UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
CARRERA DE QUÍMICA
Evaluación de la aplicación del campo magnético en la producción de energía eléctrica a
partir de la degradación de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible
microbianas tipo batch
Trabajo de titulación presentado como requisito previo a la obtención del Título de Química
Autora: Ñacato Chicaiza Dayanna Carolina
Tutor: MSc. Raúl Alfonso Bahamonde Soria
Quito, febrero 2018
ii
DEDICATORIA
Dedico este trabajo a Dios por guiarme en cada paso
que he dado.
A mis padres María Dolores y Tito, y a mi hermano
Irvin, por apoyarme en todo momento, los quiero
mucho.
iii
Agradecimientos
Doy gracias a Dios porque sin Él nada de estos sería posible, por darme salud y vida y
permitirme llegar a este momento, por brindarme sabiduría para lograr alcanzar mis metas.
A mis padres María Dolores y Tito, porque me han apoyado en todo momento, porque al ser
personas trabajadoras, luchadoras, optimistas, responsables han sabido guiarme correctamente
y me han inculcado grandes valores, gracias por permitirme seguir adelante y decirme que todo
es posible en la vida con esfuerzo y dedicación, les agradezco por darme la oportunidad de
estudiar y permitirme alcanzar una meta más en mi vida.
A mi hermano Irvin, porque es un soporte en mi vida, que siempre me ha brindado su apoyo
incondicional y ha estado en los momentos más alegres y difíciles, porque al ser una persona
responsable, inteligente, entusiasta, amable, se ha convertido en mi ejemplo a seguir y me ha
motivado a ser una persona de bien.
A mi tutor MSc. Raúl Bahamonde, por darme la oportunidad de formar parte del grupo de
investigación del Laboratorio de Energías Renovables, por fomentar un ambiente agradable,
por brindarme sus conocimientos, consejos y sugerencias, y por motivarnos a ser personas
responsables.
A MSc. Daniel Zurita, por compartir su conocimiento y experiencia, gracias por motivarnos y
guiarnos en el camino de la ciencia.
A mis amigos, Liss, Mariel, Nathy, Ena, Luis, Santiago, Magaly, Jhonnathan, Karla, Carlos,
Evelyn, quienes me acompañaron en el transcurso de mi vida universitaria, con quienes
compartimos muchos momentos divertidos, gracias por brindarme su amistad y apoyo.
A mis compañeros del Laboratorio de Energías Renovables, Pablo, Álvaro, Jefferson, Kathy,
Billy, Fidel, por brindarme su ayuda y compartir su conocimiento.
vii
ÍNDICE
Autorización de Autoría Intelectual .......................................................................................... iv
Constancia de Aprobación del Tutor ......................................................................................... v
Constancia de Aprobación del Trabajo Final por el Tribunal ................................................... vi
Abreviaturas ........................................................................................................................... xvii
Resumen ............................................................................................................................... xviii
Introducción ............................................................................................................................... 1
Capítulo I ................................................................................................................................... 3
1. El Problema ............................................................................................................................ 3
Planteamiento del Problema ................................................................................................... 3
Formulación del Problema ..................................................................................................... 4
Objetivos ................................................................................................................................ 4
Objetivo general. ................................................................................................................ 4
Objetivos específicos. ......................................................................................................... 4
Justificación e Importancia..................................................................................................... 4
Capítulo II .................................................................................................................................. 6
2. Marco Teórico ........................................................................................................................ 6
Antecedentes de la investigación ........................................................................................... 6
Fundamentación Teórica ........................................................................................................ 8
Aguas Residuales. ............................................................................................................... 8
Contaminantes acuáticos. ................................................................................................... 8
Compuestos orgánicos de efluentes domésticos e industriales. ......................................... 9
Evaluación de la calidad del agua residual. ...................................................................... 10
Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO). ................................................................... 10
Demanda Química de Oxígeno (DQO). ........................................................................ 11
Tratamiento de aguas residuales. ...................................................................................... 11
Tratamientos convencionales. ....................................................................................... 11
Pretratamiento. .............................................................................................................. 11
Deposición primaria. ..................................................................................................... 11
Tratamiento secundario. ................................................................................................ 11
Tratamiento terciario. .................................................................................................... 11
Tratamientos No convencionales. ................................................................................. 12
Fotocatálisis. ................................................................................................................. 12
viii
Celdas de Combustible Microbianas. ............................................................................... 12
Arquitectura y funcionamiento de las celdas de combustible microbianas. ................. 12
Materiales de fabricación. ............................................................................................. 12
a) Ánodo........................................................................................................................ 13
b) Cátodo. ...................................................................................................................... 13
c) Membrana de intercambio de protones (MIP). ......................................................... 13
Microorganismos en las CCMs. .................................................................................... 14
a) Metabolismo Microbiano. ......................................................................................... 15
b) Formación de Biofilm. .............................................................................................. 16
c) Mecanismos de transferencia de electrones. ............................................................. 16
Condiciones de operación. ............................................................................................ 16
Evaluación de una CCM. .................................................................................................. 17
Eficiencia coulómbica. .................................................................................................. 17
Curva de polarización y potencia. ................................................................................. 18
Factores que afectan el Voltaje de la Celda. ................................................................. 19
Influencia de Campos Magnéticos. ............................................................................... 21
Campo Magnético............................................................................................................. 21
Movimiento de partículas con carga en un campo magnético. ..................................... 23
Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente.................................... 23
Imanes. .......................................................................................................................... 23
Aplicación de un campo magnético en una CCM. ........................................................... 24
Fundamentación Legal ......................................................................................................... 24
Hipótesis ............................................................................................................................... 25
Hipótesis de Trabajo Hi. ................................................................................................... 25
Hipótesis Nula Ho. ........................................................................................................... 25
Sistema de Variables ............................................................................................................ 25
Variable Independiente. .................................................................................................... 25
Variable Dependiente. ...................................................................................................... 25
Capítulo III ............................................................................................................................... 27
3. Metodología de Investigación .............................................................................................. 27
Diseño de la Investigación ................................................................................................... 27
Población y Muestra ............................................................................................................. 28
Métodos y Materiales ........................................................................................................... 28
ix
Método. ............................................................................................................................. 28
Materiales. ........................................................................................................................ 28
Materiales para elaboración de electrodos. ................................................................... 28
Materiales para la construcción de celdas. .................................................................... 28
Materiales para determinar DQO. ................................................................................. 28
Equipos. ............................................................................................................................ 29
Reactivos. ......................................................................................................................... 29
Para el tratamiento de electrodos. ................................................................................. 29
Para preparación solución ácida y digestora para DQO. .............................................. 29
Para preparación del Sustrato. ....................................................................................... 29
Diseño Experimental ............................................................................................................ 29
Matriz de Operacionalización de las Variables .................................................................... 30
Procedimiento....................................................................................................................... 30
Toma de muestra de agua residual. .................................................................................. 30
Etapa Microbiológica. ...................................................................................................... 31
Preparación de electrodos de grafito. ............................................................................ 31
Obtención de electrodos y tratamiento. ........................................................................ 31
Inoculación de los electrodos. Preparación del Biofilm. .............................................. 32
Etapa Electroquímica. ....................................................................................................... 32
Preparación del sustrato (Anolito). ............................................................................... 32
Construcción de las CCMs tipo batch. ............................................................................. 33
Aplicación de campo magnético a las CCMs tipo batch. ................................................. 34
Medición de la Intensidad de Campo Magnético. ........................................................ 34
Ensamblaje de celdas con Campo Magnético. .............................................................. 35
Evaluación de las celdas. .................................................................................................. 36
Voltaje a CA. ................................................................................................................ 36
Intensidad de Corriente. ................................................................................................ 36
Curva de Polarización. .................................................................................................. 36
% Eficiencia Coulómbica. ............................................................................................ 36
Determinación de DQO. ............................................................................................... 36
% Remoción de DQO. .................................................................................................. 36
Técnicas e Instrumentos de Recolección y procesamiento de Datos ................................... 37
Técnica de Recolección de Datos. .................................................................................... 37
x
Instrumento de recolección de datos. ............................................................................... 37
Validez. ............................................................................................................................. 37
Técnicas de Procesamiento de Datos (análisis estadístico) .................................................. 37
Capítulo IV............................................................................................................................... 39
4. Análisis y Discusión de Resultados ..................................................................................... 39
Resultados ............................................................................................................................ 39
Evaluación del CM. .......................................................................................................... 39
Evaluación de las CCMs................................................................................................... 39
Voltaje. .......................................................................................................................... 39
Curvas de Polarización. ................................................................................................ 42
Intensidad de corriente máxima. ................................................................................... 54
Demanda Química de Oxígeno (DQO). ........................................................................ 57
% Remoción de DQO. .................................................................................................. 60
% Eficiencia Coulómbica. ............................................................................................ 61
Análisis de los efectos entre los factores de estudio para cada variable respuesta .............. 64
Intensidad de corriente. ..................................................................................................... 65
Voltaje. ............................................................................................................................. 67
Porcentaje de Remoción de DQO. .................................................................................... 69
Eficiencia Coulómbica ..................................................................................................... 70
Capítulo V ................................................................................................................................ 73
5. Conclusiones y Recomendaciones ....................................................................................... 73
Conclusiones ........................................................................................................................ 73
Recomendaciones ................................................................................................................. 73
Bibliografía .............................................................................................................................. 75
Anexos ..................................................................................................................................... 78
xi
Índice de Anexos
A Esquema Causa Efecto ..................................................................................................... 78
B Diagrama de flujo ............................................................................................................. 80
C Instrumento de recolección de datos ................................................................................ 82
D Matriz de validación de instrumentos .............................................................................. 83
E Anexo 1. Voltamperometría Cíclica ................................................................................. 84
F Anexo 2. Curva de Calibración para DQO ....................................................................... 85
Anexo G. Tablas de Resultados ........................................................................................... 86
xii
Índice de Figuras
Figura 2.1. Subdivisión de la materia orgánica en las aguas residuales. .................................. 9
Figura 2.2. Componentes de una CCM de cámara doble ....................................................... 14
Figura 2.3. Esquema del desarrollo de un biofilm sobre un sustrato ...................................... 16
Figura 2.4. Curvas de Polarización y densidad de potencia de una CCM .............................. 18
Figura 2.5. Características de una curva de polarización, mostrando regiones donde diferentes
tipos de pérdidas reducen la corriente útil ............................................................................... 19
Figura 2.6. Curvas de Polarización de CCM con con y sin aplicación de campos magnéticos
(MFC0 = 0 mT; MFC1 = 100 mT; MFC2 = 200 mT; MFC3 = 400 mT) ............................... 21
Figura 2.7. Líneas de campo magnético creadas por varias fuentes comunes de campo
magnético ................................................................................................................................. 22
Figura 2.8. Imanes de Neodimio usados en las CCMs ........................................................... 23
Figura 3.1. Muestreo del agua residual doméstica en el Barrio Ubillús ................................. 31
Figura 3.2. Electrodos inoculados con bacterias Geobacter y Mix en BHI, después de 5 días
de incubación ........................................................................................................................... 32
Figura 3.3. Sustratos para las CCMS. a) Agua Residual Sintética, y b) Agua Residual
Doméstica ................................................................................................................................ 32
Figura 3.4. Filtración del agua residual doméstica ................................................................. 33
Figura 3.5. Accesorios de tubería usados en el ensamblaje de las CCMs .............................. 33
Figura 3.6. Celda de Combustible microbiana ....................................................................... 34
Figura 3.7. Teslámetro ............................................................................................................ 34
Figura 3.8. Medición de la intensidad de Campo magnético de los imanes de neodimio a una
distancia de 1,0 cm ................................................................................................................... 34
Figura 3.9. Esquema 3D del acoplamiento CCM - Campo magnético................................... 35
Figura 3.10. CCMS acopladas a imanes de neodimio ............................................................ 35
Figura 4. Líneas de campo de los imanes de Neodimio ......................................................... 39
Figura 4.1. Comportamiento del Voltaje a circuito abierto de las CCMs (blancos) con Campo
magnético 0 mT y 95 mT ......................................................................................................... 40
Figura 4.2. Voltaje a CA de las CCMs con AS (500 mg/L), Campo magnético = 0 mT y 95
mT ............................................................................................................................................ 41
Figura 4.3. Voltaje a CA de las CCMs con AS (1000 mg/L) Campo magnético = 0 mT y 95
mT ............................................................................................................................................ 41
xiii
Figura 4.4. Voltaje a CA de las CCMs con AR (Ubillús) 500 mg/L, Campo magnético = 0 mT
y 95 mT .................................................................................................................................... 41
Figura 4.5. Voltaje a CA de las CCMs con AR (Ubillús)1000 mg/L, Campo magnético = 0
mT y 95 mT ............................................................................................................................. 41
Figura 4.6. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (500mg/L), con 0 mT
y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5................................................... 43
Figura 4.7. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS
(500mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. .............. 45
Figura 4.8. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (1000mg/L), con 0
mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. ........................................... 47
Figura 4.9. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS
(1000mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. ............ 48
Figura 4.10. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR (500mg/L y 1000
mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. ..................... 51
Figura 4.11. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR
(500mg/L y 1000 mg/L), con 0 mT y 95 mT: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5. . 53
Figura 4.12. Comportamiento de la Intensidad de Corriente de las CCMs (blancos) con: a)
Campo magnético = 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ................................................... 54
Figura 4.13. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs
con AS a Baja Concentración (500 mg/L) con Campo magnético = 0 mT y 95 mT .............. 55
Figura 4.14. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs
con AS a Alta Concentración (1000 mg/L) con, Campo magnético = 0 mT y 95 mT ............ 55
Figura 4.15. Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs con AR (500 mg/L) con
CM = 0 mT y 95 mT ................................................................................................................ 56
Figura 4.16. Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las CCMs con AR (1000 mg/L) con
CM = 0 mT y 95 mT ................................................................................................................ 56
Figura 4.17. DQO en función del tiempo usando como sustrato agua destilada, con Campo
magnético = 0 mT y 95 mT ..................................................................................................... 57
Figura 4.18. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (500 mg/L), con Campo
magnético = 0 mT y 95 mT ..................................................................................................... 58
Figura 4.19. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (1000 mg/L), con Campo
magnético: a) 0 mT; y b) 95 mT. ............................................................................................. 58
Figura 4.20. DQO en función del tiempo usando como sustrato AR (Ubillús) (500 mg/L), con:
a) 0 mT; y b) 95 mT. ................................................................................................................ 59
xiv
Figura 4.21. DQO en función del tiempo usando como sustrato AR (Ubillús) (1000 mg/L),
con: a) 0 mT; y b) 95 mT. ........................................................................................................ 59
Figura 4.22. Porcentaje de Remoción del AS (500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT .............. 60
Figura 4.23. Porcentaje de Remoción del AS (1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT ............ 60
Figura 4.24. % de Remoción del AR (500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT ........................... 61
Figura 4.25. % de Remoción del AR (1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT ......................... 61
Figura 4.26. Gráfica de la Imáx vs t ....................................................................................... 62
Figura 4.27. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AS (500 mg/L) con: a) 0
mT y b) 95 mT ......................................................................................................................... 63
Figura 4.28. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AS (1000 mg/L) con: a) 0
mT y b) 95 mT ......................................................................................................................... 63
Figura 4.29. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AR (500 mg/L) con: a) 0
mT y b) 95 mT ......................................................................................................................... 63
Figura 4.30. Porcentaje de Eficiencia coulómbica del sistema con AR (1000 mg/L) a) 0 mT y
b) 95 mT ................................................................................................................................... 63
Figura 4.31. Diagrama de Pareto estandarizada para Intensidad de Corriente ....................... 66
Figura 4.32. Gráfica de efectos principales para Intensidad de Corriente .............................. 66
Figura 4.33. Diagrama de Pareto estandarizada para Voltaje ................................................. 68
Figura 4.34. Gráfica de Efectos Principales para Voltaje ....................................................... 68
Figura 4.35. Diagrama de Pareto Estandarizada para Remoción ........................................... 69
Figura 4.36. Gráfica de Efectos Principales para Remoción .................................................. 70
Figura 4.37. Diagrama de Pareto Estandarizada para Eficiencia Coulómbica ....................... 71
Figura 4.38. Gráfica de Efectos Principales para Eficiencia Coulómbica .............................. 71
Figura B1. Diagrama de Flujo de Preparación de electrodos ................................................. 80
Figura B2. Diagrama de Flujo de Inoculación de electrodos ................................................. 81
Figura B3. Diagrama de Flujo del Ensamblaje de una Celda de combustible microbiana ..... 81
Figura E1. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una
velocidad de 0,005 V/s ............................................................................................................. 84
Figura E2. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una
velocidad de 0,010 V/s ............................................................................................................. 84
Figura E.3. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una
velocidad de 0,015 V/s ............................................................................................................. 84
Figura F1. Recta de Calibración para DQO ........................................................................... 85
xv
Índice de Tablas
Tabla 3.1 Matriz de Operacionalización de Variables ............................................................ 30
Tabla 3.2. Caracterización y Codificación de variables .......................................................... 37
Tabla 3.3. ANOVA para el diseño factorial a x b x c (2 x 2 x 2) ........................................... 38
Tabla 4.1. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AS (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT ........................ 42
Tabla 4.2. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AS (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT ...................... 45
Tabla 4.3. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AR (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT ........................ 49
Tabla 4.4. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AR (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT. ..................... 49
Tabla 4.5. Matriz del Diseño Factorial 23 ............................................................................... 64
Tabla 4.6. Análisis de Varianza para Intensidad de Corriente - Suma de Cuadrados Tipo
III.............................................................................................................................................. 65
Tabla 4.7. Análisis de Varianza para Voltaje - Suma de Cuadrados Tipo III ......................... 67
Tabla 4.8. Análisis de Varianza para Remoción - Suma de Cuadrados Tipo III .................... 69
Tabla 4.9. Análisis de Varianza para Eficiencia Coulómbica Suma de Cuadrados Tipo III .. 70
Tabla G4.5 Valores de Voltaje a circuito abierto de los blancos con: a) 0 mT y b) Campo
magnético = 95 mT .................................................................................................................. 86
Tabla G4.6. Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AS a Baja Concentración
(500 mg/L) y Alta Concentración (1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95
mT ............................................................................................................................................ 86
Tabla G4.7 Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AR (500 g/L y 1000 mg/L),
con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ......................................................................... 86
Tabla G4.8. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS (blancos) con: a) 0
mT y b) Campo magnético = 95 mT ........................................................................................ 87
Tabla G4.9. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AS (500 mg/L y
1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ..................................................... 87
Tabla G4.10. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AR (500 mg/L
y 1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT .................................................. 87
Tabla G4.11. Valores de DQO en función del tiempo............................................................ 88
xvi
Tabla G4.12. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Sintética (500
mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ...................................... 88
Tabla G4.13. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Doméstica
(Ubillús) (500 mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT ............... 88
Tabla G4.14. Resultados de los % de remoción de materia orgánica en función del tiempo . 89
Tabla G4.15. Resultados de la CE expresado en porcentaje en función del tiempo .............. 89
xvii
ABREVIATURAS
AR Agua Residual Doméstica
AS Agua Residual Sintética
CA Circuito Abierto
CM Campo Magnético
CCMs Celdas de Combustible Microbianas
CE Eficiencia Coulómbica
DQO Demanda Química de Oxígeno
h Horas
I Intensidad de Corriente
Imáx Intensidad de Corriente Máxima
R Remoción
t Tiempo
V Voltaje
xviii
Título: Evaluación de la aplicación del campo magnético en la producción de energía eléctrica
a partir de la degradación de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible
microbianas tipo batch
Autora: Dayanna Carolina Ñacato Chicaiza
Tutor: MSc. Raúl Alfonso Bahamonde Soria
Resumen
El desecho de las aguas residuales domésticas, se ha convertido en un problema ambiental, ya
que es eliminada directamente a las alcantarillas sin un tratamiento previo, afectando de esta
manera al ecosistema. Por tal razón, se ha propuesto una tecnología de bajo costo y accesible
como las celdas de combustible microbianas (CCMs), sin embargo, dichos sistemas presentan
bajas eficiencias, por tal motivo se planteó un modelo de celda acoplado a un campo magnético
(CM) estático, para mejorar el rendimiento de la misma. En este trabajo de investigación se
muestra el efecto de la aplicación del CM en la producción de energía eléctrica en CCMs tipo
H en batch, mediante la degradación de aguas sintéticas (AS), y residuales domésticas (AR)
obtenidas del barrio Ubillús (Parroquia Pintag-Pichincha Ecuador), a dos DQO diferentes (500
mg/L y 1000 mg/L). Las celdas fueron construidas con accesorios de tuberías, y membrana de
papel celofán; para la generación del CM se utilizaron imanes de neodimio acoplados de forma
paralela al ánodo (superficie del electrodo con biofilm), generando una intensidad de campo
de 95 mT. También se construyó CCMs de control (0 mT). Se evaluó su comportamiento
mediante curvas de polarización, durante una semana (93 horas). Se demostró que la aplicación
del CM mejoró la degradación de materia orgánica y disminuyó el tiempo de funcionamiento
de la CCM a dos días, aumentando un 59,31% y 45,10% la remoción de DQO en AR a baja y
alta concentración, respectivamente, en comparación con las CCMs tradicionales. Los voltajes
más altos se produjeron con el CM durante los primeros días, mejorando un 42,9% con AS (r.
alto), además aumentó la intensidad de corriente un 50% con AS (r. alto) y 55,1% con AR (r.
bajo). Demostrándose así, que es posible construir CCMs con materiales de bajo costo y
reciclables, obteniéndose una mejor remoción de contaminantes y producción de
bioelectricidad con la aplicación de un CM de 95 mT.
