Elektronen producerende microorganismen:

Transcriptie

1 Elektronen producerende microorganismen: hoe wij onze grondstoffen daarmee kunnen terugwinnen Michel Saakes 15 Januari 2015 combining scientific excellence with commercial relevance 1

2 Achtergrond Waarom heeft Wetsus een thema Resource Recovery? 2

3 Take home message Rentmeesterschap: Bij alles wat we doen moeten we er rekening mee houden dat we de wereld geërfd hebben en weer doorgeven. 3

4 Invulling Rentmeesterschap Het goed beheren van onze landschappen, natuur, milieu, cultuur en historische gebouwen. 4

5 Rentmeesterschap Rentmeesterschap betekent dat we als mensen de taak hebben goed te zorgen voor de wereld om ons heen, voor nu en voor de toekomst. 5

6 Koppeling met Resource Recovery Thema Terugwinnen van grondstoffen = Resource Recovery Reden: Belangrijke grondstoffen raken op: Europese lijst schaarse elementen 6

7 Dreigend tekort De Europese Commissie heeft een lijst opgesteld met 44 grondstoffen Deze grondstoffen stevenden af op een tekort 7

8 8

9 Lijst met 14 kritische materialen: economisch belang + schaarste 9

10 Platina Groep metalen en Zeldzame Aarden Platina Groep Metalen: Platinum, Palladium, Iridium, Rhodium, Ruthenium, Osmium Zeldzame Aarden: Yttrium, Scandium Lanthaniden: Lanthanum, Cerium, Praseodymium, Neodymium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium en Lutetium 10

11 Australische mijn voor goudwinning 11

12 Voorraad aan grondstoffen peiljaar

13 De overgangsmetalen: Koper voorraad: Minder dan 30 jaar 13

14 Resource Recovery: terugwinning metalen Terugwinning van overgangsmetalen zoals Cu, Ni, In, Co Inzet van bacteriën die een elektrische stroom maken Hoe gaat dat in zijn werk? 14

15 Glucose: C 6 H 12 O H 2 O 6 CO H e - Azijnzuur: CH 3 COOH + 2 H 2 O 2 CO H e - Zwavel: Biologische anode Elektronen produktie met verschillende substraten S H 2 O SO H e - 15

16 Zuurstof reductie aan kathode Kathode met zuurstof reductie: 2 O H e - 4 H 2 O Biologische Anode: CH 3 COOH + 2 H 2 O 2 CO H e - Netto reactie: CH 3 COOH+2O 2 2 H 2 O+ 2 CO 2 16

17 Bacteriën 17

18 Elektronen producerende bacterie Geobacter Sulphur Reducens 18

19 Bio-electrochemie (Mediatorvrije) Electrochemisch Actieve Micro-organismen De electron (e - ) producerende halfreactie (anode) is biologisch van oorsprong Bron: 19

20 Micro-organismen die op bio-anode groeien (elektrode = poreus grafiet) (foto WUR) 20

21 Geobacter Sulphur Reducens Ontdekker is Prof. Derek Lovley Deze bacterie zet organische stoffen uit afvalwater om in elektrische stroom, protonen en bicarbonaat Als modelsubstraat wordt vaak acetaat Ac - genomen 21

22 Bacterie met binnenste en buitenste membraanwand: Electronen gaan via aantal stappen naar Fe 3+ toe. Energie wordt gehaald uit NAD + /NADH. Rechts is een nanodraad getekend (pilin). 22

23 23

24 24

25 Electriciteit productie uit organisch afval (acetaat) in een microbiële brandstofcel electronen CO 2 zuurstof H + acetaat bacteria anode kathode water Kation wisselend membraan 25

26 Microbiële brandstofcel in werking R e - e - CO 2 2 H + e - Acetaat H 2 O 26

27 27

28 Microbiële brandstofcel met snelle ladingsoverdracht voor de kathode Katholiet: Fe 3+ oplossing electronen CO 2 H + H 2 O Fe 3+ OH - acetaat bacteria anode H + Fe 2+ kathode Bipolair membraan

