosión la naturaleza del material y las condiciones de trabajo crearon el

medio para que se llevara a cabo este fenómeno y el posible establecimiento

de una biopelícula conductora que junto con sus compuestos biológicos

reducidos contribuyeron al incremento de la difusión de las especies a través

de las capas de subproductos y a la oxidación de las especies electroactivas

hasta el electrodo de trabajo (Dulon et al., 2006).


de los sistemas de acero con y sin polianilina expuestos a condiciones bióticas

y abióticas. Ace: acero inoxidable, s_PAni_abio: sin polianilina abiótico,

c_PAni_bio: con polianilina abiótico, s_PAni_bio: sin polianilina biótico,

c_PAni_bio: con polianilina biótico.

Los altos valores asociados a la transferencia de especies electroactivas se

ven compensados por la disminución en las magnitudes de la difusión de

87

especies (ver figura 23). Estas características permitieron alcanzar altas

densidades de corriente. Los valores corresponden a 1700 mA/m2 para el

sistema de acero con polianilina biótico y a 200 mA/m2 para el sistema sin

polianilina abiótico. Esto está se respalda con el comportamiento observado en

los voltagramas cíclicos que indican la presencia de células adheridas en las

proximidades del electrodo que son capaces de intercambiar cargas eléctricas,

dando como resultado altos valores en las densidades de corriente

posiblemente por una alta velocidad de intercambio de las cargas eléctricas

almacenadas en las membranas reducidas de las células o en sus respectivos

productos de fermentación reducidos (Dumas, C. et al., 2008). Además los

valores de α exhiben pequeños incrementos en las magnitudes (a excepción

del valor de α2 para el sistema abiótico sin polianilina a la hora 72) con el

tiempo de inmersión (ver cuadro 7), contrario a los procesos comunes que se

llevan a cabo por el crecimiento de películas de productos de corrosión

(Orazem et al., 2006), lo que implica que existen procesos distribuidos y

complejos que favorecen la generación de densidad de corriente. El intervalo

de los valores que asume α indica también que su comportamiento es general

como un capacitor ideal a bajas frecuencias y la de un elemento de fase

constante a frecuencias intermedias. Cabe mencionar que en algunos estudios

se ha visto que este comportamiento se traduce en altas densidades de

corriente porque se promueve la transferencia de especies electroactivas

desde las células microbianas hasta el electrodo modificado con especies

conductoras (Xu et al., 2010).

Estos análisis ponen de manifiesto nuevamente que la presencia del consorcio

microbiano marino y los recubrimientos de polianilina incrementaron la

densidad de corriente, como ya se ha visto en otros grupos de trabajo, donde el

empleo de especies que crecen en ambientes marinos poseen citocromos que

favorecen la catálisis de reacciones de oxido-reducción (Dulon et al., 2006, Xu

et al., 2010, Parot et al., 2011).

88


mediante ajustes con circuitos eléctricos equivalentes para los sistemas de

acero bajo condiciones bióticas y abióticas.

Condición Elemento Rs Rp CPE1 α1 CPE2 α2

Tiempo(h) (Ohm.m2) (Ohm.m2) F.s ^(α-1) F.s ^(α-1)

Abiótico

s/Pani

0 3.218 41.09 0.00676 0.8728 0.00174 0.8658

72 2.137 1049 0.00571 0.9542 0.00739 0.8130

Abiótico

c/Pani

0 2.144 57.25 0.00108 0.8230 0.00757 0.3545

72 5.564 354.7 0.179E-9 1

3.253E-

6 1

Biótico

s/Pani

9 1.867 1099 0.001222 0.8684 0.01945 1

72 2.117 1269 0.001339 0.8743 0.00803 1

Biótico

c/Pani

9 2.009 22.69 0.007019 0.6435 0.02399 0.6783

72 2.314 1643 0.005603 0.7136 0.00669 0.8465

5.4.6. Análisis mediante espectroscopías

5.4.6.1. Difracción de rayos X (DRX)

Los espectros obtenidos mediante las técnicas de difracción de rayos X (DRX)

señalan que se obtuvieron moldes de silicoaluminatos mesoporosos donde las

estructuras de los materiales obtenidos fueron homogéneas en cuanto al

arreglo periódico de los poros. Se obtuvo un material de muy alta calidad, con

un arreglo hexagonal.