PALABRAS CLAVE: CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS, CAMPO
MAGNÉTICO, AGUA RESIDUAL, DEGRADACIÓN, ENERGÍA ELÉCTRICA.
xix
Title: Evaluation of the application of the magnetic field in the production of electrical energy
from the degradation of domestic wastewater using batch-type microbial fuel cells
Autora: Dayanna Carolina Ñacato Chicaiza
Tutor: MSc. Raúl Alfonso Bahamonde Soria
ABSTRACT
The disposal of domestic wastewater has become an environmental problem, since it is
eliminated directly to the sewers without prior treatment, thus affecting the ecosystem. For this
reason, a low-cost and accessible technology such as microbial fuel cells (CCMs) has been
proposed, however, these systems have low efficiencies, for this reason a cell model coupled
to a static magnetic field (CM) was proposed, to improve the performance of it. This research
work shows the effect of the application of the CM in the production of electrical energy in
CCMs type H in batch, through the degradation of synthetic waters (AS), and domestic
residuals (AR) obtained from the Ubillús neighborhood (Parroquia Pintag -Pichincha Ecuador),
to two different COD (500 mg / L and 1000 mg / L). The cells were constructed with pipe
fittings, and cellophane paper membrane; for the generation of the CM, neodymium magnets
coupled parallel to the anode (electrode surface with biofilm) were used, generating a field
intensity of 95 mT. Control CCMs (0 mT) were also built. Their behavior was evaluated by
polarization curves, for one week (93 hours). It was demonstrated that the application of CM
improved the degradation of organic matter and decreased the operating time of the CCM to
two days, increasing by 59.31% and 45.10% the removal of COD in RA at low and high
concentration, respectively, compared to traditional CCMs. The highest voltages occurred with
the CM during the first days, improving 42.9% with AS (high R), in addition increased the
current by 50% with AS (high r) and 55.1% with AR (low r). Demonstrating this way, it is
possible to build CCMs with low cost and recyclable materials, obtaining a better removal of
contaminants and bioelectricity production with the application of a CM of 95 mT.
KEY WORDS: MICROBIAL FUEL CELLS, MAGNETIC FIELD, RESIDUAL WATER,
DEGRADATION, ELECTRICAL ENERGY.
1
Introducción
La disposición final sin tratamiento previo de las aguas residuales provenientes de diferentes
efluentes como hogares, industrias, etc.; se ha convertido en un problema de gran impacto
ambiental. Por tal motivo han surgido varios métodos de tratamiento de estas aguas, sin
embargo, dichos métodos requieren de alta tecnología y son de alto costo; por esta razón se ha
propuesto realizar celdas de combustible microbianas (CCMs), con materiales de bajo costo y
reciclables; según Logan (2008), dicha tecnología es una buena opción para la generación de
energía renovable (bioelectricidad) mediante la degradación de la materia orgánica presente en
aguas residuales. Según Falcón, Lozano, & Juárez (2009), las celdas de combustible
microbianas, ofrecen la posibilidad de convertir eficientemente compuestos orgánicos en
electricidad, ya que los microorganismos pueden oxidarlos totalmente empleando un electrodo
como único aceptor de electrones. Existen varios modelos de CCMs, y un gran número de
variables que intervienen en ellas, las cuales se pueden modificar, para optimizar su eficiencia;
por tal razón en esta investigación se construyeron celdas de combustible microbianas tipo H
en batch con la aplicación de un campo magnético (CM), para mejorar la eficiencia de la
misma.
En el capítulo I se aborda el planteamiento del problema, que corresponde a una
problemática de carácter ambiental, generada por la falta de tratamiento de aguas residuales.
En este capítulo se establece el objetivo general del proyecto el cual es evaluar la aplicación de
un campo magnético en la producción de energía eléctrica a partir de la degradación de aguas
residuales domésticas utilizando CCMs tipo batch. Además, se argumenta la justificación de
este proyecto como un potencial beneficio en la generación de bioelectricidad a partir de un
tratamiento eco-amigable con el ambiente.
En el capítulo II, antecedentes, se describen publicaciones o estudios, en los cuales se apoya
esta investigación, y con ayuda bibliográfica se redacta la fundamentación teórica. Una vez
definidas las variables, (independientes: DQO inicial, tipo de sustrato, campo magnético;
dependientes: intensidad de corriente, voltaje, eficiencia coulómbica y % de remoción de
DQO); se plantearon las hipótesis, en este caso la de trabajo, establece si es posible aumentar
la producción de bioelectricidad y la degradación de materia orgánica de aguas residuales
domésticas mediante la aplicación de un CM de 95 mT en CCMs tipo batch.
En el capítulo III, metodología, se describe el diseño de investigación utilizado en la
investigación. Se explica el uso de un enfoque cuantitativo, el nivel explicativo y el tipo de
investigación aplicada, documental y de laboratorio experimental. Con las variables planteadas
se construye un matriz de operacionalización de variables. Además, se especifica que se utilizó
la observación como técnica de recolección de datos, y el instrumento fue una guía de
observación, en la cual se registraron los datos experimentales de Demanda Química de
Oxígeno (DQO), la intensidad de corriente, la resistencia del circuito externo y el voltaje
producido por la celda.
2
En el capítulo IV, se muestran los resultados obtenidos en la investigación, el análisis y
discusión de los mismos, mediante el uso de gráficas y la interpretación estadística (del diseño
experimental).
En el capítulo V, se describen las conclusiones del trabajo de investigación. También se
incluyen recomendaciones para futuras investigaciones.
3
Capítulo I
El Problema
Planteamiento del Problema
Las aguas residuales, debido a la gran cantidad de sustancias tóxicas y microorganismos que
portan, pueden ser causa y vehículo de contaminación, especialmente en lugares donde son
evacuadas sin un tratamiento previo. Existen una gran variedad de aguas residuales, como por
ejemplo las domésticas, industriales, agrícolas, etc. Las aguas residuales de efluentes
domésticos e industriales, están constituidas por compuestos orgánicos y cantidades
significativas de materia orgánica y por lo tanto valores de DQO muy altos, razón por la cual
representan un problema de contaminación del agua, ya que causan efectos negativos sobre la
salud y el ambiente. (Espigares & Pérez, 2003)
La OMS indicó que el consumo de agua para actividades como beber, cocinar, higiene y
limpieza, es de 50 L/habitante-día. En Ecuador en el año 2012, el 76,5% de la población tuvo
acceso al agua potable, de lo cual el consumo medio de agua en los hogares al mes de la región
sierra fue de 27,3 m3, de lo cual parte es eliminada directamente a alcantarilla, ríos u otra fuente.
(INEC, 2013)
En el año 2015 en Ecuador la disposición final de agua residual no tratada a nivel nacional
fue del 59,26% en ríos, 25,19% en quebradas y 15,56% a otros sitios de descarga. Esto debido
a que algunas ciudades no cuentan con sistemas de tratamiento de agua residual, pero la mayor
parte de las provincias si cuentan con plantas de tratamiento de agua residual como son Azuay,
El Oro, Guayas, Pichincha, etc. (INEC, 2015)
Existe una variedad de tratamientos para este fin, ya sea por medios físicos, químicos o
biológicos, por ejemplo, la nanofiltración, fitorremediación, o fotocatálisis, pero estos
tratamientos presentan varias limitaciones, como por ejemplo un alto costo, y en su mayoría no
generan un subproducto utilizable inmediatamente. Razón por la cual una de estas nuevas
alternativas de tratamiento son las celdas de combustible microbianas (CCMs), en lo cual se
enfocó el presente proyecto, ya que este tipo de tratamiento ofrece la posibilidad de degradar
la materia orgánica presente en el agua residual, obteniéndose como subproducto la generación
de electricidad.
A pesar de las ventajas que presenta esta nueva tecnología, también es importante considerar
las desventajas de las mismas, según Buitrón & Pérez (2011), la disminución de la eficiencia
en la generación de electricidad y eliminación de los contaminantes, se debe a varios factores,
razón por la cual algunos de ellos son investigados para mejorar la eficiencia de la celda, como
son las especies que capaces de transferir electrones, el diseño, los materiales que constituyen
las celdas, la adición de mediadores químicos, membranas intercambiadoras de protones, y las
condiciones ambientales más favorables para la actividad microbiana, etc. No obstante, es
posible mejorar la eficiencia de las CCMs, a través de varios mecanismos, por ejemplo, la
aplicación de campos magnéticos, mejora la actividad enzimática y electroquímica de los
biofilms, lo cual implica un aumento en la actividad bacteriana y aceleración en la degradación
4
de contaminantes. (Tong, y otros, 2015). Por esta razón, en esta investigación se propuso la
aplicación de un campo magnético, que mejore el rendimiento de la celda, degradando la
materia orgánica presente en el agua residual doméstica de forma más rápida y generando al
mismo tiempo electricidad.
Formulación del Problema
¿A partir de la aplicación de un campo magnético en celdas de combustible microbianas
tipo batch, es posible mejorar la eficiencia de éstas al descontaminar aguas residuales
domésticas (disminución de DQO) y producir energía eléctrica a partir de este proceso?
Objetivos
Objetivo general.
Evaluar la aplicación de un campo magnético en la producción de energía eléctrica a partir
de la degradación de aguas residuales domésticas utilizando celdas de combustible microbianas
tipo batch, propuestas en el laboratorio de Energías Renovables de la UCE.
Objetivos específicos.
Elaborar un modelo de celda de combustible microbiana tipo batch con aplicación
de un campo magnético.
Evaluar el efecto del campo magnético en la remoción de contaminantes mediante
el uso de celdas de combustible microbianas, en aguas residuales sintéticas y reales.
Evaluar el efecto del campo magnético en la producción de electricidad por parte de
las celdas de combustible microbianas con aguas residuales sintéticas y reales.
Analizar y reportar las mejores condiciones de funcionamiento de las celdas de
combustible microbianas tipo batch.
Justificación e Importancia
En la actualidad el desecho de aguas residuales domésticas se ha convertido en una
problemática de gran impacto ambiental, esto debido a que no existe un tratamiento adecuado
antes de la disposición final del agua proveniente de diferentes fuentes como hogares,
industrias, etc.
Las aguas residuales provenientes de la industria, la agricultura y de las casas contienen
materia orgánica disuelta que requiere ser removida antes de ser descargada al ambiente.
Actualmente, existen procesos para remover los contaminantes orgánicos presentes en esta
agua de desecho, la mayoría de estos procesos son tratamientos aeróbicos, los cuales consumen
grandes cantidades de energía en el proceso de aeración. Sin embargo, el tratamiento de aguas
residuales ha empezado a ser reconocido como una fuente renovable para la producción de
electricidad lo cual podría emplearse para el mismo proceso de tratamiento de efluentes.
(Aelterman et al., 2006, Logan & Reagan, 2006).
Por lo tanto, las CCMs hacen posible la producción de una energía “verde” mediante la
explotación de la materia orgánica (contaminantes) contenida en las aguas residuales
5
domésticas e industriales y al mismo tiempo consiguiendo la depuración de las mismas. El
potencial de las CCMs es enorme dado que esta novedosa tecnología aporta importantes
ventajas funcionales y operativas sobre las tecnologías actualmente utilizadas para la
generación de energía y para la depuración de aguas a partir de oxidación de materia orgánica.
(Hernández, Pérez, Larrosa, Sánchez, & Lozano, 2011). A pesar de estas ventajas, como se
mencionó anteriormente, la eficiencia de las CCMs en la producción de energía es baja, y esto
se debe a varios factores por ejemplo el corto tiempo que se mantienen estables los compuestos,
el modelo de celda, los tipos de electrodos, etc., lo cual limita el tiempo de vida de la CCM.
Asimismo, Falcón, Lozano, & Juárez (2009), afirman que los problemas que actualmente
restringen el desempeño de las CCMs son diversos, entre ellos se encuentra la limitación
existente en su resistencia interna derivada de la transferencia de protones y su pobre cinética
de reducción de oxígeno al cátodo; por lo tanto, las posibles causas que disminuyen el
rendimiento en la generación de energía es: la falta de catalizadores, baja temperatura y área
de contacto en los electrodos, entre otros (Mendoza, 2004). Lovley propone que el flujo de
electrones en una CCM puede incrementarse hasta en 4 órdenes de magnitud si la bacteria
Geobacter transportara electrones al ánodo a la misma velocidad que lo hace hacia su aceptor
natural de electrones (Holzman et al. 2005). Razón por la cual, para poder incrementar la
energía producida por las CCMs, se conoce que al aplicar un campo magnético en bacterias
electrogénicas, éstas aceleran su metabolismo generando una mayor oxidación de la materia
orgánica presente en el sustrato y por ende mayor flujo de electrones (Yin, y otros, 2016);
debido a esto el presente proyecto se enfocó en la construcción de CCMs aplicando un campo
magnético de 95 mT.
Por lo mencionado anteriormente es evidente que ha surgido la necesidad de tratar el agua
proveniente de diversas fuentes, entre ellas las domésticas; pero muchos de los tratamientos
tienen un alto costo, razón por la cual el presente proyecto se enfocó en elaborar CCMs, con
materiales reciclables y de bajo costo, ofreciendo la posibilidad de degradar la materia orgánica
presente en el agua residual, y generando bioelectricidad como un subproducto. De esta manera
la producción de energía eléctrica, se convierte en una alternativa accesible, factible y sin
índices de contaminación, mejorando el cuidado del ecosistema y del ambiente.
6
Capítulo II
Marco Teórico
Antecedentes de la investigación
La presente investigación se realizó debido a la necesidad de producir energía eléctrica
renovable, es decir sin el uso de combustibles fósiles, aprovechando de esta forma la materia
orgánica (contaminante) presente en el agua residual, con lo cual aparte de generar
bioelectricidad también se contribuye a disminuir los valores de DQO que son un indicativo de
contaminación acuática. Por esta razón, se han realizado varias investigaciones con respecto a
la obtención de energía eléctrica, mediante celdas de combustible microbianas, para el
tratamiento de aguas residuales.
En el año 2008, Alzate, L., Fuentes, C., Álvarez, A., y Sebastián, P., realizaron un estudio
titulado: “Generación de electricidad a partir de una celda de combustible microbiana tipo
PEM”, el cual consiste en la elaboración de celdas de combustible microbianas, constituidas
por dos cámaras separadas por una membrana de intercambio protónico, se emplearon
electrodos de papel carbón y como biocatalizadores para el ánodo utilizaron un inóculo mixto
de bacterias anaerobias y como sustrato agua residual doméstica sintética. En este estudio se
determinó la influencia de varios factores sobre el rendimiento de la celda de combustible
microbiana, como la temperatura y el pH y concluyeron que se obtiene una mejor densidad de
potencia a una temperatura de 35 ± 5°C y un pH entre 5-6, además la eficiencia coulómbica
obtenida fue de 59,8%, con lo cual se puede concluir que este tipo de tecnología permite generar
electricidad y al mismo tiempo degradar la materia orgánica presente en el agua residual.
En el año 2013, se realizó una investigación por parte de Revelo, D., Hurtado, N. & Ruiz,
N., titulado “Celdas de combustible microbianas (CCMS): un reto para la remoción de materia
orgánica y la generación de energía eléctrica”, en el cual se explica cómo influyen ciertos
parámetros como arquitectura de la celda, función microbiana y tipo de sustrato, en el
desempeño de una celda de combustible microbiana. Se concluyó que la CCM es una
tecnología promisoria para propósitos de generación alternativa de energía, remoción de
materia orgánica y biorremediación; sin embargo, para aplicaciones prácticas es necesario
mejorar la eficiencia en los procesos bioelectroquímicos y en el desempeño eléctrico. (Buitrón
& Pérez, 2011)
Existen varios factores que afectan la eficiencia de la celda de combustible microbiana, uno
de ellos es el tipo de sustrato empleado, como se menciona en la investigación realizada por Li
Xiao, Tong & He (2013), cuyo estudio se titula “Recovery of Electrical Energy in Microbial
Fuel Cells”, en dicha investigación se estudiaron CCMs operadas continuamente y hace
referencia a la recuperación de energía eléctrica en CCMs a diferentes escalas, con diferentes
sustratos, con o sin membrana de intercambio iónico. En dicho estudio se menciona que los
sustratos puros conducen a un mejor rendimiento tanto en la potencia como en la recuperación
de energía, debido a esto los compuestos orgánicos son una fuente rica en electrones para la
generación de electricidad, razón por la cual son buenos sustratos, en este estudio se eligió un
sustrato simple como el acetato ya que presenta vías de degradación simple con menos pérdida
7
de energía, y conduce a densidades de potencia más altos que la glucosa; confirmando de esta
manera que el acetato es uno de los mejores sustratos para la CCM.
Como se mencionó anteriormente la eficiencia de las CCMs son deficientes, debido a ello
se ha tratado de buscar las mejores condiciones de operación, en lo que se refiere a
infraestructura de la celda, así como también tipos de microorganismos empleados. Por esta
razón desde hace tiempo ha surgido un interés por el estudio de los efectos biológicos de los
campos magnéticos en microorganismos, dicha información se puede encontrar en
investigaciones realizadas por Moore, R. (1979) y Velizarov, S. (1999), en los cuales se explica
las limitaciones, perspectivas y posibilidades que brindan los campos magnético y eléctrico en
la biotecnología microbiana.
De acuerdo con esto, en el año 2016, Yin & otros, realizaron un estudio titulado: “Increased
electroactive species concentration in anodic biofilm of Geobacter-inoculated microbial fuel
cells under static magnetic field”, en el cual plantean que mediante la aplicación de diferentes
campos magnéticos (100, 200 y 400 mT) a la cámara anódica de una CCM usando como
sustrato una solución de acetato, se logra un aumento en la intensidad de corriente, dicho campo
fue colocado de forma paralela al ánodo; en esta investigación se realizó una comparación entre
celdas con y sin campo magnético y se pudo comprobar que los mejores resultados se
obtuvieron aplicando un campo magnético de 100 mT, esto debido a que hay una mejora en la
eficiencia directa en la transferencia de electrones por bacterias Geobacter sulfurreducens.
Previo a esto, en el año 2013, Yin, Huang, Tong, Liu, & Zhang, realizaron un estudio
titulado: “Electricity production and electrochemical impedance modeling of microbial fuel
cells under static magnetic field”, en dicho estudio se emplearon celdas de combustible de dos
cámaras, a las cuales se le aplican campos magnéticos de 0, 100, 200 y 300 mT, y se confirmó
que a 100 mT se obtuvo un voltaje estable en menor tiempo en comparación a los otros valores
aplicados, por lo tanto lograron determinar un rango óptimo de campo magnético para los
microorganismos. Tong & otros (2015), en su estudio: “Application of a weak magnetic field
to improve microbial fuel cell performance”, confirmaron dicho comportamiento, mediante la
aplicación de un campo magnético de 100 mT, observaron un incremento en la intensidad de
corriente, y se concluyó que bajo la aplicación de dicho campo se mejora la actividad
bioelectroquímica de los microorganismos.
También en otras investigaciones se ha estudiado el efecto de los campos magnéticos en la
formación del biofilm anódico de las CCMs, uno de ellos fue realizado por Zhao, Li, Ren, &
Wang, (2016), cuyo estudio se titula: “Effect of static magnetic field on the performances and
anode biofilms in microbial fuel cells”, en el cual se estudió el efecto de la aplicación de
campos magnéticos estáticos altos y bajos y se concluyó que a valores de intensidad de campo
bajos (120 mT-220 mT) se observaron mejores resultados como un incremento en el voltaje,
eficiencia coulómbica y remoción de contaminantes, mientras que a campos magnéticos altos
( 360 mT) se observaron efectos negativos en el comportamiento de la CCM, ya que es
perjudicial para el crecimiento bacteriano.
8
Con lo expuesto anteriormente se evidencia que existen varios estudios sobre el ensamblaje
de las CCMs para la generación de electricidad y el tratamiento de aguas residuales,
degradando la materia orgánica presente en la misma, pero debido a que no se logran altas
eficiencias, se han evaluado varios modelos, modificaciones y variación en las condiciones de
las celdas y sus componentes, razón por la cual en esta investigación se planteó un modelo de
CCM tipo batch, a la cual se aplicó un campo magnético de 95 mT para mejorar la intensidad
de corriente y la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual doméstica.
Fundamentación Teórica
Aguas Residuales.
Se define como el tipo de agua procedente del empleo de un agua natural o de la red en un
uso determinado, contienen gran variedad de sustancias contaminantes; sin embargo, su
definición es compleja, ya que está en función de las características que se den en cada
población o industria, así como también del sistema de recogida que se emplea. (Osorio, Torres,
& Sánchez, 2010). Por lo tanto, se pueden clasificar en:
Aguas residuales domésticas: Son procedentes de zonas de vivienda y de servicios,
generadas principalmente por el metabolismo humano y las actividades domésticas.
(Centa, 2008)
Infiltraciones y aportaciones incontroladas: Son aguas que entran de forma directa
o indirecta en la red de alcantarillado. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010)
Aguas residuales industriales: todas las aguas residuales vertidas desde locales
utilizados para cualquier actividad comercial o industrial, que no sean aguas
residuales domésticas ni aguas de escorrentía pluvial.
Aguas pluviales: Son resultantes de las escorrentías superficiales, con metales
pesados como contaminantes. (Osorio, Torres, & Sánchez, 2010)
Contaminantes acuáticos.
Según Osorio & otros (2010), la composición de las aguas residuales puede ser muy
variable, ya que depende de muchos factores.
Los principales contaminantes que aparecen en las aguas residuales urbanas son:
Objetos gruesos: trozos de madera, trapos, plásticos, etc., que son arrojados a la red
de alcantarillado.
Arenas: bajo esta denominación se engloban las arenas propiamente dichas, gravas
y partículas más o menos grandes de origen mineral u orgánico.
Grasas y aceites: sustancias que al no mezclarse con el agua permanecen en su
superficie dando lugar a natas. Su procedencia puede ser tanto doméstica como
industrial. (Centa, 2008)
9
Sólidos en suspensión: partículas de pequeño tamaño y de naturaleza y procedencia
muy variadas Aproximadamente el 60% de los sólidos en suspensión son
sedimentables y un 75% son de naturaleza orgánica.