29 Microbial Fuel Cell met regeneratie van Fe 3+ door Acidiphilus Ferro Oxidans electrons CO 2 H + acetaat bacterie anode OH H 2 O - H kathode Bipolair membraan Microbiële brandstofcel Fe 3+ Fe 2+ H + O 2 H 2 O Immobilized cells of A. ferrooxidans Ferro ion oxidatie reactor 29

30 Microbiële Brandstofcel I 1.0 Azijnzuur/CO 2 (-0,27 V vs NHE) Bio-electriciteit (+1.04 Volt) Energie Energy Energie Consumption Opbrengst Consumptie Bacteriën Bacteria Bacterie (= Potentiaalverlies) Bio-Anode Kathode Fe(III)/Fe(II) 0,77 V vs NHE 30

31 Energie-inhoud van 1 kg glucose (suiker) 1 kg glucose = 5,5mol glucose 1 mol glucose = 24 mol e - 1 mol e - = C 1Ah = 3600 C E(MFC)=0,5V tijdens werking 1 kg glucose 2000 Wh!! 31

32 Hoe kunnen we nu grondstoffen terugwinnen met een microbiële brandstofcel? De bio-anode levert elektronen na oxidatie van acetaat door Geobacter Sulphur Reducens De kathode ontvangt deze elektronen Aan de kathode kunnen we opgeloste metaalionen reduceren 32

33 Welke metaalionen komen in aanmerking om terug te winnen uit afvalwater? In principe alle metaalionen die in een waterig milieu kunnen worden neergeslagen. Voorbeelden zijn: Cu e - Cu Ni e - Ni Cd e - Cd Co e - Co Pb e - Pb Zn e - Zn 33

34 Kunnen we metalen afzonderlijk en zuiver winnen? Jazeker: De winning van de afzonderlijke metalen kan worden gestuurd door potentiaal van de kathode. Des te edeler het metaal, des te hoger is de potentiaal van het redoxkoppel M z+ / M Metaal M z+ + z e - = Metaal M 34

35 Selectieve terugwinning metalen door verschil standaard reductie potentiaal E 0 Cu e - Cu NHE E 0 = +0,3402 V vs. Ni e - Ni E 0 = -0,23 V vs. NHE Cd e - Cd E 0 = -0,4026 V vs. NHE Co e - Co E 0 = -0,28 V vs. NHE Pb e - Pb E 0 = -0,1263 V vs. NHE Zn e - Zn E 0 = -0,7628 V vs. NHE Van deze lijst zal Cu het eerst neerslaan 35

36 Opstelling voor selectieve winnen van zuivere metalen 36

37 Selectief terugwinnen metalen in de volgorde Cu, Pb, Cd, Zn (stippellijn=2m HCL zonder metalen) 37

38 Omstandigheden voor terugwinning metalen Cu vorming E cell = 0,0 V Pb vorming E kathode = - 0,51 V vs. NHE Cd vorming E kathode = - 0,66 V vs. NHE Zn vorming E anode = +0,20 V vs. NHE Voor Cu vorming wordt de biologische cel kortgesloten oftewel E cell = 0,0V. Voor Zn vorming wordt de bio-anode potentiaal op +0,200 V vs NHE gebracht voor maximale stroom. 38

39 Tijd voor een experiment Doel is verschil in edelheid tussen Cu en Zn aantonen Hoe? Met een thuis gebouwde Cu-Zn batterij Cu en Zn via de loodgieter 39

40 Opstelling met 5 Cu 2+ /Cu versus Zn cellen in serie (onder). 40

41 Aansluiten Cu-Zn batterij op 5 LED s Elektroliet is 0,2 M CuSO 4 en 0,2 M Na 2 SO 4 41

42 Eerst de open klemspanning meten:5,277v (dus geen belasting van de batterij) 42

43 Overzicht van de opstelling (open klemspanning, nog geen LED als belasting) 43

44 Cu-Zn batterij in actie: de LEDs branden. Zn lost op naar Zn 2+, Cu 2+ gaat naar Cu. 44

45 Meting van de belaste batterij levert een spanning van 2,121 V. Prima voor de LEDs. 45

46 Meting van zowel de spanning (2,127V) als de stroom (46mA) 46

47 Close-up van beide multimeters: meting links van de spanning en rechts van de stroom 47

48 Na afloop gemaakte foto waarop zichtbaar een zwarte laag waar Zn heeft gereageerd. 48

49 Terug naar Wetsus de pilot fase voor Cu winning met een microbiële brandstofcel: 4-jarig Europese BioElectroMET project 49