89

Figura 24. Espectro de difracción de rayos X de los nanomoldes de sílice

empleados para la síntesis de las nanofibras de carbono.

Mediante el análisis de difracción de rayos X (ver figura 24), pudo determinarse

que los picos obtenidos en el patrón de difracción corresponden a las

relaciones de los planos d100 , d110 , d200 , típicas de un sistema hexagonal,

como es SBA-15. Los valores de “d” se determinaron usando el patrón de

difracción de rayos X y la ley de Bragg, o sea: 2 d sen(θ) = λ, donde θ es la

mitad del ángulo medido en el máximo del pico de difracción, “d” es la distancia

entre planos, λ es la longitud de onda de los rayos X ( = 0.154 nm).

5.4.6.2. Espectro de Infrarrojo

El espectro de infrarrojo de los electrodos recubiertos con polianilina señala

vibraciones de flexión características de los enlaces carbono- carbono (C-C)

presentes en las aminas secundarias (1600-1300 cm-1). La aparición de las

flexiones en el rango de 3273-3195 cm-1 son característicos de los grupos

quinónicos y las deformaciones entre 1105-950 cm-1 también corresponden a

90

los grupos quinónicos y bencénicos indicando la polimerización de los

monómeros de anilina en la superficie del electrodo (ver figura 25).

Figura 25. Espectro de infrarrojo de los materiales de grafito recubiertos de

polianilina.

91

Capítulo 4

Conclusiones

92

6. Conclusiones

• El análisis del desempeño de nuevos materiales anódicos con polímeros

conductores, mostró gran potencial para el acoplamiento de biopelículas de

microorganismos provenientes de ambientes marinos que funcionan como

biocatalizadores de procesos de oxido-reducción. Lo que señala que el uso de

la polianilina sobre los electrodos en sinergia con la presencia de

microorganismos, facilitaron el transporte de especies electroquímicamente

activas a través de la creación de sitios catalíticos, haciendo posible el

incremento de la densidad de potencia de los sistemas electroquímicos.

• El análisis del desempeño de nuevos materiales anódicos incorporando

nanomateriales de carbono condujo a materiales más estables en relación al

tiempo, sin embargo, en el periodo de tiempo estudiado no se lograron

densidades de potencia por encima de los sistemas de grafito con polianilina,

posiblemente asociado a la resistencia elevada que confiere la matriz

polimérica de PMMA.

• El mejor desempeño de los materiales estudiados, mencionados en

orden descendente, es el siguiente: Gra_c_PAni > Ace_c_PAni > Gra_s_PAni

>CNTs_c_PAni >Ace_s_PAni y los valores de densidad de corriente máximos

son 3.8 A/m2, 1.7 A/m2, 0.37 A/m2, 0.3 A/m2 y 0.2 A/m2 respectivamente para

cada sistema.

93

7. Referencias bibliográficas

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102

8. Anexos

8.1.1. Método para la determinación de la Demanda Q uímica de Oxígeno

(DQO)

Este método se fundamenta en la naturaleza de las sustancias orgánicas o

inorgánicas, que las hacen susceptibles de sufrir procesos de oxidación,

principalmente en presencia de oxidantes fuertes. El método se usa

principalmente para medir la cantidad de contaminantes en las aguas naturales

y para evaluar la fuerza de los desechos contenidos en aguas residuales

municipales e industriales.