Sustancias con requerimientos de oxígeno: compuestos orgánicos e inorgánicos que
se oxidan fácilmente, lo que provoca un consumo del oxígeno presente en el medio
al que se vierten. (Centa, 2008)
Nutrientes (nitrógeno y fósforo): Debido principalmente a detergentes y
fertilizantes. Igualmente, las excretas humanas aportan nitrógeno orgánico.
Agentes patógenos: organismos (bacterias, protozoos, helmintos y virus), presentes
en mayor o menor cantidad en las aguas residuales y que pueden producir o
transmitir enfermedades.
Contaminantes emergentes o prioritarios: Estas sustancias aparecen principalmente
añadidas a productos de cuidado personal, productos de limpieza doméstica,
productos farmacéuticos, etc. (Centa, 2008)
Entre los distintos contaminantes que contiene el agua residual urbana, se encuentra
principalmente la materia orgánica, estos compuestos son de naturaleza reductora, suelen estar
presente de forma coloidal o disuelta. Puede subdividirse en varias categorías, como se observa
en la figura 2.1.
Figura 2.1. Subdivisión de la materia orgánica en las aguas residuales.
Fuente: Osorio, Torres, & Sánchez (2010)
Compuestos orgánicos de efluentes domésticos e industriales.
Existe una gran diversidad de compuestos orgánicos presentes en el ambiente acuático
causando la contaminación del mismo; ejemplos de éstos son los hidrocarburos, aromáticos
policíclicos, algunos de los cuales son cancerígenos, otros contaminantes son los fenoles que
provocan problemas de olor y sabor cuando reaccionan con el cloro en los procesos de
cloración del agua. Otras sustancias a tener en cuenta son los compuestos organometálicos, ya
que su presencia en el ambiente, incluso a pequeñas concentraciones, puede afectar a la cadena
alimentaria, alcanzando concentraciones mucho mayores en los organismos. Los de mayor
interés son los derivados del plomo, cadmio, estaño y mercurio. (Espigares & Pérez, 2003)
Materia Orgánica
No biodegradable
Soluble Particulada
Biodegradable
Rápidamente biodegradable
Soluble Particulada Soluble
Lentamente biodegradable
Paticulada
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Tabla 2.1 Composición típica de las aguas residuales domésticas
Fuente: (Metcalf & Eddy,1995)
Evaluación de la calidad del agua residual.
Los principales parámetros a ser evaluados son: sólidos suspendidos totales, demanda
química de oxígeno (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), contenido de nutrientes
(N y P), contenido de gérmenes y metales pesados. (Rojas, 2002)
El componente orgánico de las muestras de aguas residuales es estimado generalmente en
términos de las demandas de oxígeno utilizando la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO),
la Demanda Química de Oxígeno (DQO) y la Demanda Total de Oxígeno (DTO) o en términos
del Carbono Orgánico Total (COT). En la caracterización de las aguas residuales, de acuerdo
con la industria es necesario el análisis de otros compuestos orgánicos como son ácidos
orgánicos, alcoholes, aldehídos, fenoles y aceites específicamente en la industria petroquímica.
(Barba, 2002)
Barba, L. (2002), afirma que la caracterización inorgánica debe incluir pruebas que
suministren información sobre la toxicidad potencial del desecho (tales como metales pesados
y amoníaco), los contaminantes que requieran un tratamiento específico (como acidez o
alcalinidad, pH y sólidos en suspensión), la evaluación de nutrientes (nitrógeno o fósforo) y
sustancias interferentes o inhibidoras (como cloruros o sulfatos).
Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO).
Según Lozano (2013), la DBO es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica
contenida en una muestra de agua, determinada por el consumo de oxígeno que requieren los
microorganismos para degradar los compuestos biodegradables.
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Demanda Química de Oxígeno (DQO).
La DQO es una medida indirecta de la cantidad de materia orgánica (y la inorgánica
oxidable) o de carga contaminante orgánica contenida en una muestra; esta prueba emplea un
oxidante (K2Cr2O7) en un medio ácido (H2SO4). (Lozano, 2013)
El análisis de la DQO usa la oxidación química, para efectuar la misma reacción que
provocan los microorganismos con la materia orgánica, pero en este caso el carbono es oxidado
a anhídrido carbónico, permaneciendo el nitrógeno amino amoniacal en su mismo grado de
oxidación, el nitrógeno correspondiente a los nitritos se oxida a nitratos. La reacción se lleva a
cabo con las acciones combinadas de temperatura elevada, ácido sulfúrico carbonizador de la
materia orgánica, conjuntamente con el poder oxidante del dicromato potásico. (Gil Rodríguez,
2006)
Tratamiento de aguas residuales.
El tratamiento de las aguas residuales consta de un conjunto de operaciones físicas,
biológicas y químicas, que tienen como objetivo eliminar la mayor cantidad posible de
contaminantes antes de su disposición final, de forma que los niveles de contaminación que
queden en los efluentes tratados cumplan los límites legales existentes y puedan ser asimilados
de forma natural por los cauces receptores. (Alianza por el agua, Centa, 2008)
Tratamientos convencionales.
Según Reynolds (2002), los pasos básicos para el tratamiento de aguas residuales incluyen:
Pretratamiento.
Es la remoción física de objetos grandes. Comprende una serie de operaciones físicas y
mecánicas, que tienen por objetivo separar del agua residual la mayor cantidad posible de
materias, que por su naturaleza o tamaño, pueden dar lugar a problemas en las etapas
posteriores del tratamiento. (Centa, 2008)
Deposición primaria.
Corresponde a la sedimentación por gravedad de las partículas sólidas y contaminantes
adheridos. Los tipos fundamentales de tratamientos primarios son: el cribado o desbrozo, la
sedimentación, la flotación y la neutralización y homogeneización. (Ramalho)
Tratamiento secundario.
Corresponde a la digestión biológica usando lodos activados o filtros de goteo que fomentan
el crecimiento de microorganismos. (Reynolds, 2002)
Tratamiento terciario.
Corresponde al tratamiento químico (por ejemplo, precipitación, desinfección). También
puede utilizarse para realzar los pasos del tratamiento primario. (Reynolds, 2002)
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Tratamientos No convencionales.
Fotocatálisis.
Actualmente existen varias alternativas para el tratamiento de aguas residuales, uno de ellos
es la fotocatálisis como se menciona en un estudio realizado por Garcés & otros (2005), en el
cual se explica que la fotocatálisis con luz solar es un proceso de oxidación avanzada, en el
cual se utiliza la luz solar que llega a la superficie terrestre para generar reacciones químicas
de óxido reducción que dan lugar a la eliminación de los compuestos orgánicos, generalmente
se utiliza el dióxido de titanio (TiO2) como fotocatalizador.
Otra alternativa para el tratamiento de aguas residuales corresponde a las celdas de
combustible microbianas, mediante las cuales se degrada la materia orgánica y se obtiene como
subproducto electricidad.
Celdas de Combustible Microbianas.
Las celdas de combustible microbianas (CCMs) son dispositivos que utilizan
microorganismos que transforman la energía química contenida en compuestos orgánicos en
energía eléctrica, de forma directa, sin combustión (Logan et al., 2008).
Esto es posible cuando bajo ciertas condiciones algunos microorganismos transfieren los
electrones producidos en su actividad metabólica a un electrodo (ánodo) en lugar de a un
aceptor natural de electrones (como oxígeno). Este proceso contribuye a degradar la materia
orgánica representada como sustrato o combustible (Pant et al., 2010)
Arquitectura y funcionamiento de las celdas de combustible microbianas.
Una CCM está constituida principalmente de dos cámaras, una catódica y una anódica,
separadas por una membrana de intercambio protónico (MIP) y con un electrolito, que es el
medio de transporte iónico. (Logan y col., 2006).
La cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que al oxidarse por acción de los
microorganismos, generan electrones, protones y CO2. En cada una de las cámaras se coloca
un electrodo, el ánodo en la cámara anaeróbica y el cátodo en la cámara aeróbica (Du et al.,
2007), una vez los electrones se liberan en la cámara anódica, éstos son captados por el ánodo
y posteriormente transferidos hacia el cátodo mediante un circuito externo. Simultáneamente,
en la cámara anódica se generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del
separador (Li et al., 2011), donde se combinan con el oxígeno del aire para reducirse a agua
con los electrones que captan directamente del cátodo. (Revelo, Hurtado, & Ruiz, 2013)
Materiales de fabricación.
Los materiales empleados para la construcción de las CCMs, son de gran importancia ya
que éstos deben procurar maximizar la generación de energía y la eficiencia Coulómbica.
13
a) Ánodo.
Es el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación de la materia orgánica presente en el
sustrato. (Chang, 2002).
Para el ánodo, los materiales deben ser altamente conductores, no corrosivos, gran superficie
específica (área por volumen), alta porosidad, barato y fácil de fabricar y debe ser escalable a
tamaños mayores. (Logan, Microbial Fuel Cells, 2008)
Los electrodos utilizados pueden ser a base de carbono en papel, tela y formas de espuma.
Estos materiales tienen una alta conductividad y parecen ser adecuados para el crecimiento
bacteriano. El papel carbón es rígido y ligeramente quebradizo, pero se conecta fácilmente a
un alambre, el cual puede ser de cobre, pero se corroe con el tiempo, ya sea liberando cobre en
la solución (que puede ser tóxico para las bacterias) o haciendo que el electrodo se separe del
alambre. Los cables de acero inoxidable o de titanio funcionan mejor en una CCM. Otros
materiales que se utilizan en el ánodo son los polímeros conductores como la polianilina.
b) Cátodo.
En el cátodo se produce la reacción de reducción del oxígeno, que es el aceptor de electrones
más adecuado para una CCM debido a su alto potencial de oxidación, su disponibilidad, bajo
coste, la sostenibilidad y la no formación de productos contaminantes, ya que el producto
formado es agua. La elección de los materiales catódicos afecta en gran medida al rendimiento
y es muy diversa según el tipo de pila. El uso de cátodos en los que el único catalizador es
carbono presenta una cinética para la reducción de oxígeno muy lenta. (Falcón, Lozano, &
Juárez, 2009)
Generalmente se utilizan electrodos de carbono con catalizadores de Pt. El material
comúnmente utilizado es papel carbón comercialmente pre-cargado con un catalizador de Pt,
cuando el catalizador se aplica al carbono, debe ser retenido allí usando un material que permita
la transferencia de protones, electrones y oxígeno. Por lo tanto, el Nafion se usa debido a su
alta conductividad de protones y permeabilidad al oxígeno. (Logan, 2008).
Se han desarrollado CCMs de biocátodo o de cátodo microbiano (Huang et al., 2011), en las
que a diferencia de los cátodos abióticos, los microorganismos son usados como
biocatalizadores para aceptar electrones a partir del cátodo y así reemplazar el uso de
catalizadores químicos costosos. Los biocátodos son de dos tipos: (1) biocátodos aeróbicos que
usan oxígeno como el oxidante y microorganismos que asisten la oxidación de compuestos
metálicos de transición, tales como Mn (II) o Fe (II), para la entrega de electrones al oxígeno;
(2) biocátodos anaeróbicos que usan diferentes compuestos como aceptores terminales de
electrones, tales como: nitrato, sulfato, Mn (IV), Fe (III), selenato, arsenato, fumarato,
perclorato, cloroetenos, 2-clorofenol, ClO4-, U (VI), Cr (VI), H+, CO2, entre otros (Sharma y
Kundu, 2010; Huang et al., 2011).
c) Membrana de intercambio de protones (MIP).
La MIP un importante componente del sistema porque impide el paso de electrones de la
cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones. Puede ser de varios tipos: membrana de
intercambio de cationes (MIC), membrana de intercambio de aniones, membrana bipolar,
14
membrana de microfiltración, membrana de ultrafiltración, puente salino, fibra de vidrio,
membranas porosas y otros materiales para filtrado (Li et al., 2011).
La MIC más comúnmente utilizada es el Nafion 117; el código 117 se utiliza para distinguir
el espesor de la membrana (0,019 cm) de otros. Esta membrana fue desarrollada para su uso en
un HFC (celda de combustible de hidrógeno) y por lo tanto fue optimizada para crear un
ambiente estable y conductor para altas concentraciones de protones (bajo pH) en condiciones
donde el contenido de agua es cuidadosamente controlado. Sin embargo, este material se satura
completamente con agua en una CCM, produciendo un pH que refleja las propiedades de la
solución (probable pH neutro). (Logan, Microbial Fuel Cells, 2008)
A continuación, en la figura 2.2 se observa una gráfica de una CCM de dos cámaras, en la
cual se especifica la cámara anódica y catódica.
Figura 2.2. Componentes de una CCM de cámara doble
Fuente: Revelo, Hurtado, & Ruiz. (2013)
Una variante de la CCM de doble cámara se obtiene eliminando la cámara catódica y
exponiendo el cátodo directamente al aire, transformándose así en una CCM de una sola cámara
(Du et al., 2007). No obstante, es conocido que las CCMs de una sola cámara pueden tener un
separador, como las diseñadas por Park y Zeikus (2003) y Liu y Logan (2004) que utilizan una
MIP o también pueden prescindir de éste, como las utilizadas por Yang et al. (2009) para
estudiar su desempeño eléctrico.
Microorganismos en las CCMs.
Los microorganismos anaerobios evolucionaron durante millones de años utilizando varios
métodos para reducir los compuestos para apoyar el metabolismo, todos sin oxígeno gaseoso
para impulsar la respiración. Las bacterias que evolucionaron fueron probablemente capaces
de utilizar un número de diferentes tipos de aceptores de electrones, algunas bacterias
desarrollaron la capacidad de transferir electrones fuera de la célula, denominadas bacterias
exoelectrógenas, "exo-" para exocelulares y "electrógenos" basados en la capacidad de
transferir electrones directamente a un producto químico o material que no es el aceptador de
electrones inmediato. Las bacterias exoelectrogénicas se distinguen de estos anaerobios por su
15
capacidad de transportar directamente electrones fuera de la célula que les permite funcionar
en una CCM. Los biofilms electroquímicamente activos tienen gran importancia en el ambiente
natural, principalmente en la oxidación y reducción del metal y los efectos asociados sobre la
disolución mineral, el ciclo del carbono y la sorción y complejación de fósforo y metales
pesados. También pueden tener un papel más importante en el cumplimiento de una necesidad
de producción de bioenergía a través de la generación directa de electricidad. (Logan, Microbial
Fuel Cells, 2008)
Entre los microorganismos electrógenos, más estudiados se encuentran Geobacter y
Rhodoferax; los cuales poseen mecanismos de transporte de electrones internos y no requieren
la ayuda de mediadores para liberar dichos electrones al ánodo. La producción de electricidad
utilizando microorganismos electrógenos en una CCM tiene algunas ventajas significativas
(Bond & Lovley, 2003). Una de ellas es la completa oxidación de la materia orgánica a dióxido
de carbono que estos microorganismos hacen posible y que se traduce en una alta eficiencia
coulómbica en el proceso (Lovley & Nevin, 2008). Otra ventaja utilizando electrógenos es su
sustentabilidad a largo plazo. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)
a) Metabolismo Microbiano.
El metabolismo implica la totalidad de las reacciones química que se producen en un
organismo vivo, ya que las reacciones químicas liberan o consumen energía, el metabolismo
se puede concebir como una función de equilibrio energético. En consecuencia, se puede
dividir en dos clases de reacciones químicas: las que liberan energía y las que consumen
energía.
Las reacciones catabólicas o degradantes, son aquellas reguladas por enzimas que liberan
energía, es decir ocurre la degradación de compuestos orgánicos complejos para su conversión
en compuestos más simples. Un ejemplo es la degradación celular de los azúcares para formar
dióxido de carbono y agua.
Las reacciones reguladas por enzimas que requieren energía se relacionan con el
anabolismo, es decir la formación de moléculas orgánicas complejas a partir de moléculas más
simples. (Tortora, Funke, & Case, 2007)
El metabolismo microbiano requiere energía para la síntesis celular. Dependiendo del tipo
de aceptor/donador de electrones y la producción de energía asociada, una proporción variable
de los electrones aportados por la fuente de energía estará disponible para la síntesis de
biomasa.
La producción de energía del catabolismo depende de la oxidación y la reducción de los
productos químicos disponibles para los microorganismos. En una reacción dada, el donador
de electrones se oxida, mientras que el aceptor de electrones se reduce. El donador de electrones
se considera que es el sustrato de alta energía o "comida" de la reacción y una gran variedad de
compuestos pueden desempeñar esta función. El aceptor de electrones, por el contrario, es una
16
forma oxidada y está disponible en un número más limitado para los sistemas biológicos
(principalmente oxígeno, nitrato, nitrito, hierro (III), sulfato, dióxido de carbono). (López,
Buitrón, García, & Cervantes, 2017)
b) Formación de Biofilm.
Según Donlan (2002), un biofilm es “una comunidad microbiana sésil, caracterizada por
células que están adheridas irreversiblemente a un substrato o interfase, o unas con otras,
encerradas en una matriz de sustancias poliméricas extracelulares que ellas han producido, y
exhiben un fenotipo alterado en relación con la tasa de crecimiento y trascripción génica”. En
la figura 2.3 se muestra el proceso de formación de un biofilm.
Figura 2.3. Esquema del desarrollo de un biofilm sobre un sustrato
c) Mecanismos de transferencia de electrones.
El mecanismo de transferencia de electrones es un proceso en el cual los electrones
derivados de la oxidación de compuestos orgánicos son transferidos a la superficie externa de
la célula para reducir un aceptor terminal de electrones extracelular (Lovley, 2008). Existen
diferentes mecanismos para explicar cómo los microorganismos liberan los electrones al
electrodo: a) Transferencia directa con la participación de citocromos, b) Transferencia con
ayuda de mediadores externos o producidos por el mismo organismo y c) Transferencia por
medio de los nanocables bacterianos o pili. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)
Condiciones de operación.
El desempeño de una CCM depende de muchos factores incluyendo el tipo de
microorganismos utilizados, el tipo y concentración de biomasa utilizada como combustible,
fuerza iónica, pH, temperatura, y la configuración del reactor. (Liu et al., 2005). Los parámetros
de operación pueden ser regulados para bajar la polarización y de esta manera aumentar el
desempeño de una CCM. (Falcón, Lozano, & Juárez, 2009)
17
Evaluación de una CCM.
El rendimiento de una CCM debe evaluarse tanto desde el punto de vista de la producción
de energía como de la depuración simultánea de las aguas residuales empleadas. Para ello se
llevan a cabo medidas periódicas de voltaje y de DQO. A partir del voltaje (Epila) se puede
determinar la intensidad, la potencia y la eficiencia coulómbica de las celdas. (Hernández,
Pérez, Larrosa, Sánchez, & Lozano, 2011)
𝑃𝑉 =𝐸2
𝑝𝑖𝑙𝑎
𝑉𝑅𝐸𝑥𝑡 𝐸𝑐. 1
Donde Pv es la potencia volumétrica (W/m3), y V es el volumen total del reactor.
Con relación a la resistencia interna (RI) éste es un parámetro muy importante para
caracterizar un generador de corriente como lo es una CCM. Se puede obtener a partir del
análisis de las curvas de polarización que se derivan de las mediciones de voltaje en la
resistencia externa (Hoyos et al., 2007; Rismani-Yazdy et al., 2011), o por la técnica de
espectroscopia de impedancias (Hou et al., 2012; Fuentes-Albarrán et al., 2012), que se
fundamenta en la aplicación de una pequeña señal de voltaje a la celda electroquímica y
posterior medición de la corriente a través de ella (Ramírez et al., 2009).
Eficiencia coulómbica.
La eficiencia coulómbica, CE, se define como la relación entre el número de coulombios
realmente transferidos al ánodo desde el sustrato y el número máximo posible de coulombios
transferidos si todo el sustrato fuera capaz de producir corriente.
La generación de energía es un objetivo principal de operación de la CCM, pero también
busca extraer la mayor cantidad posible de electrones almacenados en la biomasa como
corriente y recuperar la mayor cantidad de energía posible del sistema. La recuperación de los
electrones se denomina Eficiencia Coulómbica, definida como la fracción (o porcentaje) de
electrones recuperados como corriente vs la materia orgánica de partida. La oxidación de un
sustrato se produce con la eliminación de electrones, con los moles de electrones definidos para
cada sustrato (be) sobre la base de escribir una media reacción. (Logan, Microbial Fuel Cells,
2008)
La eficiencia de Coulómbica, CE, se define como:
𝐶𝐸 =𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠
𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑠𝑢𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝐸𝑐. 2
El total de coulombios obtenidos se determina integrando la corriente frente al tiempo, con
el fin de poder obtener la eficiencia coulómbica de una CCM alimentada en modo por lotes,
Cb, evaluada durante un período de tiempo, que se calcula como:
𝐶𝐸 =𝑀
𝑚 ∫ 𝑖(𝑡)𝑑𝑡𝑡
𝑜
𝐹 ∙ ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑏 ∙ 𝑉 𝑥 100 𝐸𝑐. 3
18
Donde: Mm es la masa molecular de oxígeno (32 g/mol); i(t) es la intensidad de corriente (A
= C/s); F es la constante de Farafay (96485 C/mol de e-), ∆DQO es la variación de DQO durante
el tiempo transcurrido tb (DQOinicial - DQOt); b son los moles de electrones producidos por
mol de oxígeno y V es el volumen de líquido en la cámara anódica. La integral del numerador,
que equivale a la carga acumulada, se calcula por el método de los trapecios. (Hernández,
Pérez, Larrosa, Sánchez, & Lozano, 2011)
Curva de polarización y potencia.