En este análisis la cantidad de oxidante utilizado, representa una cantidad

equivalente de oxígeno presente en la muestra, por tanto la DQO se expresa

en mg/L de oxígeno (O2). La DQO puede medirse mediante el método

titramétrico de reflujo cerrado y el método colorimétrico de reflujo cerrado

(Métodos Estándar 5520 C y 5520 D, respectivamente). La Agencia

Norteamericana de Protección del Medio Ambiente (US-EPA) especifica que el

único método de medición aceptable para DQO es el método colorimétrico de

dicromato. Las ventajas de usar este método son que incluye gran precisión,

resultados certificables y disminución de la interferencia del cloruro (NMX-AA-

030-SCFI-2001, 2001).

8.1.1.1. Método colorimétrico para la determinación de la demanda

química de oxígeno (DQO), en flujo cerrado

Cuando una muestra es digerida, el material DQO en esa muestra se oxida por

el ión dicromato. Como resultado, el Cromo pasa de estado hexavalente (VI) a

trivalente. Ambas especies de Cromo exhiben un color y absorben luz en la

región visible del espectro. En la región 400 nm el ión dicromato ((Cr2O7)2-),

absorbe mucha luz mientras que el ión crómico (Cr3+) absorbe mucho menos.

En la región 600 nm es el ión crómico el que absorbe mucho y el ión dicromato

tiene una absorción prácticamente nula. (Método Estándar 5220 D).

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Este método cubre los rangos de 0 a 15000 mg/l O2:

1) 0-150 mg/l aprox. 420 nm

2) 0-1000 (1500) mg/l aprox. 600 nm

3) 0-15000 mg/l aprox. 600 nm.

Con la finalidad de obtener reacciones oxidativas rápidas, el calentador de

placa con horadaciones debe permitir un ajuste de temperatura hasta 150°C.

Las especificaciones para este reactor están descritas en el Método Estándar

5520°C, con requisitos concretos de temperatura y r ecipiente. Dado que es vital

que la reacción tenga lugar a 150ºC (±2ºC) durante 2 horas, es preciso

asegurar un correcto precalentamiento. El reactor deberá estar equipado con

un temporizador que notifica al usuario cuando se ha completado la reacción,

para efectos de seguridad del usuario y de reproducibilidad de las repeticiones

(NMX-AA-030-SCFI-2001, 2001).

8.1.2. Preparación de las soluciones patrón

8.1.2.1. Solución estándar de biftalato de potasio (1ml = 1 mg DQO)

Se secó una cantidad de biftalato ácido de potasio a 120ºC hasta peso

constante. Luego se pesaron con precisión 0.851 g, se disolvieron en agua

destilada y se aforó la solución hasta un volumen de un litro, en un matraz

volumétrico clasificación A.

8.1.2.2. Solución catalítica de sulfato de plata (A g2SO4) en ácido

sulfúrico (H 2SO4)

Se pesaron en una balanza analítica, 15 g de Ag2SO4 y se disolvieron en un

litro de H2SO4 concentrado (98% de pureza). El sulfato de plata requirió

aproximadamente 48 horas para su completa disolución, aplicando agitación

ocasional.

104

8.1.2.3. Solución digestora A (alta concentración)

Se pesaron 10.216 g de dicromato de potasio (K2Cr2O7), previamente secado

a 103°C durante 2 horas; para disolverlo se puso en agitación en 500 ml de

agua destilada, luego se agregaron 167 ml de ácido sulfúrico concentrado

(H2SO4, 98% pureza) y 33.3 g de sulfato mercúrico (HgSO4). Una vez que los

reactivos se disolvieron completamente, la solución se dejó enfriar hasta

temperatura ambiente y se aforó hasta un volumen de un litro.

8.1.2.4. Solución digestora B (baja concentración)

Se pesó una menor cantidad de dicromato de potasio (K2Cr2O7), 1.0216g

previamente secado a 103°C durante 2 horas, para su disolución se agregaron

500 ml de agua destilada. Seguidamente, se agregaron 167 ml de H2SO4

concentrado y 33.3 g de sulfato mercúrico (HgSO4), con precisión. Una vez

disueltos todos los reactivos, se dejó enfriar la disolución a temperatura

ambiente antes de aforar hasta un litro.

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