El voltaje a circuito abierto (OCV) medido para una CCM es el voltaje máximo que se puede
obtener con el sistema, con las limitaciones impuestas por la comunidad bacteriana específica
y la obtenida del potencial a circuito abierto (OCP) del cátodo. Para una CCM, con cualquier
fuente de alimentación, el objetivo es maximizar la potencia de salida y por lo tanto obtener la
mayor densidad de corriente en condiciones de máximo potencial. Al reducir esa resistencia,
bajamos el voltaje. Por lo tanto, se busca tener la menor caída posible de voltaje a medida que
se incrementa la corriente para maximizar la producción de energía en el rango de interés
actual.
Se utiliza una curva de polarización para caracterizar la corriente como una función del
voltaje. Al cambiar la resistencia externa del circuito (carga) obtenemos un nuevo voltaje, y
por lo tanto una nueva corriente a esa resistencia, como se puede observar en la figura 2.4A.
Por lo tanto, para obtener una curva de polarización usamos una serie de diferentes resistencias
en el circuito, midiendo el voltaje en cada resistencia. Entonces se calcula la corriente como I
= E/Rext, o la densidad de corriente normalizando por un Área del electrodo (usualmente el
ánodo), y el voltaje del diagrama frente a la corriente para obtener la curva de polarización. La
curva muestra cómo la CCM mantiene un voltaje en función de la producción de corriente. En
la gráfica 2.4 B se puede observar la corriente y el voltaje del gráfico frente a la densidad de
corriente o corriente para obtener la curva de polarización; y la potencia, para obtener la curva
de densidad de potencia.
Figura 2.4. Curvas de Polarización y densidad de potencia de una CCM
Fuente: Logan, B. (2008).
19
La curva de densidad de potencia se calcula a partir del voltaje medido como P = E2/R, o
alternativamente como P = I2R. Los investigadores de CCM suelen utilizar la parte superior de
la curva de potencia para informar de la "potencia máxima". Cuando se reporta la polarización
y las densidades de potencia, es importante incluir el OCV y mostrar una curva completa hasta
la potencia máxima, e incluir algunos puntos a la derecha de la potencia máxima para establecer
completamente el pico en la curva de densidad de potencia. (Logan, Microbial Fuel Cells,
2008)
Factores que afectan el Voltaje de la Celda.
En la práctica, el voltaje medido a circuito abierto (OCV) (el que se mide cuando la CCM
no genera corriente) es menor que el voltaje teórico (Efem) debido a las pérdidas parásitas
(ηparásitas) (procesos que compiten por el sustrato, tales como fermentación, metanogénesis y
respiración aerobia) y al inherente crecimiento de la biomasa. El voltaje medido a circuito
cerrado es menor que el voltaje medido a circuito abierto. Estas diferencias son conocidas como
sobrepotencial o sobrevoltaje (EG&G Technical Services, 2004) y son definidas como el
voltaje necesario para activar las reacciones electroquímicas, a los procesos de transferencia de
masa que ocurren en las cámaras y al transporte de cargas en las CCM (Rismani-Yazdi et al.,
2008). El valor de estas pérdidas varía de un sistema a otro. (Cervantes, UNAM:
Biodegradación de aguas residuales y producción de electricidad en una celda de combustible
microbiana, 2011)
Las sobrepotenciales de los electrodos (es decir, pérdidas de voltaje) son más evidentes a
densidades de corriente bajas donde el voltaje disminuye rápidamente, pero debe reconocerse
que su magnitud en cualquier punto específico depende de la corriente (es decir, estos
potenciales cambian con la corriente específica). Se cree que los sobrepotenciales de electrodos
surgen de tres pérdidas básicas: (i) activación; (ii) metabolismo bacteriano; y iii) transporte de
masas. En la figura 3, se puede observar una gráfica que representa los diferentes tipos de
pérdidas en una CCM.
Figura 2.5. Características de una curva de polarización, mostrando regiones donde
diferentes tipos de pérdidas reducen la corriente útil
Fuente: Logan, B. (2008)
20
En la figura 3 se puede observar una primera región, en la que se observa una rápida pérdida
de voltaje a bajas corrientes, esto debido a pérdidas de activación, las cuales se deben a la
pérdida de energía (como calor) para iniciar las reacciones de oxidación o reducción, y la
energía perdida a través de la transferencia de un electrón de la proteína o enzima terminal
celular a la superficie del ánodo (es decir, el nanocable, mediador o terminal Citocromo en la
superficie celular). Estas pérdidas son especialmente evidentes a densidades de corriente bajas
(es decir, la primera región fig.2.5). Se pueden reducir utilizando catalizadores mejorados en
el cátodo, diferentes bacterias en el ánodo o mejorando la transferencia de electrones entre las
bacterias y el ánodo.
Las pérdidas de voltaje debidas al metabolismo bacteriano son inevitables ya que estas
pérdidas son una consecuencia de las bacterias que derivan energía de la oxidación del sustrato.
En principio, las bacterias necesitan suficiente energía sólo para bombear un protón a través de
una membrana usando el ciclo CAC, o para hacer 1 ATP mediante un método de fosforilación
de sustrato. Sin embargo, a menos que las bacterias sean diseñadas (o recién descubiertas) para
funcionar de esta manera de producción limitada de protones por sustrato oxidado, la mayoría
de las bacterias que utilizan el ciclo CAC son capaces de bombear muchos protones a través
de la membrana por NADH oxidado. De manera similar, las bacterias que fermentan sustratos
pueden producir varios ATP a partir de la oxidación del acetato. Por lo tanto, en la segunda
región de la figura 2.5 se puede observar las pérdidas óhmicas, las cuales son causadas por la
resistencia al transporte de iones a través del electrolito y membrana, y la resistencia al flujo
de electrones a través de los electrodos, colectores de corriente e interconexiones, y la
resistencia de contacto (EG&G Technical Services, 2004). La región de la caída constante de
voltaje se muestra por la línea roja sólida.
La concentración, o pérdidas de transferencia de masa, surgen cuando el flujo de reactivos
al electrodo o el flujo de productos del electrodo son insuficientes y por lo tanto limitan la
velocidad de reacción. Sin embargo, el flujo de protones desde el ánodo puede ser un problema
ya que la acumulación de protones disminuirá el pH local, afectando negativamente a la
cinética bacteriana. Transferencia de masa, transferencia de protones limitada al cátodo
también puede limitar la generación de energía, y dar lugar a un pH elevado en el cátodo (Kim
et al., 2007b). Por lo tanto, es importante mantener suficiente capacidad tampón en el sistema
y minimizar la acumulación de material.
Las pérdidas por transporte de masa se manifiestan como la caída de voltaje debido al
agotamiento de los reactivos y a la acumulación de los productos en el sitio de reacción. Las
pérdidas por transporte de masa dominan a densidades de corriente altas y presentan una forma
exponencial cóncava característica en las curvas densidad de corriente-voltaje, como se
observa en la tercera región de la figura 2.5. (Cervantes, UNAM: Biodegradación de aguas
residuales y producción de electricidad en una celda de combustible microbiana, 2011)
21
Influencia de Campos Magnéticos.
En el estudio realizado por Yin & otros (2016), se puede observar el comportamiento de una
CCM aplicando diferentes campos magnéticos. A continuación, se observa en la figura 2.6 las
gráficas de Voltaje vs Densidad de Corriente (Fig. 2.6 a) y Densidad de Potencia vs Densidad
de Corriente (Fig. 2.6 b).
Figura 2.6. Curvas de Polarización de CCM con con y sin aplicación de campos magnéticos
(MFC0 = 0 mT; MFC1 = 100 mT; MFC2 = 200 mT; MFC3 = 400 mT)
Fuente: Yin & otros. (2016)
En la Fig. 2.6a, se puede observar que la densidad de corriente aumenta mientras el voltaje
de la celda disminuye, se observó que la densidad de corriente y el voltaje a circuito cerrado
de las MFCs (CCM) bajo los campos magnéticos a diferentes resistencias externas son más
altos que los valores para MFC0 (sin campo magnético), indicando menor resistencia interna.
La curva de polarización representa el voltaje como una función lineal de la densidad de
corriente, a partir de la cual la resistencia interna se puede obtener como la pendiente. La
densidad de potencia máxima del reactor con campo magnético aumentó en comparación con
MFC0. Correspondiendo a estos resultados, la resistencia interna de MFC1, MFC2 y MFC3
fue inferior a la de MFC0. Por lo tanto, el rendimiento de producción de electricidad de las
CCM expuestos a un campo magnético fue mejor. Además, los resultados muestran que los
efectos de 400 mT fueron menores que los de 100 y 200 mT. Estos resultados indican que hay
un intervalo de intensidad campo magnético óptimo para los microorganismos. (Yin, y otros,
2016)
Campo Magnético.
La naturaleza fundamental del magnetismo es la interacción de cargas eléctricas en
movimiento, a diferencia de las fuerzas eléctricas, que actúan sobre cargas eléctricas ya sea
que estén en movimiento o no, las fuerzas magnéticas actúan sólo sobre cargas en movimiento.
Las fuerzas magnéticas surgen en dos etapas. Primero, una carga en movimiento o un conjunto
de cargas en movimiento (es decir, una corriente eléctrica) originan un campo magnético. A
continuación, una segunda corriente o carga en movimiento responde a este campo magnético,
y de este modo experimenta una fuerza magnética.
22
Una carga en movimiento o una corriente genera un campo magnético en el espacio
circundante (además de su campo eléctrico). El campo magnético ejerce una fuerza sobre
cualquier otra carga en movimiento o corriente presente en el campo.
Al igual que el campo eléctrico, el campo magnético es un campo vectorial, esto es, una
cantidad vectorial asociada con cada punto del espacio. El símbolo se utiliza para representar
el campo magnético. (Sears & Zemansky, 2009)
La fuerza sobre una carga q que se desplaza con velocidad en un campo magnético se
proporciona, tanto en términos de magnitud como de dirección, por:
= 𝑞 𝑥 𝐸𝑐. 4
En consecuencia, la unidad SI de es equivalente a IN·s/C·m, o bien, puesto que un ampere
es un coulomb por segundo (1 A = 1 C/s), 1 N/A•m. Esta unidad se llama tesla (se abrevia T)
en honor de Nikola Tesla (1857-1943), el destacado científico e inventor serbio
estadounidense: 1 tesla = 1 T = 1 N/A•m. Otra unidad de de uso común es el gauss (1 G =
10-4 T).
Todo campo magnético se puede representar por medio de líneas de campo magnético. En
cada punto una línea de campo magnético es tangente a la dirección de en ese punto, donde
las líneas de campo están próximas unas de otras, la magnitud del campo es grande. La figura
2.7 muestra las líneas de campo magnético generadas por varias fuentes comunes de campo
magnético.
Figura 2.7. Líneas de campo magnético creadas por varias fuentes comunes de campo
magnético
Fuente: Sears & Zemansky. (2009)
23
Movimiento de partículas con carga en un campo magnético.
Cuando una partícula con carga se traslada en un campo magnético, actúa sobre ella la fuerza
magnética y el movimiento está determinado por las leyes de Newton. La fuerza magnética
nunca tiene una componente paralela al movimiento de la partícula; por consiguiente, la fuerza
magnética nunca puede realizar trabajo sobre la partícula. Esto es válido incluso cuando el
campo magnético no es uniforme. El movimiento de una partícula con carga bajo la sola
influencia de un campo magnético siempre es con rapidez constante.
De acuerdo a la ecuación 4, la fuerza sobre una carga q que se desplaza con una velocidad
es proporcional a un campo magnético aplicado.
Fuerza magnética sobre un conductor que transporta corriente.
Las fuerzas magnéticas sobre las cargas en movimiento del interior del conductor se
transmiten al material del conductor, y el conductor en conjunto experimenta una fuerza
distribuida a todo lo largo de él. La fuerza siempre es perpendicular tanto al conductor como
al campo, con la dirección determinada por la misma regla de la mano derecha que aplicamos
a una carga positiva en movimiento. (Sears & Zemansky, 2009)
Imanes.
Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen ciertos materiales, en estado natural o
artificial, para atraer el hierro, dicha propiedad puede ser aprovechada para la transformación
de energía eléctrica en mecánica y viceversa. A los elementos que tienen esa propiedad de
atracción se les denomina imanes, y pueden clasificarse en permanentes o temporales
dependiendo de su capacidad para mantener el magnetismo.
Por lo tanto, un imán es un material que crea un campo magnético. Este campo es invisible,
pero crea una fuerza que puede “atraer” o “repeler” otros imanes y materiales magnéticos,
como hierro o níquel.
Los imanes de neodimio (figura 2.8), son imanes permanentes de alta energía, es decir
proporcionan intensidades de campo elevadas, son más potentes que los imanes cerámicos, ya
que poseen una elevada remanencia y son capaces de trabajar a elevadas temperaturas. (Martín,
2012)
8Figura 2.8. Imanes de Neodimio usados en las CCMs
24
Aplicación de un campo magnético en una CCM.
La aplicación de un campo magnético estático (CM) ha sido investigada como un nuevo
método para afectar la actividad bioelectroquímica y el crecimiento de bacterias.
Se conjetura que el papel del campo magnético en la CCM es mejorar la actividad
bioelectroquímica y reducir las pérdidas de activación del ánodo y la resistencia interna. (Yin,
y otros, 2016)
Las bacterias se han utilizado en los estudios con campos electromagnéticos a bajas
frecuencias (ELF-EMF por sus siglas en inglés). En particular, se ha demostrado que ELF-
EMF puede afectar positivamente o negativamente a parámetros funcionales (crecimiento
celular y viabilidad) Dependiendo de los parámetros físicos del campo electromagnético
(frecuencia y densidad de flujo magnético) aplicados, del tiempo de exposición y/o del tipo de
células bacterianas utilizadas. La posibilidad de un efecto sinérgico y/o antagónico evocado
por la combinación de campos magnéticos debidamente modelados y antibióticos específicos
merece una atención especial a la luz del riesgo que la resistencia antimicrobiana representa
para la salud pública. De acuerdo con estas consideraciones, el estudio de los efectos de ELF-
EMF sobre las bacterias es esencial no sólo para la investigación del estrés ambiental.
(Segatore, y otros, 2012)
Fundamentación Legal
De acuerdo a la Normativa Ambiental del Ecuador, en el Art. 201, que se titula: “De las
autorizaciones de emisiones, descargas y vertidos”, del libro VI de TULAS, se menciona que
no se autorizarán descargas ya sean aguas servidas o industriales, sobre cuerpos hídricos, cuyo
caudal mínimo anual, no pueda soportar la descarga; es decir, sobrepase la capacidad de carga
del cuerpo hídrico. El Art. 202 Reporte, especifica que el Sujeto de Control que origine
descargas, emisiones o vertidos hacia el ambiente, incluyendo sistemas de alcantarillado,
deberá reportar a la Autoridad Ambiental Nacional con la periodicidad que establece el régimen
de evaluación de impactos ambientales.
En el Art. 216 Tratamiento de aguas residuales urbanas y rurales, menciona que la Autoridad
Ambiental Competente en coordinación con la Agencia de Regulación y Control del Agua,
verificará el cumplimiento de las normas técnicas en las descargas provenientes de los sistemas
de tratamiento implementados por los Gobiernos Autónomos Descentralizados. Las
actividades productivas, se sujetarán a lo dispuesto en el presente Libro y a la normativa técnica
que para el efecto emita la Autoridad Ambiental Nacional. La gestión y el mantenimiento de
sistemas de tratamiento de agua deberán ser monitoreados y evaluados por medio de los
mecanismos de control y seguimiento establecidos en el Libro VI del Texto Unificado de
Legislación Secundaria.
De acuerdo a la Norma Técnica para control de descargas líquidas (NT002), todo efluente
líquido residual proveniente de establecimientos industriales, comerciales y de servicios,
pública o privada está sujeto a la aplicación de la presente norma técnica dentro del territorio
del Distrito Metropolitano de Quito; cuyo objetivo es “proteger la calidad del recurso agua
25
para salvaguardar y preservar los usos asignados, la salud e integridad de las personas, de
los ecosistemas y sus interrelaciones y del ambiente en general. Para ello, se establecen los
límites permisibles de concentración de contaminantes en los efluentes líquidos de origen
industrial, comercial y de servicios, vertidos al sistema de alcantarillado y cauces de agua”.
En dicha norma se especifican las disposiciones generales para la disposición final del agua
residual.
Hipótesis
Hipótesis de Trabajo Hi.
Es posible aumentar la producción de bioelectricidad y la degradación de materia orgánica
de aguas residuales domésticas mediante la aplicación de un campo magnético en celdas de
combustible microbianas tipo batch.
Hipótesis Nula Ho.
No es posible aumentar la producción de bioelectricidad y la degradación de materia
orgánica de aguas residuales domésticas mediante la aplicación de un campo magnético en
celdas de combustible microbianas tipo batch.
Sistema de Variables
Variable Independiente.
DQO inicial (Rango Alto y Rango Bajo):
Se define como Demanda Química de Oxígeno, y corresponde a la materia orgánica e
inorgánica que puede ser oxidada mediante el uso de sustancias químicas (oxidantes) como el
dicromato de potasio.
Tipo de Sustrato (Acetato y Agua residual doméstica de Ubillús):
Corresponde a la matriz que contiene la materia orgánica, la cual va a ser degradada en el
ánodo de la celda de combustible microbiana.
Campo Magnético (0 mT y 100 mT):
Es un campo de fuerza creado como consecuencia del movimiento de cargas eléctricas.
Variable Dependiente.
Intensidad de Corriente:
Se define como el coulomb de electrones por unidad de tiempo (segundos), se mide en
amperios.
Voltaje:
Es la energía necesaria para pasar un coulomb de electrones de un lugar a otro.
Eficiencia Coulómbica:
26
Se define como la relación entre el número de coulombios realmente transferidos al ánodo
desde el sustrato y el número máximo posible de coulombios transferidos si todo el sustrato
fuera capaz de producir corriente.
% Remoción de DQO:
Es la cantidad de materia orgánica e inorgánica que ha disminuido en un sustrato luego del
tratamiento; el DQO se determina mediante el método colorimétrico.
27
Capítulo III
Metodología de Investigación
Diseño de la Investigación
El enfoque depende de la realidad a investigar, en este caso es objetiva, es decir este trabajo
de investigación, se sustentó en un enfoque cuantitativo, dado por el método científico ya que,
según Hernández, Sampieri, Fernández, & Baptista (2006), este tipo de enfoque se caracteriza
por la recolección de datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y análisis
estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías.
El nivel de investigación que se aplicó es explicativo, debido a que este tipo de estudio,
pretende establecer las causas de los eventos, sucesos o fenómenos que se estudian, es decir se
centra en explicar por qué ocurre un fenómeno y en qué condiciones se manifiesta, o por qué
se relacionan dos o más variables, por lo tanto, están dirigidos a responder por las causas de
los eventos y fenómenos físicos o sociales. (Hernández, Fernández, & Baptista, 2006). Por tal
motivo en este estudio se evaluó la eficiencia coulómbica, el % de remoción de DQO, la
remediación de aguas residuales domésticas, así como también la producción de electricidad,
mediante la utilización de CCMs tipo batch aplicando un campo magnético.
Los tipos de investigación que se aplicaron para el desarrollo del trabajo de investigación
son los siguientes:
Por los objetivos a desarrollar, se empleó la investigación aplicada, ya que según Tamayo
(2004), este tipo de investigación también llamada dinámica o activa, se encuentra ligada a la
investigación pura, ya que depende de sus descubrimientos y aportes teóricos, pero busca
confrontar la teoría con la realidad.
Por la fuente de datos, se utilizó la investigación bibliográfica o documental, necesaria para
llevar a cabo el proyecto, ya que según Bernal (2006), la investigación documental consiste en
un análisis de la información sobre un determinado tema, con el propósito de establecer
relaciones, diferencias, etapas, posturas o estado actual del conocimiento respecto del tema
objeto de estudio; este tipo de investigación depende de la información que se obtiene o
consulta en documentos, cuyas fuentes pueden ser: documentos escritos (libros, periódicos,
revistas, actas notariales, tratados, conferencias escritas, etc.); documentos fílmicos y
documentos grabados (discos, cintas, etc.)
Por el lugar en donde se llevó a cabo el proyecto, se aplicó una investigación de laboratorio,
experimental. La experimentación en laboratorio se puede definir como un estudio en donde el
investigador crea una situación artificial de la vida real, en donde controla algunas variables y
manipula otras; donde él pueda observar y medir el efecto de la manipulación de las variables
independientes en la variable dependiente en una situación en donde los efectos de otras
variables hayan sido controlados. (Namakforoosh, 2005)
Fue una investigación experimental porque el proceso consiste en someter a un objeto o
grupo de individuos a determinadas condiciones o estímulos (variable independiente), para
28
observar los efectos que se producen (variable dependiente). Por lo tanto, hay manipulación y
control de las variables. (Arias, 2006)
Población y Muestra
En el presente estudio no se considera población y muestra, ya que se evaluó la producción
de energía mediante la construcción de celdas de combustible microbianas tipo batch, con la
aplicación de un campo magnético de 95 mT.
Métodos y Materiales
Método.
Para el presente trabajo de investigación se aplicó el método deductivo, ya que dicho método
parte de datos generales aceptados como válidos para llegar a una conclusión de tipo particular.
Los datos se obtuvieron para la evaluación de las CCMs, para cada variable respuesta en
función de los factores de estudio planteados.
Materiales.
Materiales para elaboración de electrodos.
Pilas D Eveready
Alambre de Níquel Titanio (Ni-Ti)
Recubrimiento plástico
Pega epóxica
Pega conductora
Taladro
Mechero
Materiales para la construcción de celdas.
Niples de PVC
T de PVC
Tapas de PVC
Bushing de PVC
Imanes de Neodimio 130 mT
Teflón
Jeringas 3 ml
Electrodos de Grafito
Membrana de papel celofán
Protoboard
Materiales para determinar DQO.
Tubos para muestras
Viales de vidrio con tapa
Bureta
Gradilla
29
Equipos.
Incubadora de CO2 (Binder CB 160)
Balanza Analítica (Marca Pioner, Modelo PA214C)
Refrigeradora (Marca Innova, Modelo IRAZZU 1000 NF)
Autoclave (Modelo TM-XD350)
Agitador Vórtex
Ultrasonido
Digestor de muestras DRB200 (Hach Company, Loveland, CO)
Espectrofotómetro DR1900 (Hach Company, Loveland, CO)
Centrifugadora (Ample Scientific – Champion S-33)
Bomba de Oxígeno de pecera
Multímetro (Proskit MT-1210)
Teslámetro (Phywe)
Potenciostato (Autolab)
Reactivos.
Para el tratamiento de electrodos.
Ácido Nítrico 5%
Ácido Sulfúrico 5 %
Para preparación solución ácida y digestora para DQO.
Ácido Sulfúrico 98% Para análisis
Dicromato de Potasio
Sulfato de Plata
Sulfato de Mercurio (II)
Para preparación del Sustrato.
Agua destilada tipo II
Acetato de Sodio
Cloruro de Amonio
Cloruro de Potasio
Fosfato monobásico de sodio
Fosfato de sodio dibásico
Solución de Vitaminas
Agua residual de la parroquia de Ubillús
Diseño Experimental
El diseño experimental usado para el análisis de datos, fue Factorial 2k, y la categorización
de variables se la realizó como se muestra a continuación.
30
En este caso el diseño factorial corresponde a 23, ya que se presentan tres factores de estudio:
DQO inicial, tipo de sustrato y campo magnético (A, B, C) con dos niveles cada uno, por lo
tanto, se construyó el arreglo factorial 2x2x2 (a x b x c), cuyo número de combinaciones de
tratamientos fue 8. El software Statgraphics fue utilizado como la herramienta de análisis
estadístico de los datos obtenidos.
Matriz de Operacionalización de las Variables
Tabla 13.1 Matriz de Operacionalización de Variables
VARIABLES DIMENSIONES INDICADORES
Ind
epen
die
nte
Demanda Química de
Oxígeno inicial DQO mg O2/L
Tipo de Sustrato Solución de Acetato
Agua residual
Sintética
Real
Campo Magnético Con campo magnético
Sin campo magnético mT
Dep
end
ien
te Intensidad de Corriente
Voltaje a circuito abierto
Eficiencia Coulómbica
% de Remoción de DQO
I
V
CE
R
mA
mV
%
%
Procedimiento
La investigación se llevó a cabo en 3 etapas divididas de la siguiente manera: muestreo del
agua residual, parte microbiológica, y parte electroquímica la cual incluye Construcción de
CCMs, Evaluación de CCMs, y Análisis Estadístico. A continuación, se detalla cada una de las
partes:
Toma de muestra de agua residual.
El muestreo del agua residual se llevó a cabo en la parroquia de Pintag, barrio Ubillús,
ubicado en la provincia de Pichincha, cantón Quito.
Para la toma de muestras se emplearon recipientes de polietileno con tapa, previamente
etiquetados; para evitar un cambio en los valores de DQO, las muestras se acidificaron (pH2)
y conservaron a 4°C, de acuerdo a la norma NTE INEN 2169:2013; posteriormente fueron
llevadas al Laboratorio de Energías Renovables de la UCE, para su uso. En la figura 3.1 se
muestra como se llevó a cabo la toma de muestras del agua residual proveniente de la descarga
final de las viviendas (entrada a planta de tratamiento Ubillús).
31
9Figura 3.1. Muestreo del agua residual doméstica en el Barrio Ubillús
Etapa Microbiológica.
Preparación de electrodos de grafito.
Obtención de electrodos y tratamiento.
Se utilizaron pilas tipo D Eveready recicladas, de las cuales se extrajo las barras de grafito
que fueron sometidas a la llama hasta rojo vivo con la ayuda del mechero, de esta manera se
logró activarlo y se eliminó la cubierta cerosa. Se realizó una digestión con ácido nítrico al 5%
durante 15 minutos, para eliminar interferencias debido a la presencia de materia orgánica y
metales; posteriormente se realizaron lavados con agua destilada tipo II, usando ultrasonido
durante 3 sesiones de 15 minutos.
Una vez obtenida la barra de grafito se procedió a realizar un agujero en uno de los extremos,
con la ayuda de un taladro y una broca de diámetro de 2mm y se introdujo el alambre de NiTi
(con pega conductora) y una cubierta plástica, todo se sujetó a la barra de grafito con pega
epóxica.
Para determinar si los electrodos conducían electricidad (si la conexión entre el alambre y
el grafito fue correcta) se midió la resistencia con un multímetro y se realizó una
32
voltamperometría cíclica (Anexo 1), la cual a su vez permitió determinar el área activa del
electrodo y clasificar qué electrodos funcionaban y cuáles que no cambiaron el área.
Inoculación de los electrodos. Preparación del Biofilm.
Para el aislamiento de bacterias, se extrajo 2 g de sedimentos de una muestra recolectada de
la represa de Paute. El cultivo fue sembrado por vertido en el medio DSMZ, e incubado por
aproximadamente dos semanas para que se produzca el crecimiento de las bacterias. (Bautista,
2017).
Se inyectó 0,2 ml del medio que contenía el Mix de bacterias, en un medio nutritivo
esterilizado (BHI), para alcanzar una concentración de 6x106 UFC/ml, previamente los
electrodos de grafito fueron introducidos en este medio. Se suministró CO2 durante 3 minutos
para proporcionarle un ambiente anaerobio a las bacterias, y se incubó durante 5 días. En la
figura 3.2 se observa los electrodos inoculados.
10Figura 3.2. Electrodos inoculados con bacterias Geobacter y Mix en BHI, después de 5
días de incubación
Etapa Electroquímica.
Preparación del sustrato (Anolito).
Agua Residual Sintética (Solución de Acetato): Se preparó 250 ml de una solución que
contiene: 0,25 g de CH3COONa (rango bajo); 0,0775 g de NH4Cl; 0,0325 g de KCl; 0,7342 g
de NaH2PO4.H2O; 2,58 g de Na2HPO4.12H2O. Se esterilizó y finalmente se añadió 5 ml de
solución de vitamina, la concentración final de DQO de los sustratos fueron ajustados a DQO
iniciales de (500 y 1000) mg/L
11Figura 3.3. Sustratos para las CCMS. a) Agua Residual Sintética, y b) Agua Residual
Doméstica
33
Agua Residual Doméstica: La muestra proveniente de la entrada de la planta de tratamiento
de la parroquia de Pintag, barrio Ubillús, ubicado en la provincia de Pichincha; fue filtrada con
gasas (figura 3.4) para eliminar los sólidos sedimentables y suspendidos, posteriormente fue
esterilizada y finalmente las muestras fueron conservadas a 4°C, de acuerdo a la norma NTE
INEN 2169:2013.
12Figura 3.4. Filtración del agua residual doméstica
Construcción de las CCMs tipo batch.
La CCM tipo H fue construida usando accesorios de tubería de PVC (niple, bushing, T,
tapas) como se observa en la figura 3.5; la cámara anódica y catódica fue separada mediante
una membrana de intercambio protónico, en este caso de celofán.
13Figura 3.5. Accesorios de tubería usados en el ensamblaje de las CCMs
En la cámara anódica se colocó el electrodo inoculado con bacterias anaerobias, el sustrato
(agua residual doméstica o sintética), y de acuerdo a la escala de McFarland, se adicionó un
volumen calculado de UFC de Geobacter y Mix, hasta alcanzar el valor de 6x106 UFC/ml,
finalmente se colocó una jeringa de 3 ml (para recolectar la muestra), se cerró herméticamente
y se hizo pasar una corriente de CO2 para generar un ambiente anaerobio.
En la cámara catódica se colocó agua destilada y un electrodo sin inocular, y se burbujeó
aire mediante una bomba de pecera.
34
14Figura 3.6. Celda de Combustible microbiana
Aplicación de campo magnético a las CCMs tipo batch.
Para la evaluación de la influencia del campo magnético en las CCMs, se realizaron ensayos
en ausencia del campo y aplicando una intensidad de campo magnético de 95 mT, como se
muestra más adelante.
Medición de la Intensidad de Campo Magnético.
La intensidad de campo de un imán de neodimio fue medida, con un Teslámetro (Figura
3.7), colocando los imanes sobre la pared lateral de la cámara anódica (T de PVC) y se midió
la intensidad de campo a una distancia de 1,0 cm cuyo valor representa la distancia entre el
imán y el electrodo en la CCM (Figura 3.8).
15Figura 3.7. Teslámetro
16Figura 3.8. Medición de la intensidad de Campo magnético de los imanes de neodimio a
una distancia de 1,0 cm
35
Ensamblaje de celdas con Campo Magnético.
La CCM ensamblada fue acoplada con 2 imanes de neodimio, con el polo N sobre la pared
de la cámara anódica (figura 3.9). Investigaciones preliminares confirman que cambiar la
dirección del CM (polo S), no produce cambios significativos en el voltaje. (Zhao, Li, Ren, &
Wang, 2016)
Se alcanzó una intensidad de campo de 95 mT a una distancia de 1,0 cm entre los imanes y
el electrodo inoculado; con la finalidad de que las líneas de inducción magnética fueran
paralelas a través del electrodo, y perpendiculares a la superficie del electrodo con biofilm.
17Figura 3.9. Esquema 3D del acoplamiento CCM - Campo magnético
Los polos del imán fueron determinados mediante una brújula, para lo cual se colocó una
de las caras del imán hacia la aguja de la brújula (si la cara del imán atrae la aguja esta cara es
el polo sur magnético si la rechaza es el polo norte magnético).
Las líneas de campo magnético fueron determinadas usando limaduras de hierro. Se colocó
una hoja sobre el imán, y sobre esto se esparcieron las limaduras de hierro, las cuales se
dispusieron proyectando las líneas de inducción magnética generadas por el imán. A
continuación, en la figura 3.10, se observa el acoplamiento de las CCMs con los imanes de
neodimio, ensambladas en el laboratorio de Energías Renovables de la UCE.
18Figura 3.10. CCMS acopladas a imanes de neodimio
36
Evaluación de las celdas.
La evaluación de las CCMs, se llevó a cabo mediante los siguientes parámetros: voltaje,
intensidad de corriente, curvas de polarización, DQO, % remoción y % eficiencia coulómbica.
Voltaje a CA.
El voltaje generado por la CCM fue medido a circuito abierto usando un multímetro Proskit
MT-1210.
Intensidad de Corriente.
La intensidad de corriente generada por la celda fue calculada mediante la Ley de Ohm (𝑉 =
𝐼𝑅).
Curva de Polarización.
La gráfica de la diferencia de potencial vs densidad de corriente fue realizada usando los
datos del voltaje medido a circuito cerrado utilizando resistencias de 100, 300, 510, 820, 1500,
2200, 3000, 5100, 10000, 15000, 20000 51000 y 100000 Ω. Para la densidad de corriente se
consideró el área activa del electrodo, que fue determinada mediante voltamperometría cíclica.
De igual manera se procedió para la gráfica densidad de potencia vs densidad de corriente.
% Eficiencia Coulómbica.
La eficiencia coulómbica se determinó mediante la ecuación 3, y se reportó el valor en
porcentaje.
Determinación de DQO.
Se realizó según el método colorimétrico a reflujo cerrado (5220 D) del Standard Methods
for the Examination of Water and Wastewater. (American Public Health Association, 1999)
La muestra de las CCMs fue extraída cada día, y centrifugada durante 20 minutos,
posteriormente fueron colocados 2 ml en los viales de DQO seleccionados. Una vez en el tubo,
se agitó con vórtex y fue colocada en el digestor a 150 °C durante 2 horas. Transcurrido este
tiempo, se midió la absorbancia a una longitud de onda de 620 nm.
Mediante una curva de calibración (Anexo 2) se calculó la concentración correspondiente a
mg O2/L.
% Remoción de DQO.
La degradación de la materia orgánica fue evaluada mediante el % remoción generado por
la CCM, el cual fue calculado mediante la siguiente ecuación:
% 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑉𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙∗ 100
37
Técnicas e Instrumentos de Recolección y procesamiento de Datos
Técnica de Recolección de Datos.
La técnica empleada para la recolección de datos fue la observación la cual es una técnica
bastante objetiva de recolección. Según Yuni & Urbano (2006), la observación científica es
una técnica de recolección de información consistente en la inspección y estudio de las cosas
o hechos tal como acontecen en la realidad mediante el empleo de los sentidos (con o sin
tecnología), conforme a las exigencias de la investigación científica. En este caso se utilizó la
observación de laboratorio ya que tiene cierto carácter experimental y comprende la
observación minuciosa y detallada de un fenómeno en un sitio especialmente previsto para
hacer la observación.
Instrumento de recolección de datos.
Para la presente investigación se utilizó como instrumento de recolección de datos una guía
de observación, en la cual se registraron todos los datos experimentales obtenidos, para las
variables respuesta como el voltaje a circuito abierto, los voltajes a determinadas resistencias
(curva de polarización), los valores de DQO, y la intensidad de corriente, durante 5 días (93
horas) para cada CCM.
Validez.
El instrumento de recolección de datos, fue una guía de observación, que fue validada por
el MSc. Raúl Bahamonde, a través de una matriz de validación, en la cual se establece si hay
concordancia entre los indicadores con los objetivos, variables, dimensiones, e indica si el uso
de lenguaje y escalamiento son adecuados.
Técnicas de Procesamiento de Datos (análisis estadístico)
Para el análisis de los resultados se recopilaron los resultados obtenidos para cada variable
respuesta y se realizaron las gráficas correspondientes en función del tiempo, para determinar
el comportamiento de las CCMs.
El análisis estadístico se llevó a cabo con un diseño factorial 2k con tres réplicas, y se evaluó
mediante herramientas estadísticas (ANOVA; Análisis LSD), las mejores condiciones a las que
las CCMs tipo batch generaron mayor cantidad de energía eléctrica y la mejor remoción de
contaminantes, para este fin a continuación se muestra la categorización y la codificación de
las variables y sus niveles.
Tabla 23.2. Caracterización y Codificación de variables
Factor de
Estudio
Niveles Factores
Respuesta Valores
Originales Valores Codificados
DQO inicial 500 ppm -1 Eficiencia
Coulómbica 1000 ppm +1
38
Sustrato
Agua Residual
Sintética AS
Intensidad de
Corriente
Voltaje
% Remoción de
DQO
Agua Residual
Doméstica AR
Campo
Magnético
0 mT -1
95 mT +1
El estudio factorial de tres factores (A: DQO inicial; B: tipo de sustrato; y C: campo
magnético), permitió investigar los efectos: A, B, C, AB, AC, BC y ABC, por lo tanto, se
plantearon las siguientes hipótesis:
𝐻𝑜: Efecto A = 0; 𝐻𝑎: Efecto A ≠ 0
𝐻𝑜: Efecto B = 0; 𝐻𝑎: Efecto B ≠ 0
𝐻𝑜: Efecto C = 0; 𝐻𝑎: Efecto C ≠ 0
𝐻𝑜: Efecto AB = 0; 𝐻𝑎: Efecto AB ≠ 0
𝐻𝑜: Efecto AC = 0; 𝐻𝑎: Efecto AC ≠ 0
𝐻𝑜: Efecto BC = 0; 𝐻𝑎: Efecto BC ≠ 0
𝐻𝑜: Efecto ABC = 0; 𝐻𝑎: Efecto ABC ≠ 0
A continuación, se muestra el ANOVA que se empleó para probar las hipótesis indicadas
anteriormente.
Tabla 33.3. ANOVA para el diseño factorial a x b x c (2 x 2 x 2)
Fuente de
Variación
(FV)
Suma de
Cuadrados
(SC)
Grados de
Libertad (GL)
Cuadrados
Medios (CM)
Fo
Efecto A SCA a – 1 CMA CMA/CME
Efecto B SCB b – 1 CMB CMB/CME
Efecto C SCC c – 1 CMC CMC/CME
Efecto AB SCAB (a – 1)(b – 1) CMAB CMAB/CME
Efecto AC SCAC (a – 1)(c – 1) CMAC CMAC/CME
Efecto BC SCBC (b – 1)(c – 1) CMBC CMBC/CME
Efecto ABC SCABC (a – 1) (b – 1)(c – 1) CMABC CMABC/CME
Error SCE abc(n – 1) CME
Total SCT abcn – 1
Para realizar comparaciones entre los tratamientos se utilizó el método de diferencia mínima
significativa (LSD), ya que es la diferencia mínima que debe haber entre dos medias muestrales
para poder considerar que los tratamientos correspondientes son significativamente diferentes,
para ayudar a la interpretación de estos resultados se utilizó el diagrama de Pareto y el gráfico
de efectos principales.
39
Capítulo IV
Análisis y Discusión de Resultados
Resultados
Evaluación del CM.
Los imanes colocados a 1,0 cm de distancia de la sonda del Teslámetro, generaron una
intensidad de campo de 95 mT.
En la figura 4, se observa cómo las limaduras de hierro proyectaron las líneas de inducción
magnética generadas por los imanes de neodimio.
19Figura 4. Líneas de campo de los imanes de Neodimio
Como se observa en la figura 4, la disposición de las líneas del CM fueron paralelas a través
del electrodo, y perpendiculares a la superficie del electrodo con biofilm, aplicando de esta
manera una intensidad de campo de 95 mT sobre el electrodo inoculado, lo cual tuvo efecto
sobre la actividad enzimática y bioelectroquímica del biofilm, por ende se generaron mejores
voltajes e intensidades de corriente (como se explica más adelante), ya que según Yin & otros
(2016), la presencia de CM hace más eficiente el proceso de transferencia de electrones.
Evaluación de las CCMs.
Se realizaron tres réplicas de cada ensayo. A continuación, se presentan los valores
promedios obtenidos de cada variable respuesta (voltaje, intensidad de corriente, % remoción
y % CE), para cada factor de estudio (sustrato, DQO inicial, campo magnético).
Voltaje.
a) Blancos
Se evaluó el crecimiento bacteriano en ausencia de nutrientes (con y sin CM), realizando
ensayos de blancos (agua destilada como anolito y electrodo con biofilm) para observar el
40
efecto del crecimiento bacteriano sobre el voltaje, la intensidad de corriente y el DQO, en
sustratos sin materia orgánica.
En la figura 4.1, se muestran los resultados obtenidos del voltaje en ausencia y presencia de
CM.
20Figura 4.1. Comportamiento del Voltaje a circuito abierto de las CCMs (blancos) con
Campo magnético 0 mT y 95 mT
Como se puede apreciar en la figura 4.1, a pesar de no existir materia orgánica en el agua
destilada, si hay producción de voltaje, pero la intensidad de corriente es baja (Anexo G: tabla
4.8); esto debido a que las bacterias no cuentan con la materia orgánica necesaria para producir
electrones.
Se observa que a medida que pasa el tiempo hay una disminución evidente de voltaje hasta
las 40 h, a partir del cual se observa un comportamiento casi constante; esto concuerda con los
valores obtenidos de DQO (Anexo G: tabla 4.3), es decir que conforme pasa el tiempo empieza
la fase de muerte celular de las bacterias y por lo tanto hay una caída de voltaje.
b) Agua Sintética
Para este sustrato se trabajó con dos concentraciones (rango bajo: 500 mg/L y rango
alto: 1000 g/L).
En la figura 4.2 y 4.3 se muestran los valores del voltaje a circuito abierto generados por las
CCMs con AS a rango bajo y alto, con y sin la aplicación de CM, en el transcurso de 93 horas.
247,00
417,25
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
0 20 40 60 80 100
V (
mV
)
t (horas)
Voltaje
Blanco SIN CM Blanco CM
41
21Figura 4.2. Voltaje a CA de las CCMs
con AS (500 mg/L), Campo magnético = 0
mT y 95 mT
22Figura 4.3. Voltaje a CA de las CCMs
con AS (1000 mg/L) Campo magnético =
0 mT y 95 mT
Como se puede observar en la figura 4.2 y 4.3, el comportamiento del voltaje con AS a
rango bajo y alto son muy similares. Se puede evidenciar que los primeros días de
funcionamiento de las CCMs (20 h), se generaron los voltajes más altos con la aplicación del
CM (600 mV), y a partir de este tiempo se observa una brusca caída de voltaje (fase declive),
lo cual no sucede con las CCMs sin CM ya que estas celdas inicialmente producen voltajes
pequeños (380 mV), sin embargo, la pérdida de voltaje es menor, esto puede ser explicado
por los resultados obtenidos de DQO (Anexo G: tabla 4.12), ya que mediante la aplicación de
95 mT se produce una mayor degradación de la materia orgánica las primeras 20 h, tiempo a
partir del cual empieza la fase de muerte celular de las bacterias porque ya no cuentan con la
materia orgánica (nutrientes) necesaria para producir electrones, por lo tanto hay una caída de
voltaje.
c) Agua Residual
A continuación, en la figura 4.4 y 4.5, se muestran los voltajes generados por las CCMs con
AR de Ubillús a rango bajo y alto, con y sin campo magnético, para cada día de funcionamiento.
23Figura 4.4. Voltaje a CA de las CCMs
con AR (Ubillús) 500 mg/L, Campo
magnético = 0 mT y 95 mT
24Figura 4.5. Voltaje a CA de las CCMs
con AR (Ubillús)1000 mg/L, Campo
magnético = 0 mT y 95 mT
386,00
559,67
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
0 50 100
V (
mV
)
t (horas)
AS - R. BAJO
AS - R. Bajo SIN CM AS - R. Bajo CM
346,67
607,67
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
0 50 100
V (
mV
)
t (horas)
AS - R. ALTO
AS - R. Alto SIN CM AS - R. Alto CM
188,25
351,67
0
100
200
300
400
0 50 100
V (
mV
)
t (horas)
AR - R. BAJO
AR - R. Bajo SIN CM AR - R. Bajo CM
250,00
385,67
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
0 50 100
V (
mV
)
t (horas)
AR - R. ALTO
AR - R. Alto SIN CM AR - R. Alto CM
42
Las figuras 4.4 y 4.5 muestran los voltajes generados por las CCMs usando AR, se observa
que con la aplicación de CM a las 20 h, se produjeron voltajes más altos que las celdas
normales, pero al segundo día se observa una brusca caída de voltaje (fase declive), debido a
lo explicado anteriormente con el AS.
Sin embargo, se puede apreciar que a diferencia del sustrato puro (AS), los voltajes
generados con el AR fueron más bajos, siendo el valor más alto 385, 67 mV (rango alto), esto
es porque el AR obtenida del Barrio Ubillús, al ser proveniente de diversos hogares, es un
sustrato complejo, ya que contiene una diversidad de contaminantes tanto orgánicos como
inorgánicos, sólidos suspendidos, sedimentables, coloides, etc.; por tal motivo es más difícil el
transporte de electrones, debido a esto las aguas sintéticas generan mejores voltajes.
Curvas de Polarización.
a) Agua Sintética.
Rango Bajo.
En la tabla 4.1 se observan los valores promedio de intensidad de corriente máxima,
densidad de corriente y densidad de potencia, producida por las CCMs con y sin campo
magnético, para cada día; en ambos casos se observa que los valores más altos de estas
variables se obtienen a las 20 horas (resaltado con celeste) a una resistencia externa de 100 Ω.
Sin embargo, las CCMs con 95 mT generaron potencias y corrientes más altas.
Tabla 44.1. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AS (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT
CM = 0 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente
Imáx (mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 390,0 4,9000 1,2492 0,0128 0,0103 0,6613
20 100,0 17,3333 1,2492 0,1733 0,1388 24,0693
45 150,0 11,6667 1,2492 0,0744 0,0596 6,6800
69 100,0 6,3333 1,2492 0,0633 0,0507 3,2288
93 150,0 3,6667 1,2492 0,0278 0,0222 0,8094
CM = 95 mT t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente I
(mA) max
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 100,0 8,5333 1,2492 0,0853 0,0683 6,1737
20 100,0 23,1000 1,2492 0,2310 0,1849 43,8128
45 100,0 2,3333 1,2492 0,0233 0,0187 0,4744
69 150,0 1,9667 1,2492 0,0132 0,0106 0,2082
93 100,0 0,9333 1,2492 0,0093 0,0075 0,0752
43
A continuación, la figura 4.6 muestra la curva de polarización (Potencial vs densidad de
corriente) de las CCMs con AS a rango bajo con y sin la aplicación del CM evaluadas durante
5 días.
25Figura 4.6. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (500mg/L), con 0
mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 1 Día 1 CM
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 2 Día 2 CM
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 3 Día 3 CM
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,000 0,020 0,040 0,060
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 4 Día 4 CM
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 5 Día 5 CM
a) b)
c) d)
e)
44
Se puede observar en las gráficas sin campo magnético (día 1 y día 2) una pérdida de voltaje
a bajas corrientes, lo que indica pérdidas por activación, debido a que se requiere de la energía
de activación necesaria para que ocurra la reacción redox, durante la transferencia de electrones
desde o hacia un compuesto que reacciona en la superficie del electrodo. (Logan, Microbial
Fuel Cells, 2008). Mientras que en las gráficas de las CCMs con 95 mT, se observa que la
pérdida de voltaje del día 1 y 2 es menor, esto se justifica debido a la aplicación del campo
magnético, puesto que según Tong & otros (2015) bajo la exposición de campos magnéticos
adecuados, las pérdidas de activación de las CCMs disminuyen, ya que se mejora la actividad
bioelectroquímica de los microorganismos.
En la figura 4.7 se observan las gráficas de la densidad de potencia vs densidad de corriente,
de las CCMS con AS rango bajo de cada día.
0,000
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
120,000
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 1 Día 1 CM
0,000
50,000
100,000
150,000
200,000
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 2 Día 2 CM
0,000
5,000
10,000
15,000
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 3 Día 3 CM
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
0,000 0,020 0,040 0,060
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 4 Día 4 CM
a) b)
c) d)
45
26Figura 4.7. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS
(500mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.
En la figura 4.7 se puede apreciar que mediante la aplicación del CM hay una generación
de potencia más alta los dos primeros días, ya que en estos días la diferencia de potencial es
más alta, sin embargo, a partir del día 3 las gráficas de densidad de potencia indican valores
más bajos, este es porque en los primeros días se produjo la mayor degradación de la materia
orgánica, debido al mejoramiento del metabolismo microbiano por acción del CM y por ende
los últimos días las densidades de potencia son bajas, mientras que sin CM se observa lo
contrario, porque las bacterias necesitan más tiempo para adaptarse.
Rango Alto.
A continuación, en la tabla 4.2 se puede apreciar los valores promedio de potencial, densidad
de corriente y potencia, y las mediciones del voltaje a diferentes resistencias. Se observa el
mismo comportamiento que el AS a bajas concentraciones. La máxima potencia e intensidad
de corriente se observa a las 20 horas obteniéndose los siguientes valores 0,1203 mA; 14,63
mW/m2 (0 mT) y 0,2410 mA; 47,2551 mW/m2 (95 mT).
Tabla 54.2. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AS (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT
CM = 0 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente
Imáx (mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 150,0 5,6667 1,2492 0,0352 0,0282 1,5357
20 100,0 12,0333 1,2492 0,1203 0,0963 14,6393
45 100,0 8,5000 1,2492 0,0850 0,0680 6,1441
69 180,0 2,4333 1,2492 0,0132 0,0106 0,2942
93 100,0 2,0333 1,2492 0,0203 0,0163 0,3792
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025D
ensi
dad
de
Po
ten
cia
(mW
/m2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Bajo
Día 5 Día 5 CM
e)
46
CM = 95 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente
Imáx (mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 100,0 11,3333 1,2492 0,1133 0,0907 10,5136
20 100,0 24,1000 1,2492 0,2410 0,1929 47,2551
45 100,0 3,4667 1,2492 0,0347 0,0278 0,9975
69 100,0 2,1333 1,2492 0,0213 0,0171 0,4371
93 100,0 1,4333 1,2492 0,0143 0,0115 0,2020
A continuación, se muestra las gráficas de la diferencia de potencial vs densidad de corriente
(figura 4.8) de las CCMs con AS a rango alto con y sin la aplicación del campo magnético.
0,0000
0,1000
0,2000
0,3000
0,4000
0,5000
0,6000
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 1 Día 1 CM
0,0000
0,1000
0,2000
0,3000
0,4000
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 2 Día 2 CM
0,0000
0,0200
0,0400
0,0600
0,0800
0,1000
0,1200
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 3 Día 3 CM
0,0000
0,0100
0,0200
0,0300
0,0400
0,0500
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 4 Día 4 CM
a) b)
c) d)
47
27Figura 4.8. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS (1000mg/L), con 0
mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.
Se puede observar en la figura 4.8, una gráfica lineal de la diferencia de potencial en función
de la densidad de corriente, es decir que a densidades de corriente bajas se obtienen potenciales
más altos, al igual que las gráficas de las CCMs con AS a rango bajo. Se puede apreciar que
con la aplicación del CM se obtienen mejores potenciales durante el día 1 y 2, por lo tanto,
también hay una disminución en las pérdidas de activación debido a la aplicación del campo;
sin embargo, los días siguientes (4 y 5) las CCMs tienen un comportamiento similar, con y sin
campo magnético, en esto difiere del AS a rango bajo, ya que para estos ensayos se usó un
sustrato más concentrado (1000 mg/L), por lo tanto, hay una cantidad suficiente de materia
orgánica para degradar durante estos días.
En la figura 4.9 se muestran las gráficas de densidad de potencia vs densidad de corriente
de las CCMs con AS a rango alto.
0,0000
0,0050
0,0100
0,0150
0,0200
0,0250
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020P
ote
nci
al (
V)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 5 Día 5 CM
0,000
50,000
100,000
150,000
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 0,100
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 1 Día 1 CM
0,000
50,000
100,000
150,000
200,000
0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 2 Día 2 CM
e)
a) b)
48
28Figura 4.9. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AS
(1000mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.
Siguiendo el mismo análisis para el AS a rango bajo, se puede observar en la figura 4.9,
que con CM a los dos primeros días se obtienen mejores resultados de potencia, sin embargo,
en los días finales las CCMs sin CM tienen un comportamiento más estable.
b) Agua Residual Doméstica.
Rango Bajo.
En la tabla 4.3 se muestran los valores medidos del Voltaje a diferentes resistencias durante
93 horas, para las CCMs con AR a baja concentración con y sin la aplicación de campo
magnético. Con dichos resultados se determinó las intensidades de corriente y las densidades
de potencia máximas (resaltado con azul).
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
0,000 0,020 0,040 0,060 0,080
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 3 Día 3 CM
0,000
0,500
1,000
1,500
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 4 Día 4 CM
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,700
0,800
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AS - R. Alto
Día 5 Día 5 CM
c) d)
e)
49
Tabla 64.3. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AR (500 mg/L) con CM 0 y 95 mT
CM = 0 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente
Imáx (mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 390,0 1,1000 1,2492 0,0030 0,0020 0,0290
20 510,0 3,8000 1,2492 0,0075 0,0060 0,2574
45 510,0 1,8500 1,2492 0,0036 0,0029 0,0569
69 750,0 2,2667 1,2492 0,0031 0,0025 0,0585
93 510,0 1,4667 1,2492 0,0027 0,0022 0,0317
CM = 95 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente
Imáx (mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 330,0 2,6667 1,2492 0,0082 0,0065 0,1575
20 470,0 7,3667 1,2492 0,0167 0,0134 0,9885
45 220,0 2,4000 1,2492 0,0113 0,0091 0,2046
69 100,0 0,7667 1,2492 0,0077 0,0061 0,0472
93 470,0 2,2000 1,2492 0,0051 0,0041 0,0929
Rango Alto.
La tabla 4.4 muestra las densidades de corriente y potencias obtenidas de las CCMs con AR
a altas concentraciones, con este sustrato se observan bajos valores de potencias. Los valores
más altos se observan al segundo día de funcionamiento de la CCM.
Tabla 74.4. Valores promedio de potencial, densidad de corriente y potencia usados en las
curvas de polarización de las CCMs con AR (1000 mg/L) con CM 0 y 95 mT.
CM = 0 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente I
(mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 390,0 1,7667 1,2492 0,0044 0,0035 0,0615
20 290,0 8,3333 1,2492 0,0285 0,0228 1,8449
45 220,0 1,8000 1,2492 0,0082 0,0066 0,1242
69 220,0 1,2333 1,2492 0,0063 0,0051 0,0613
93 300,0 0,8000 1,2492 0,0027 0,0021 0,0171
CM = 95 mT
t (h) Resistencia
(Ohm)
Potencial
(mV)
Área
Ánodo
(cm2)
Intensidad
de
corriente I
(mA)
Densidad
de
Corriente
(mA/cm2)
Densidad
de
Potencia
(mW/m2)
2 680,0 6,6000 1,2492 0,0093 0,0074 0,4873
20 100,0 2,9667 1,2492 0,0297 0,0237 0,7218
50
45 220,0 2,8667 1,2492 0,0129 0,0103 0,3003
69 180,0 1,9000 1,2492 0,0108 0,0086 0,1751
93 470,0 3,4667 1,2492 0,0078 0,0063 0,2194
A continuación, en la figura 4.10, se muestran las curvas de polarización de las CCMs con
AR a rango bajo y alto, respectivamente.
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR R. Bajo
Día Día CM
0,2690
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008P
ote
nci
al (
V)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 1 Día 1 CM
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,000 0,005 0,010 0,015Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR R. Bajo
Día 2 Día 2 CM
0,2190
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0,3000
0,000 0,010 0,020 0,030
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 2 Día 2 CM
0,0000
0,0200
0,0400
0,0600
0,0800
0,1000
0,000 0,005 0,010
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR R. Bajo
Día 3 Día 3 CM
0,0000
0,0200
0,0400
0,0600
0,0800
0,1000
0,000 0,005 0,010 0,015
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 3 Día 3 CM
a)
b)
c)
51
29Figura 4.10. Potencial vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR (500mg/L y
1000 mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día 5.
En las curvas de polarización (figura 4.10) se observa que la diferencia de potencial de las
CCMs con AR tanto a rango bajo como alto, tienen un comportamiento similar. Es decir,
generaron mayores potenciales que las CCMs sin CM, sin embargo, a diferencia del AS este
comportamiento se observó en todos los días de funcionamiento, por lo tanto se confirma que
el CM mejoró el metabolismo bacteriano y la actividad biolectroquímica del biofilm (Zhao, Li,
Ren, & Wang, 2016).
La figura 4.11 muestra las gráficas de densidad de potencia vs densidad de corriente de las
CCMs con AR a rango bajo y alto, con y sin CM.
0,0000
0,0200
0,0400
0,0600
0,0800
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR R. Bajo
Día 4 Día 4 CM
0,0000
0,0100
0,0200
0,0300
0,0400
0,0500
0,0600
0,0700
0,0800
0,000 0,005 0,010
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 4 Día 4 CM
0,0000
0,0100
0,0200
0,0300
0,0400
0,0500
0,000 0,002 0,004 0,006Dif
eren
cia
de
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR R. Bajo
Día 5 Día 5 CM
0,0000
0,0100
0,0200
0,0300
0,0400
0,0500
0,0600
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Po
ten
cial
(V
)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 5 Día 5 CM
d)
e)
52
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2)
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Bajo
Día 1 Día 1 CM
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 1 Día 1 CM
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
0,000 0,005 0,010 0,015
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Bajo
Día 2 Día 2 CM
0,000
5,000
10,000
15,000
20,000
0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 2 Día 2 CM
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Bajo
Día 3 Día 3 CM
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
0,000 0,005 0,010 0,015
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 3 Día 3 CM
a)
b)
c)
53
30Figura 4.11. Densidad de Potencia vs Densidad de Corriente, para las CCMS con AR
(500mg/L y 1000 mg/L), con 0 mT y 95 mT, para: a) día 1, b) día 2, c) día 3, d) día 4 y e) día
5.
Se observa en la figura 4.11 que los primeros días de funcionamiento, las CCMs acopladas
al CM, con AR a rango alto y bajo generaron potencias más altas que sin aplicar CM, sin
embargo, este comportamiento se mantiene en todos los días de funcionamiento, lo que no
sucede con el AS, en la que sólo los primeros días las potencias eran más altas, esto
posiblemente se debe a la cantidad y complejidad de la materia orgánica presente en el AR, ya
que no es lo mismo degradar un sustrato simple como el AS (CH3CCO- CO2), que el AR
que está constituida de moléculas o compuestos más grandes.
Por lo tanto, con el AS se pudo observar que los microorganismos mejoraron su
metabolismo por la influencia del CM y por ende la transferencia de electrones fue más rápida
(día 1 y 2), sin embargo, con el agua residual este proceso mejora todos los días, obteniéndose
densidades de potencia más altas que sin CM, cada día.
Sin embargo, se puede apreciar que con AS se obtuvieron mejores resultados que con el
AR, esto puede deberse a que en el agua residual hay una competencia de especies, porque es
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
1,200
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Bajo
Día 4 Día 4 CM
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 4 Día 4 CM
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Bajo
Día 5 Día 5 CM
0,000
0,200
0,400
0,600
0,800
1,000
0,000 0,002 0,004 0,006 0,008
Den
sid
ad d
e P
ote
nci
a (m
W/m
2 )
Densidad de Corriente (mA/cm2)
AR - R. Alto
Día 5 Día 5 CM
d)
e)
54
una matriz más compleja, ya que por lo general el AR puede tener aceptores alternos de
electrones. (Cervantes, 2011)
Intensidad de corriente máxima.
a) Blancos
En la figura 4.12, se muestran los resultados de la intensidad de corriente máxima generada
por las CCMs, con y sin la aplicación del CM.
31Figura 4.12. Comportamiento de la Intensidad de Corriente de las CCMs (blancos) con: a)
Campo magnético = 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT
En la figura 4.12 se puede observar que los valores de Imáx son bajos, ya que no se dispone
de materia orgánica. Sin embargo, el CM mejoró el metabolismo de las bacterias y la
transferencia de electrones hasta las 20 horas, razón por la cual hay un incremento en la
intensidad de corriente, pero a partir de este tiempo se observa una disminución debido a que
las bacterias no cuentan con el medio nutritivo, necesario para generar electrones.
b) Agua Sintética.
El agua residual sintética (solución de acetato), fue uno de los sustratos empleados para las
CCMs, porque se quería conocer el comportamiento de las celdas con sustratos puros, ya que,
según Ge, Li Xiao, Tong & He (2013), este tipo de sustratos permiten obtener mejores
rendimientos en la generación de energía y potencia, puesto que los compuestos orgánicos son
una fuente rica en electrones.
Rango Bajo.
En el Anexo G: tabla 4.9 se muestran los valores promedio de la intensidad de corriente
máxima generada por las CCMs con AS a rango bajo y alto. A continuación, en la figura 4.15
se observa la intensidad de corriente vs tiempo de las CCMs con AS a rango bajo, con presencia
y ausencia de CM.
0,0000
0,0050
0,0100
0,0150
0 20 40 60 80 100
I (m
A)
t (horas)
Intensidad de Corriente Máxima
Blanco SIN CM Blanco CM
55
32Figura 4.13. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las
CCMs con AS a Baja Concentración (500 mg/L) con Campo magnético = 0 mT y 95 mT
Se puede observar (figura 4.13) que los valores de intensidad de corriente máxima en el
transcurso de 2h y 20 h son más altos (día 1 = 0 mT: 0,0131 mA y 95 mT: 0,0853 mA; día 2 =
0 mT: 0,1733 mA y 95 mT: 0,2053 mA); esto se debe a que las bacterias empiezan a oxidar la
materia orgánica y generar electrones; sin embargo, con la aplicación del campo magnético de
95 mT la intensidad de corriente aumenta aproximadamente un 15,6% que con 0 mT al segundo
día, esto debido a que la aplicación de un CM adecuado reduce la resistencia interna de la
CCM, mejora la concentración de las especies electroactivas en la superficie del electrodo y
por lo tanto hay un proceso de transferencia de electrones más eficiente. (Yin, y otros, 2016)
Rango Alto.
En la figura 4.14 se muestra la intensidad de corriente generada por las CCMs con AS a
rango alto, con y sin la aplicación de CM.
33Figura 4.14. Comportamiento de la Intensidad de Corriente a circuito cerrado de las
CCMs con AS a Alta Concentración (1000 mg/L) con, Campo magnético = 0 mT y 95 mT
Como se observa en la figura 4.14 la intensidad de corriente es más alta a 0 mT y 95 mT los
días 1 y 2, no obstante, con la aplicación del CM a partir de las 40 horas se observa una caída
brusca de dicha variable, lo cual se explica con los valores de DQO obtenidos, ya que en el
0,0131
0,1733
0,0853
0,2053
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 20 40 60 80 100
I (m
A)
t (horas)
AS - R. BAJO
AS - R. Bajo SIN CM AS - R. Bajo CM
0,0352
0,12000,1133
0,2377
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 20 40 60 80 100
I (m
A)
t (horas)
AS - R. ALTO
AS - R. Alto SIN CM AS - R. Alto CM
56
segundo día ocurre la máxima degradación y, por lo tanto, las intensidades de corriente
empiezan a disminuir porque hay menos materia orgánica para producir electrones.
Por lo tanto, se puede apreciar que el CM favorece la producción de energía usando As a
rango alto, ya que al segundo día de funcionamiento se observó un aumento del 50% en la
intensidad de corriente, comparado con un 15,6 % a rango bajo; es decir que se desarrolló una
tecnología que funciona mejor con sustratos altamente concentrados.
c) Agua Residual
En el Anexo G: tabla 4.10 se muestran los valores promedio de la intensidad de corriente
máxima generada por las CCMs con AR a rango bajo y alto.
La figura 4.15 y 4.16 muestra el comportamiento de la intensidad de corriente empleando
como sustrato AR a baja y alta concentración, con y sin campo magnético.
34Figura 4.15. Intensidad de Corriente a
circuito cerrado de las CCMs con AR (500
mg/L) con CM = 0 mT y 95 mT
35Figura 4.16. Intensidad de Corriente a
circuito cerrado de las CCMs con AR
(1000 mg/L) con CM = 0 mT y 95 mT
Se puede apreciar en la figura 4.15 y 4.16, que la aplicación de 95 mT, mejoró la intensidad
de corriente de las CCMS con AR a baja y alta concentración, durante las primeras 20 h, sin
embargo, se ve un mayor efecto en el AR a rango bajo, ya que esta variable incrementó un 55,1
%, comparado con el rango alto que aumentó sólo un 10,1%; esto se debe a que es un sustrato
menos concentrado, y por tanto la competencia de especies es menor.
El CM mejoró la transferencia de electrones y el metabolismo de las bacterias, degradando
la materia orgánica y generando electrones en menor tiempo, sin embargo, los mejores
resultados se obtuvieron con el agua sintética (0,2 mA) ya que con el agua residual el
incremento es menos evidente (0,02 mA) puesto que es una matriz más compleja en la que se
puede dar una competencia de especies, que no dejan pasar libremente a los electrones y
depositarlos en el ánodo.
0,0075
0,0167
0,0000
0,0050
0,0100
0,0150
0,0200
0 20 40 60 80 100
I (m
A)
t (horas)
AR - R. BAJO
AR - R. Bajo SIN CM AR - R. Bajo CM
0,02670,0297
0,0000
0,0050
0,0100
0,0150
0,0200
0,0250
0,0300
0,0350
0 20 40 60 80 100
I (m
A)
t (horas)
AR - R. ALTO
AR - R. Alto SIN CM AR - R. Alto CM
57
Demanda Química de Oxígeno (DQO).
a) Blancos
Se determinó el DQO por día de funcionamiento de las CCMs blancos, para ser restados del
DQO de las CCMs con los sustratos (agua residual doméstica y sintética) para que de esta
manera el crecimiento bacteriano no interfiera y se pueda evaluar exclusivamente la remoción
de materia orgánica en aguas residuales sintéticas y domésticas. En la figura 4.17, se muestra
el comportamiento de DQO en función del tiempo para las CCMs con y sin CM y en el Anexo
G: tabla 4.11 se muestran los resultados de esta variable.
36Figura 4.17. DQO en función del tiempo usando como sustrato agua destilada, con Campo
magnético = 0 mT y 95 mT
En la figura 4.17, se aprecia el crecimiento bacteriano en las CCMs, y se evidencia que la
aplicación de un campo magnético de 95 mT favorece este proceso. (Yin, y otros, 2016). Es
decir, hubo mayor crecimiento bacteriano, por eso los valores de DQO son altos, pero como no
hay presencia de materia orgánica no se generan electrones y por lo tanto las intensidades de
corriente disminuyen como se observa en la figura 4.12.
b) Agua Sintética
Se empleó dos concentraciones iniciales de DQO para este sustrato (500mg/L y 1000 mg/L),
en el Anexo G: tabla 4.12, se muestran los resultados obtenidos para las CCMs con y sin CM.
A continuación, se explica mediante las gráficas, como fue la degradación de la materia
orgánica.
Rango Bajo.
La figura 4.18 muestra la degradación de materia orgánica expresado en valores de DQO de
las CCMS con AS a rango bajo, a 0 mT y 95 mT para cada día de funcionamiento.
635,25
1028,00
300,00
500,00
700,00
900,00
1100,00
0 20 40 60 80 100
DQ
O (
mg/
L)
t (horas)
BLANCO
Blanco SIN CM Blanco CM
58
37Figura 4.18. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (500 mg/L), con
Campo magnético = 0 mT y 95 mT
Como se puede observar en la figura 4.18, los valores de DQO obtenidos de las CCMs
acopladas con CM son bajos, por lo tanto, a las 20 horas hay una mayor degradación de materia
orgánica, lo que no pasa sin CM; esto se debe a que el campo mejora el crecimiento bacteriano
y acelera la degradación de contaminantes. (Tong, y otros, 2015)
Esto concuerda con los bajos voltajes obtenidos en este tiempo, lo cual se explica con la
curva de crecimiento bacteriano, que consta de una fase de adaptación (día 1), seguida de la
fase exponencial en cuya etapa las bacterias y biomasa crecen, y por consiguiente consumen la
mayor parte del sustrato (día 2), posteriormente empieza la fase estacionaria, y finalmente la
fase de muerte celular, en la que se detiene la degradación de materia orgánica. (López, Buitrón,
García, & Cervantes, 2017)
Rango Alto.
La figura 4.19 muestra el DQO en función del tiempo de las CCMs con AS a rango alto con
y sin CM.
38Figura 4.19. DQO en función del tiempo usando como sustrato AS (1000 mg/L), con
Campo magnético: a) 0 mT; y b) 95 mT.
628,08
490,00
198,67 184,00
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
0 20 40 60 80 100
DQ
O (
mg/
L)
t (horas)
AS - R. BAJO
a) SIN CM b) CM
1011,00
564,75
155,33
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
0 20 40 60 80 100
DQ
O (
mg/
L)
t (horas)
AS - R. ALTO
a) SIN CM b) CM
59
Se puede apreciar en la figura 4.19 que el CM favorece la degradación de la materia
orgánica, ya que se observan valores de DQO más bajos en las CCMs acopladas al CM, y a
pesar de ser un sustrato más concentrado se llega a un DQO de 155,33 mg/L, que es similar al
obtenido con rango bajo. Este comportamiento se debe a que el CM mejora el crecimiento
bacteriano, y por ende el metabolismo de estos microrganismos, degradando la mayor cantidad
de materia orgánica (Yin, y otros, 2016). Por lo tanto, el CM incide en la degradación de la
materia orgánica con sustratos puros con altas y bajas concentraciones, ya que además de lo
mencionado anteriormente, el acetato presenta vías de degradación simple con menos pérdida
de energía (Ge, Xiao, Tong, & He, 2013).
c) Agua Residual.
Para verificar si las CCMs degradaron la materia orgánica presente en el AR a rango bajo y
alto, se realizaron mediciones de DQO, como se observa en el Anexo G: tabla 4.13.
La figura 4.20 y 4.21 se muestra el DQO en función del tiempo para las CCMs con AR
(Ubillús) a rango bajo y alto, con y sin CM.
39Figura 4.20. DQO en función del
tiempo usando como sustrato AR (Ubillús)
(500 mg/L), con: a) 0 mT; y b) 95 mT.
40Figura 4.21. DQO en función del
tiempo usando como sustrato AR (Ubillús)
(1000 mg/L), con: a) 0 mT; y b) 95 mT.
En la figura 4.20 y 4.21 se observa que conforme pasa el tiempo hay degradación de materia
orgánica, obteniéndose mejores resultados al segundo día de funcionamiento, con la aplicación
del CM, ya que se mejoró el crecimiento bacteriano. Mientras que, sin CM, la degradación es
constante, ya que las bacterias se están adaptando y van degradando lentamente la materia
orgánica, este mismo comportamiento se observa con el agua sintética.
Por lo tanto, se confirma que la aplicación del CM mejora la degradación de DQO tanto en
agua residual doméstica como en agua sintética a bajas y altas concentraciones.
796,00
538,08
148,67186,00
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
900,00
0 50 100
DQ
O (
mg/
L)
t (horas)
AR - R. BAJO
a) SIN CM b) CM
581,42 591,33
1140,00
182,00243,33
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
0 50 100
DQ
O (
mg/
L)
t (horas)
AR - R. ALTO
a) SIN CM b) CM
60
% Remoción de DQO.
Los valores de DQO obtenidos para cada día, fueron utilizados para conocer el porcentaje
de remoción de materia orgánica (contaminante) de las CCMs con y sin la aplicación del CM
en el transcurso de 93 horas. En el Anexo G: tabla 4.14, se muestran los valores promedio para
cada uno de los factores de estudio. A continuación, se explica las gráficas de remoción.
a) Agua Sintética.
La figura 4.22 y 4.23 muestra la gráfica de remoción producida por las CCMs con y sin CM,
con AS a baja y alta concentración.
41Figura 4.22. Porcentaje de Remoción
del AS (500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95
mT
42Figura 4.23. Porcentaje de Remoción
del AS (1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95
mT
Como se observa en la figura 4.22 y 4.23 hay un mayor porcentaje de remoción en las CCMs
acopladas al CM, se puede apreciar que en el 2° día de funcionamiento se remueve el 57,37 %
de DQO en rango bajo y 83,37 % para rango alto, esto se da porque el CM mejora el
metabolismo microbiano, y por lo tanto las bacterias consumen mayor cantidad de materia
orgánica en menos tiempo, lo cual no ocurre sin CM ya que apenas se logra una degradación
del 44 %.
b) Agua Residual.
El agua residual doméstica es un sustrato que contiene varios contaminantes, entre ellos la
materia orgánica, la misma que debe ser removida antes de la disposición final del agua para
evitar su contaminación, razón por la cual diariamente se midió dicho parámetro para conocer
cuánto logra remover la CCM y el tiempo óptimo para dicho proceso.
57,37
-40
-20
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80 100
% R
emo
ció
n
t (horas)
AS -R. BAJO
a) AS - R. Bajo sin CM b) AS - R. Bajo CM
44,14
83,37
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
% R
emo
ció
n
t (horas)
AS -R. ALTO
a) AS - R. Alto sin CM b) AS - R. Alto CM
61
En el Anexo G: tabla 4.14, se muestran los valores promedio del porcentaje de remoción
producido por las CCMs para este sustrato a dos concentraciones diferentes, con y sin CM. A
continuación, se explica mediante gráficas.
La figura 4.24 y 4.25 muestra el porcentaje de remoción generado por las CCMs con y sin
CM con AR del barrio Ubillús con un DQO inicial de 500 mg/L y 1000 mg/L.
43Figura 4.24. % de Remoción del AR
(500 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT
44Figura 4.25. % de Remoción del AR
(1000 mg/L) con a) 0 mT y b) 95 mT
En las figuras 4.24 y 4.25, se aprecia que mediante el uso de las CCMs se logra una buena
remoción de DQO con y sin campo magnético, sin embargo, los mejores resultados se
obtuvieron con las CCMs acopladas al CM de 95 mT, llegando a valores de 79,63 % (rango
bajo) y 84,04 % (rango alto).
Se puede evidenciar que, al aplicar un CM adecuado, en este caso 95 mT se benefició el
proceso de remoción de DQO en las CCMs con ambos sustratos (AS y AR), ya que la influencia
del CM sobre el biofilm anódico, aumenta la actividad microbiana y por lo tanto se acelera la
degradación de contaminantes en sistemas de tratamiento de aguas residuales. (Tong, y otros,
2015) Lo cual se confirmó en este estudio ya que hay mayor remoción de DQO en AR,
probablemente porque este sustrato contiene nutrientes que contribuyan al crecimiento
bacteriano.
% Eficiencia Coulómbica.
La eficiencia coulómbica, se determinó considerando las intensidades de corriente máximas
y las variaciones de DQO, para realizar la gráfica I vs t, y encontrar la ecuación a integrar. A
continuación, se muestra un ejemplo para al AS a rango alto (Figura 4.26):
32,40
79,63
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 50 100
% R
emo
ció
n
t (horas)
AR -R. BAJO
a) AR - R. Bajo sin CM b) AR - R. Bajo CM
46,17
84,04
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 50 100
% R
emo
ció
n
t (horas)
AR -R. ALTO
a) AR - R. Alto sin CM b) AR - R. Alto CM
62
45Figura 4.26. Gráfica de la Imáx vs t
La eficiencia Coulómbica se determinó con la ecuación 3.
𝐶𝐸 =𝑀
𝑚 ∫ 𝐼(𝑡)𝑑𝑡𝑡
𝑜
𝐹 ∙ ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑏 ∙ 𝑉 𝑥 100 𝐸𝑐. 3
En la figura 4.26, se muestra la gráfica de la I máx en función del tiempo, la cual fue utilizada
para hallar la ecuación de I (t), en este caso es una polinómica de grado 4.
𝐶𝐸 =𝑀
𝑚 ∫ (−2∗10−25 𝑡4 + 2∗10−19 𝑡3 −5∗10−14 𝑡2+ 5∗10−9 𝑡 + 2∗10−5 )𝑑𝑡𝑡
𝑜
𝐹 ∙ ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑏 ∙ 𝑉 𝑥 100
Una vez integrada esta función, se determinó la CE en porcentaje.
𝐶𝐸 =24𝑎 𝑡5 + 30𝑏 𝑡4 + 40𝑐 𝑡3 + 60𝑑 𝑡2 + 120𝑒 𝑡
15 𝐹 ∆𝐷𝑄𝑂 ∙ 𝑉 𝑥 100
Para entender mejor los resultados de eficiencia coulómbica Anexo G tabla 4.15, se
multiplicó por 100 para obtener el % de CE de las CCMs con y sin aplicación de CM, para
diferentes sustratos, a continuación, se analizará dichos resultados.
a) Agua Sintética.
La figura 4.27 y 4.28, muestra el % de CE de las CCMs con AS a baja y alta concentración,
con y sin la aplicación del CM.
y = -2E-25x4 + 2E-19x3 - 5E-14x2 + 5E-09x + 2E-05R² = 1
0,0000E+00
2,0000E-05
4,0000E-05
6,0000E-05
8,0000E-05
1,0000E-04
1,2000E-04
1,4000E-04
1,6000E-04
1,8000E-04
2,0000E-04
0 100000 200000 300000 400000
I (A
)
t (s)
63
46Figura 4.27. Porcentaje de Eficiencia
coulómbica del sistema con AS (500
mg/L) con: a) 0 mT y b) 95 mT
47Figura 4.28. Porcentaje de Eficiencia
coulómbica del sistema con AS (1000
mg/L) con: a) 0 mT y b) 95 mT
Se puede observar en la figura 4.27 y 4.28, que el CM generó mejores eficiencias
coulómbicas, conforme pasa el tiempo. En los días iniciales, se observa el mismo
comportamiento para ambos sustratos, pero a partir del tercer día, en las CCMS sin los valores
son casi constates (rango alto), la degradación de materia orgánica es pequeña. Sin embargo,
se observa que los mejores resultados se obtuvieron con CM y el sustrato a altas
concentraciones, siendo el valor más alto 81,58% a las 93 h; esto posiblemente se debe a que
mientras el tiempo aumenta la variación de DQO es menor, por lo tanto, es más eficiente la
recuperación de electrones como corriente eléctrica. Además, Zhao, Li, Ren, & Wang, (2016)
afirman en su estudio, que la aplicación de CM mejora los valores de CE, ya que inhibe
procesos alternos como por ejemplo la producción de metano.
b) Agua Residual.
En la figura 4.29 y 4.30 se muestran las eficiencias coulómbicas de las CCMs con y sin CM,
usando como sustrato el AR del barrio Ubillús, a baja y alta concentración.
48Figura 4.29. Porcentaje de Eficiencia
coulómbica del sistema con AR (500
mg/L) con: a) 0 mT y b) 95 mT
49Figura 4.30. Porcentaje de Eficiencia
coulómbica del sistema con AR (1000
mg/L) a) 0 mT y b) 95 mT
46,25
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
0 20 40 60 80 100
% C
E
t (horas)
AS - R. BAJO
a) AS - R. Bajo Sin CM b) AS - R. Bajo CM
8,51
81,58
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
0 20 40 60 80 100
% C
E
t (horas)
AS - R. ALTO
a) AS - R. Alto Sin CM b) AS - R. Alto CM
0,51
3,30
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
0 20 40 60 80 100
% C
E
t (horas)
AR - R. BAJO
a) AR - R. Bajo Sin CM b) AR - R. Bajo CM
13,47
10,04
0,00
5,00
10,00
15,00
0 20 40 60 80 100
% C
E
t (horas)
AR - R. ALTO
a) AR - R. Alto Sin CM b) AR - R. Alto CM
64
Como se observa en la figura 4.29, la aplicación del CM permite obtener eficiencias
coulómbica más altas, ya que en estos ensayos se observó una mayor generación de intensidad
de corriente, lo que quiere decir que hubo una mayor recuperación de electrones obtenidos de
la oxidación de la materia orgánica. Sin embargo, con el sustrato a rango alto se observa lo
contrario (figura 4.30), es decir que con y sin CM, los resultados son similares, esto
posiblemente se debe a que con este sustrato se logró una mayor oxidación (degradación) de
materia orgánica más no una buena intensidad de corriente.
Por lo tanto, el CM si influyó de manera positiva en la CE, aunque se obtuvieron mejores
resultados con el AS, esto se debe a que el AR es un sustrato más complejo y por lo tanto hay
la posibilidad de que haya una competencia de especies, como se mencionó anteriormente.
Análisis de los efectos entre los factores de estudio para cada variable respuesta
A continuación, se muestran los resultados del ANOVA y las gráficas de los efectos de los
factores de estudio (DQO inicial, tipo de sustrato y campo magnético) sobre las variables
respuesta (intensidad de corriente, voltaje, % remoción y % CE), de acuerdo con el diseño 2^3
aplicado en este estudio. Estas comparaciones se realizaron para el segundo día de
funcionamiento de las CCMs puesto que, de acuerdo a los resultados presentados
anteriormente, en este tiempo se genera la máxima degradación de materia orgánica (remoción
de DQO) para las CCMs con CM y por lo tanto para los siguientes días su funcionamiento es
irrelevante, debido a que ya se consumió la mayor cantidad de materia orgánica para producir
electrones, y por ende la I y el V no son significativos.
En la tabla 4.5, se muestra la matriz del diseño factorial 23, con los resultados obtenidos en
este trabajo de investigación.
Tabla 84.5. Matriz del Diseño Factorial 23
BLOQUE
DQO
inicial
(mg/L)
Tipo de
Sustrato
Campo
Magnético
(mT)
Intensidad
de
Corriente
(mA)
Voltaje
(mV)
Remoción
(%)
Eficiencia
Coulómbica
(%)
1 -1 AS -1 1,7E-01 386,0 -11,84 6,42
1 1 AS -1 4,0E-02 382,0 44,14 2,99
1 -1 AR -1 1,0E-02 62,0 36,59 0,26
1 1 AR -1 3,0E-02 241,0 42,15 0,61
1 -1 AS 1 2,1E-01 389,0 50,21 4,70
1 1 AS 1 2,3E-01 385,0 79,44 4,09
1 -1 AR 1 1,8E-02 289,0 72,33 0,33
1 1 AR 1 2,8E-02 230,0 84,04 0,38
2 -1 AS -1 1,8E-01 402,0 -4,90 6,73
2 1 AS -1 1,9E-01 275,0 40,18 3,29
2 -1 AR -1 4,7E-03 185,0 32,82 0,29
2 1 AR -1 3,0E-02 252,0 49,56 0,52
65
2 -1 AS 1 2,0E-01 348,0 58,80 4,01
2 1 AS 1 2,0E-01 336,0 86,94 3,74
2 -1 AR 1 1,6E-02 224,0 73,70 0,33
2 1 AR 1 3,6E-02 318,0 85,79 0,37
3 -1 AS -1 1,7E-01 370,0 -10,10 0,00
3 1 AS -1 1,3E-01 339,0 48,10 2,75
3 -1 AR -1 7,5E-03 124,0 27,80 0,34
3 1 AR -1 2,0E-02 244,0 46,78 0,55
3 -1 AS 1 2,1E-01 458,0 63,09 3,74
3 1 AS 1 2,8E-01 473,0 83,73 3,88
3 -1 AR 1 1,6E-02 244,0 92,88 0,26
3 1 AR 1 2,5E-02 282,0 82,28 0,39
Intensidad de corriente.
La tabla 4.6, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA, en la cual los valores-P
prueban la significancia estadística de cada uno de los factores. En este caso 3 valores-P son
menores que 0,05, por lo tanto, los factores: tipo de sustrato, campo magnético, la interacción
Tipo de sustrato-CM; tienen un efecto estadísticamente significativo sobre Intensidad de
Corriente con un 95,0% de nivel de confianza.
Tabla94.6. Análisis de Varianza para Intensidad de Corriente - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de
Cuadrados
Gl Cuadrado
Medio
Razón-F Valor-P
EFECTOS
PRINCIPALES
A:DQO inicial 0,0000467604 1 0,0000467604 0,05 0,8272
B:Tipo de Sustrato 0,161294 1 0,161294 169,81 0,0000
C:Campo Magnético 0,00982935 1 0,00982935 10,35 0,0054
INTERACCIONES
AB 0,00106001 1 0,00106001 1,12 0,3065
AC 0,00236612 1 0,00236612 2,49 0,1341
BC 0,00708297 1 0,00708297 7,46 0,0148
ABC 0,0031671 1 0,0031671 3,33 0,0866
RESIDUOS 0,0151974 16 0,000949839
TOTAL
(CORREGIDO)
0,200044 23
Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual
En la figura 4.31 muestra el diagrama de Pareto que nos indica que las barras que cruzan la
línea de referencia son estadísticamente significativas.
66
50Figura 4.31. Diagrama de Pareto estandarizada para Intensidad de Corriente
Se puede ver en el diagrama de Pareto (figura 4.31), que el tipo de sustrato y el campo
magnético son estadísticamente significativos para la intensidad de corriente. Se muestra que
el campo magnético tiene un efecto positivo sobre producción de intensidad de corriente, es
decir que las CCMs acopladas al CM de 95 mT generaron mayores intensidades de corriente,
para el AS se mejoró en un 50%, mientras que para el AR en un 10%, esto debido a que el AS
es un sustrato puro rico en electrones.
A continuación, se muestra en la figura 4.32 los efectos principales sobre la intensidad de
corriente.
51Figura 4.32. Gráfica de efectos principales para Intensidad de Corriente
La figura 4.32 indica que el tipo de sustrato afecta principalmente a la producción de energía
eléctrica, es decir que con el AS se obtienen mejores resultados, esto debido a que es un sustrato
más fácil de degradar en comparación con el AR., y por lo tanto no hay competencia de
especies.
Diagrama de Pareto Estandarizada para Intensidad de Corriente
0 2 4 6 8 10 12
Efecto estandarizado
A:DQO inicial
C:Campo Magnético
B:Tipo de Sustrato
+-
-1,0
Tipo de Sustrato
AR 1,0
Gráfica de Efectos Principales para Intensidad de Corriente
0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
Inte
nsid
ad
de C
orr
ien
te
DQO inicial
1,0 AS
Campo Magnético
-1,0
67
Otro efecto importante es el que ejerce el campo magnético, ya que con la aplicación de 95
mT hay un aumento en la intensidad de corriente, esto se explica porque el CM mejora la
actividad bioelectroquímica de los microorganismos anódicos, atribuido probablemente al
estrés oxidativo y efecto magnetohidrodinámico; específicamente el CM puede disminuir el
grosor de la doble capa de difusión en la interface solución-biofilm, promoviendo así la
transferencia de masa y la oxidación bioelectrocatalítica del sustrato. (Tong, y otros, 2015). Por
lo tanto, hace más eficiente el proceso de transferencia de electrones. (Yin, y otros, 2016)
Voltaje.
La tabla 4.7, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA para el Voltaje a circuito
abierto, generado por las CCMs. En este caso 3 valores-P son menores que 0,05, por lo tanto,
los factores: tipo de sustrato, campo magnético y las interacciones: DQO inicial-tipo de
sustrato; tienen un efecto estadísticamente significativo sobre voltaje con un 95,0% de nivel de
confianza.
Tabla 104.7. Análisis de Varianza para Voltaje - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de
Cuadrados
Gl Cuadrado
Medio
Razón-F Valor-P
EFECTOS
PRINCIPALES
A:DQO inicial 3174,0 1 3174,0 1,42 0,2516
B:Tipo de Sustrato 142296, 1 142296, 63,44 0,0000
C:Campo Magnético 21241,5 1 21241,5 9,47 0,0072
INTERACCIONES
AB 15100,2 1 15100,2 6,73 0,0196
AC 726,0 1 726,0 0,32 0,5773
BC 2480,67 1 2480,67 1,11 0,3086
ABC 8588,17 1 8588,17 3,83 0,0681
RESIDUOS 35889,3 16 2243,08
TOTAL
(CORREGIDO)
229496, 23
Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual
En la figura 4.33 se muestra el diagrama de Pareto para el voltaje, considerando los tres
factores de estudio.
68
52Figura 4.33. Diagrama de Pareto estandarizada para Voltaje
Se observa en la figura 4.33, que durante el segundo día de funcionamiento de la CCM el
tipo de sustrato y el campo magnético son estadísticamente significativos para el voltaje, al
igual que la intensidad de corriente. Se muestra que el campo magnético tiene un efecto positivo
sobre la generación del voltaje, esto es debido a que el CM afecta la actividad bioelectroquímica
y el crecimiento bacteriano, por lo tanto, mejora la concentración de las especies electroactivas
en la superficie del electrodo y reduce la resistencia interna de la celda. (Yin, y otros, 2016)
En la figura 4.34 se observan los efectos principales en la generación de voltaje.
53Figura 4.34. Gráfica de Efectos Principales para Voltaje
En esta gráfica se observa una pendiente pronunciada para el tipo de sustrato y el campo
magnético, es decir que estos factores tienen un efecto importante sobre esta variable al
segundo día de funcionamiento de la CCM. Se aprecia que a altas concentraciones del sustrato
los voltajes generados son más altos, posiblemente porque las bacterias cuentan con una
cantidad suficiente de materia orgánica necesaria para la oxidación y producción de electrones
ya que, al aplicar el CM, este incrementa el metabolismo bacteriano y por ende los
microorganismos requiere mayor alimento para su crecimiento. Por lo tanto, el CM genera
mejores voltajes porque hay una eficiencia directa en la transferencia de electrones por
bacterias. Al igual que con la intensidad de corriente el mejor sustrato para la producción de
voltaje es el AS, ya que es un sustrato más simple, como se mencionó anteriormente.
Diagrama de Pareto Estandarizada para Voltaje
0 2 4 6 8
Efecto estandarizado
A:DQO inicial
C:Campo Magnético
B:Tipo de Sustrato
+-
-1,0
Tipo de Sustrato
AR 1,0
Gráfica de Efectos Principales para Voltaje
220
260
300
340
380
Vo
ltaje
DQO inicial
1,0 AS
Campo Magnético
-1,0
69
Porcentaje de Remoción de DQO.
La tabla 4.8, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA para la Remoción de DQO
(%) producido por las CCMs. En este caso 6 valores-P son menores que 0,05, por lo tanto, los
factores: DQO inicial, tipo de sustrato, campo magnético, y las interacciones: DQO inicial-tipo
de sustrato, DQO inicial-CM, tipo sustrato-CM; tienen un efecto estadísticamente significativo
sobre % de remoción con un 95,0% de nivel de confianza.
Tabla 114.8. Análisis de Varianza para Remoción - Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de
Cuadrados
Gl Cuadrado
Medio
Razón-F Valor-P
EFECTOS
PRINCIPALES
A:DQO inicial 3546,59 1 3546,59 111,51 0,0000
B:Tipo de Sustrato 1648,88 1 1648,88 51,84 0,0000
C:Campo Magnético 13630,3 1 13630,3 428,56 0,0000
INTERACCIONES
AB 1392,17 1 1392,17 43,77 0,0000
AC 498,044 1 498,044 15,66 0,0011
BC 156,622 1 156,622 4,92 0,0413
ABC 117,794 1 117,794 3,70 0,0723
RESIDUOS 508,883 16 31,8052
TOTAL
(CORREGIDO)
21499,3 23
Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual
En la figura 4.35 se muestra el diagrama de Pareto que nos indica que el campo magnético,
DQO inicial y el tipo de sustrato, son estadísticamente significativos.
54Figura 4.35. Diagrama de Pareto Estandarizada para Remoción
Como se observa en la figura 4.35, todos los factores de estudio; tienen un efecto positivo
sobre la remoción de DQO. Se puede apreciar que el CM mejoró significativamente esta
Diagrama de Pareto Estandarizada para Remoción
0 2 4 6 8 10 12
Efecto estandarizado
B:Tipo de Sustrato
A:DQO inicial
C:Campo Magnético
+-
70
variable. En la figura 4.36 se observan los efectos principales en la remoción de DQO
producido por las CCMs.
55Figura 4.36. Gráfica de Efectos Principales para Remoción
En la figura 4.36 se observa una pendiente pronunciada para los tres factores de estudio
(DQO inicial, tipo de sustrato y campo magnético), como se mencionó anteriormente, tienen
un efecto importante sobre esta variable al segundo día de funcionamiento de la CCM. El efecto
principal es causado por la aplicación del campo magnético de 95 mT, aumentando la
degradación en un 47,1 % en AS y 45,1 % en AR, esto se debe a que el CM afecta la actividad
enzimática del biofilm, es decir mejora la actividad biológica (crecimiento bacteriano) y por lo
tanto acelera la degradación de contaminantes. (Zhao, Li, Ren, & Wang, 2016)
Además, se aprecia que la mayor remoción se da con un DQO inicial a alta concentración,
porque con el CM se mejora el crecimiento bacteriano, por lo tanto, es necesario una mayor
cantidad de materia orgánica para degradar, asimismo el mejor sustrato es el agua residual,
posiblemente porque contiene una fuente rica en nutrientes que favorecen este proceso.
Eficiencia Coulómbica
La tabla 4.9, nos muestra los resultados obtenidos del ANOVA para la Eficiencia
Coulómbica (%) calculada para las CCMs. En este caso 1 valor-P es menor que 0,05, por lo
tanto, solo el tipo de sustrato tiene un efecto estadísticamente significativo sobre % de
eficiencia coulómbica con un 95,0% de nivel de confianza, para el segundo día de evaluación
de la CCM.
Tabla124.9. Análisis de Varianza para Eficiencia Coulómbica Suma de Cuadrados Tipo III
Fuente Suma de
Cuadrados
Gl Cuadrado
Medio
Razón-F Valor-P
A:DQO inicial 0,617604 1 0,617604 0,33 0,5713
B:Tipo de Sustrato 72,4885 1 72,4885 39,21 0,0000
C:Campo Magnético 0,0900375 1 0,0900375 0,05 0,8281
-1,0
Tipo de Sustrato
AR 1,0
Gráfica de Efectos Principales para Remoción
28
38
48
58
68
78R
em
oció
n
DQO inicial
1,0 AS
Campo Magnético
-1,0
71
AB 1,4357 1 1,4357 0,78 0,3912
AC 0,329004 1 0,329004 0,18 0,6787
BC 0,258337 1 0,258337 0,14 0,7134
ABC 0,650104 1 0,650104 0,35 0,5615
Error total 29,5781 16 1,84863
Total (corr.) 105,447 23
Todas las razones-F se basan en el cuadrado medio del error residual
En la figura 4.37 se muestra el diagrama de Pareto, para el porcentaje de eficiencia
coulómbica de las CCMs.
56Figura 4.37. Diagrama de Pareto Estandarizada para Eficiencia Coulómbica
Se puede observar en la figura 4.37 que el factor campo magnético tiene un efecto positivo
sobre la eficiencia coulómbica de las CCMs, es decir que influyó en el mejoramiento de esta
variable, pero no es significativo al segundo día de funcionamiento. En la figura 4.38 se
observan los efectos principales sobre la variable eficiencia coulómbica de las CCMs.
57Figura 4.38. Gráfica de Efectos Principales para Eficiencia Coulómbica
Diagrama de Pareto Estandarizada para Eficiencia Coulómbica
0 2 4 6 8
Efecto estandarizado
C:Campo Magnético
A:DQO inicial
B:Tipo de Sustrato
+-
-1,0
Tipo de Sustrato
AR 1,0
Gráfica de Efectos Principales para Eficiencia Coulómbica
0
1
2
3
4
Efi
cie
ncia
Co
uló
mb
ica
DQO inicial
1,0 AS
Campo Magnético
-1,0
72
La figura 4.38, nos muestra que el DQO inicial, el tipo de sustrato y el campo magnético,
ejercen un efecto importante en el % de CE; sin embargo, el CM no afecta significativamente
a dicha variable, porque al segundo día de operación, se observa una mayor remoción de DQO.
Se observa que el efecto principal para un mejor % CE es el tipo de sustrato, ya que con AS se
obtienen resultados más altos, debido a que con este sustrato se obtuvieron mayores
intensidades de corriente, este comportamiento se da posiblemente porque el AS es un sustrato
más simple en comparación al AR, por lo tanto, no hay competencia de especies.
73
Capítulo V
Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones
Las celdas de combustible microbianas acopladas al campo magnético mejoraron la
remoción de DQO, y la generación de voltaje e intensidad de corriente, en comparación con
las CCMs tradicionales. Por lo tanto, es posible obtener buenos resultados con celdas de
combustible microbianas ensambladas con materiales de bajo costo y reciclables, acoplando
un campo magnético de 95 mT.
Se obtuvo el mejor porcentaje de remoción al 2° día de funcionamiento, con las CCMs con
CM y aguas residuales domésticas a altas concentraciones, llegando a una remoción de DQO
del 84,0%, aumentando de esta manera la degradación en un 45,1% en comparación a las CCMs
tradicionales. Por lo tanto, la alta remoción de materia orgánica producida por el campo
magnético, disminuyó el tiempo de funcionamiento de una CCM a dos días, a diferencia de la
CCM normal evaluada en 5 días, lo cual brinda la oportunidad de construir celdas en paralelo
cambiando el sustrato cada dos días, abarcando de esta manera más volumen de agua a tratar.
La mejor intensidad de corriente se generó con las CCMs acopladas al CM con agua residual
sintética, aumentando en un 50% con respecto a la CCM normal; y sólo un 10% con agua
residual doméstica, al segundo día de funcionamiento. Asimismo, las mejores condiciones para
generar voltajes altos fueron las CCMs con CM y agua sintética a altas concentraciones, en
donde se observó un aumento del 16,6%.
El CM tiene un efecto positivo en la eficiencia coulómbica en los últimos días de
funcionamiento, obteniéndose los valores más altos con el sustrato de agua sintética (81,5%),
esto debido a que en el agua residual (barrio Ubillús), puede existir una competencia de
especies por los electrones liberados de la oxidación, ya que estas especies no dejan pasar
libremente a los electrones y depositarlos en el ánodo.
Recomendaciones
Este trabajo de investigación contribuyó a la degradación de materia orgánica y a la
producción de un subproducto como es la bioelectricidad, sin embargo, durante el proceso de
investigación surgieron varias recomendaciones para futuras investigaciones, como se detalla
a continuación:
Evaluar un mejor diseño de CCM que capte un mayor volumen de agua residual a tratar,
pero que genere el mismo efecto causado por el diseño planteado en este estudio, es decir que
genere mayor cantidad de energía que una celda tradicional, y al mismo tiempo remueva la
mayor cantidad de materia orgánica. Como las bacterias juegan un papel importante en esta
tecnología de producción de energía, se recomienda evaluar estas CCMs con más consorcios
de bacterias.
74
Evaluar el modelo de CCM planteado en este estudio, con más electrodos (reciclados) y
verificar si hay buena conducción.
Utilizar una tarjeta de adquisición de datos o el potenciostato, para evaluar minuciosamente
el comportamiento de las CCMs a través de las curvas de polarización, en tiempo real; ya que
al realizarlas con pocas resistencias y cerrar el circuito se observó una caída brusca de potencial
para este modelo de CCM.
El campo magnético (95 mT) aplicado en las CCMs, si generó buenos resultados, sin
embargo, para investigaciones posteriores se pueden aplicar otras intensidades de campo
magnético que no sobrepasen los 200 mT, ya que intensidades de campo magnético altas son
perjudiciales para el crecimiento microbiano.
La disposición de los imanes que generan el campo magnético sobre el ánodo, debe ser de
tal manera que la distancia entre el imán y el electrodo con biofilm permita alcanzar una
intensidad de campo que haga efecto sobre los microorganismos, ya que si esta distancia es
muy grande se deben utilizar más imanes para incrementar a la intensidad de campo necesaria.
75
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78
Anexos
A Esquema Causa Efecto
Disposición final de aguas residuales sin un tratamiento
previo
Propagación de
enfermedades
Incumplimiento de las
normativas ambientales
en cada provincia
Eliminación de
residuos sin control
Generación de
subproductos
perjudiciales
Falta de conocimiento
en la eliminación de
desechos
EF
EC
TO
S
CA
US
AS
Falta de presupuesto
para implementar
plantas de tratamiento
adecuadas
Falta de Normativas
Ambientales
Falta de Control en la
disposición final del agua
proveniente de hogares
Basura en las
alcantarillas
Sustancias tóxicas
arrojadas al agua
Actividad industrial,
minera
Contaminación de fuentes
naturales: ríos, lagos,
mares
Muerte de seres
acuáticos
Generación de
desechos tóxicos
Contaminación Ambiental
79
Baja conducción de
la electricidad No hay generación de
electrones
Reacción de
reducción del oxígeno
es lenta
E
F
E
C
T
O
S
Menor respuesta a
la generación de
y degradación de
materia orgánica
Menor degradación de
materia orgánica
Baja eficiencia
Bajo rendimiento
(menor volumen
de sustrato)
Muerte de
bacterias
Los potenciales
obtenidos no son
constantes
No conducen
electricidad
Baja generación de la intensidad de corriente producida por celdas de
combustible microbianas
Modelo de
la celda
C
A
U
S
A
S
Tipo de sustrato Condiciones
ambientales para las
bacterias
Defectos en los
Electrodos
Falta de
alimentación
continua con
agua residual Defectos en el
Tipo de
membrana de
intercambio
iónico
Alambres
conductores de
bajo costo
Agua
residual Presión Temperatura
Tipo de bacterias
electrogénicas
anaerobias
usadas
Ausencia
de
catalizad
ores
Baja eficiencia
80
B Diagrama de flujo
58Figura B1. Diagrama de Flujo de Preparación de electrodos
E1 = De las Pilas D Eveready
E2 = Ebullir durante 15 minutos.
81
59Figura B2. Diagrama de Flujo de
Inoculación de electrodos
60Figura B3. Diagrama de Flujo del
Ensamblaje de una Celda de combustible
microbiana
82
C Instrumento de recolección de datos
Guía de observación: Hoja o ficha de registro de datos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
CARRERA DE QUÍMICA
Tema:
Responsables:
Fecha: Hora:
Datos Experimentales:
Sustrato: Réplica N°:
Celda N°:
VCA=
I=
Datos para la curva de polarización
R (Ω) V
100
300
510
820
1500
2200
3000
5100
10 K
15 K
20 K
51 K
100 K
Determinación de DQO
Muestra Absorbancia
83
D Matriz de validación de instrumentos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS
CARRERA DE QUÍMICA
Tema:
Matriz de Validación
Indicador
Corresponde
ncia con
objetivos
Corresponde
ncia con
Variables
Corresponden
cia con
dimensiones
Uso del
Lenguaje
Escalamien
to
C NC C NC C NC A I A I
DQO
(mgO2/L) x
x
x
x
x
Campo
magnético
(mT)
x
x
x
x
x
Eficiencia
Coulómbica
(%)
x
x
x
x
x
% Remoción
de DQO x
x
x
x
x
Instrucciones:
En correspondencia: cada indicador debe señalarse la correspondencia C, o No
Correspondencia NC.
En uso de lenguaje y escalamiento. En cada indicador Adecuado A, Inadecuado I.
Observaciones
El instrumento de recolección creado, está bien estructurado ya que hay correspondencia entre
los indicadores, los objetivos, y las variables planteadas en este estudio.
Nombre:
Firma:
84
E Anexo 1. Voltamperometría Cíclica
61Figura E1. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una
velocidad de 0,005 V/s
62Figura E2. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una
velocidad de 0,010 V/s
63Figura E.3. Voltamperometría cíclica de un electrodo de grafito, usando K3Fe(CN)6 a una
velocidad de 0,015 V/s
85
F Anexo 2. Curva de Calibración para DQO
X
y =
respuesta
100 0,019
100 0,024
200 0,058
200 0,047
300 0,097
300 0,065
400 0,153
400 0,154
500 0,167
500 0,178
600 0,200
600 0,194
600 0,184
700 0,244
800 0,254
800 0,279
900 0,329
900 0,294
1000 0,341
1000 0,337
1000 0,311
64Figura F1. Recta de Calibración para DQO
-0,05
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0 200 400 600 800 1000 1200
y
x
Recta de Calibración
86
Anexo G. Tablas de Resultados
Tabla13G4.5 Valores de Voltaje a circuito abierto de los blancos con: a) 0 mT y b) Campo
magnético = 95 mT
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
V (mV) V (mV)
2 247,00 417,25
20 115,00 225,00
45 90,83 76,70
69 80,40 39,13
93 49,75 30,43
Tabla14G4.6. Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AS a Baja
Concentración (500 mg/L) y Alta Concentración (1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo
magnético = 95 mT
DQO Rango Bajo DQO Rango Alto
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
Voltaje
(mV)
Voltaje
(mV)
Voltaje
(mV)
Voltaje
(mV)
2 386,00 559,67 346,67 607,67
20 364,00 398,33 332,00 398,00
45 97,00 37,07 94,00 39,50
69 83,67 21,20 48,33 25,13
93 36,00 17,50 28,80 20,17
Tabla15G4.7 Valores de Voltaje a circuito abierto de las CCMs con AR (500 g/L y 1000
mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT
DQO Rango Bajo DQO Rango Alto
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
Voltaje
(mV)
Voltaje
(mV)
Voltaje
(mV)
Voltaje
(mV)
2 188,25 351,67 250,00 385,67
20 123,5 252,33 245,67 276,67
45 44,05 119,47 48,33 96,63
69 33,65 82,33 46,00 58,40
93 26,8 62,77 30,00 57,00
87
Tabla16G4.8. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS (blancos) con: a) 0
mT y b) Campo magnético = 95 mT
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
I máx
(mA)
I máx
(mA)
2 0,0073 0,0078
20 0,0033 0,0136
45 0,0067 0,0052
69 0,0090 0,0029
93 0,0071 0,0020
Tabla17G4.9. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AS (500 mg/L y
1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT
DQO Rango Bajo DQO Rango Alto
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
I máx
(mA)
I máx
(mA)
I máx
(mA)
I máx
(mA)
2 0,0131 0,0853 0,0352 0,1133
20 0,1733 0,2053 0,1200 0,2377
45 0,0744 0,0233 0,0850 0,0347
69 0,0633 0,0132 0,0132 0,0247
93 0,0278 0,0093 0,0203 0,0143
Tabla18G4.10. Valores de Intensidad de corriente generada por las CCMS con AR (500
mg/L y 1000 mg/L) con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT
DQO Rango Bajo DQO Rango Alto
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
I máx
(mA)
I máx
(mA)
I máx
(mA)
I máx
(mA)
2 0,0030 0,0082 0,0044 0,0093
20 0,0075 0,0167 0,0267 0,0297
45 0,0036 0,0111 0,0082 0,0129
69 0,0031 0,0077 0,0063 0,0108
93 0,0027 0,0051 0,0021 0,0079
88
Tabla19G4.11. Valores de DQO en función del tiempo
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
2 482,00 765,25
20 635,25 1028,00
45 647,00 931,50
69 642,50 888,50
93 452,00 790,00
Tabla20G4.12. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Sintética
(500 mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT
Rango Bajo Rango Alto
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
0 576,50 466,00 1011,00 934,00
2 720,67 331,42 741,33 441,42
20 628,08 198,67 564,75 155,33
45 539,67 291,83 549,67 281,83
69 400,17 261,50 386,17 252,17
93 490,00 184,00 489,00 116,00
Tabla21G4.13. Valores promedio de DQO usando como sustrato Agua Residual Doméstica
(Ubillús) (500 mg/L y 1000 mg/L), con: a) 0 mT y b) Campo magnético = 95 mT
Rango Bajo Rango Alto
t (horas)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
DQO
(mg/L)
0 796,00 730,00 1080,00 1140,00
2 658,00 341,42 731,33 424,75
20 538,08 148,67 581,42 182,00
45 589,67 258,50 529,67 315,17
69 387,50 241,50 574,17 314,83
93 334,33 204,00 591,33 243,33
89
Tabla22G4.14. Resultados de los % de remoción de materia orgánica en función del tiempo
t (horas)
AS (500 mg/L) AS (1000 mg/L) AR (500 mg/L) AR (1000 mg/L)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
% R % R % R % R % R % R % R % R
0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
2 -25,01 28,88 26,67 52,74 17,34 53,23 32,28 62,74
20 -8,95 57,37 44,14 83,37 32,40 79,63 46,17 84,04
45 6,39 37,37 45,63 69,83 25,92 64,59 50,96 72,35
69 30,59 43,88 61,80 73,00 51,32 66,92 46,84 72,38
93 15,00 60,52 51,63 87,58 58,00 72,05 45,25 78,65
Tabla23G4.15. Resultados de la CE expresado en porcentaje en función del tiempo
t (horas)
AS (500 mg/L) AS (1000 mg/L) AR (500 mg/L) AR (1000 mg/L)
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
CM
0 mT
CM
95 mT
% CE % CE % CE % CE % CE % CE % CE % CE
20 6,57 5,89 3,01 3,90 0,30 0,31 0,56 0,38
45 21,45 22,72 8,65 14,35 1,01 1,20 2,06 1,67
69 19,99 32,16 8,58 36,47 0,72 2,10 5,85 4,43
93 46,75 46,25 8,51 81,58 0,51 3,30 13,47 10,04
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