50 BioElectroMET project Wetsus Opschaling Cu winning naar 1 m 2 Cukathode en bio-anode Echt industrieel afvalwater met Cu 2+ Cu 2+ gehalte tussen 0,5 en 1,0 g/l Pilot installatie gebouwd in 20ft container (in Water Applicatie Lab) 50

51 Uitdagingen in de praktijk: de bio-anode In laboratorium testen is acetaat als substraat gebruikt voor elektro-actieve micro-organismen Andere substraat vormen voor bio-anode vragen om gewenningsperiode Voorbeelden ander substraat o.a. urine in ValueFromUrine project 51

52 Uitdagingen in de praktijk: de keuze van het membraan In de Bio-Elektrochemische Cel is een ion wisselend membraan nodig voor scheiden anoliet en katholiet Een kation wisselend membraan laat metaalionen door: is niet geschikt Een anion wisselend membraan laat geen metaalionen door: wel geschikt Anion membraan: altijd een juiste keuze? 52

53 Uitdagingen in de praktijk: keuze van het membraan Een anion wisselend membraan laat geen positieve metaalionen door Een anion wisselend membraan laat wel negatief geladen sulfaat ionen door Geobacter Sulphur Reducens reduceert sulfaationen tot sulfide ionen Biologische sulfaatreductie vermindert aantal elektronen dat naar de kathode gaat (minder metaalvorming) 53

54 Uitdagingen in de praktijk: keuze membraan Nevenreacties voorkomen De ph van anoliet en katholiet op de juiste waarde houden Geen buffers toevoegen Stroomdichtheid zo hoog mogelijk houden Creativiteit vereist leidt tot innovatie 54

55 Uitdagingen in de praktijk: concurrentie van andere micro-organismen Wat willen we: elektro-actieve microorganismen die elektronen maken Concurrerende micro-organismen: methanogenen (maken methaan) Methanogenen verbruiken substraat waardoor elektro-actieve microorganismen minder substraat hebben 55

56 Uitdagingen in de praktijk: de kathode Additieven verhogen de overpotentiaal voor de metaalvorming Hierdoor vormen zich metalen pas bij een lagere kathode potentiaal Daarnaast kunnen metalen naaldvormige kristallen vormen (prikken door membraan) 56

57 Uitdagingen in de praktijk: de temperatuur Electro-actieve micro-organismen zoals Geobacter Sulphur Reducens meestal onderzocht bij 30 graden Celsius Industriële waterhoudende vloeistof met Cu 2+ is bijvoorbeeld 55 graden Celsius Micro-organismen moeten aan thermofiele omstandigheden wennen Procesvoering moet worden aangepast! 57

58 Uitdagingen in de praktijk: schaalgrootte van het systeem Een laboratoriumcel meet in afmeting 10 cm x 10 cm Een echte pilotcel meet in afmeting 100 cm x 100cm Procesvoering pilotcel is daarmee liefst 100X groter Welke uitdagingen levert dit op? 58

59 Uitdagingen van een pilot cel van 100cm X 100 cm Enten van de elektro-actieve bacteriën: tijdsfactor telt! Gelijkmatige stroomdichtheid is een uitdaging Gelijkmatige substraatconcentratie is een uitdaging Gelijkmatige Cu 2+ concentratie is een uitdaging 59

60 Uitdaging van de pilot cel: inoculatie en populatie bio-anode Dimensie van Geobacter Sulphur Reducens is ongeveer 1µm x 1µm De bio-anode meet 2 X 1 m 2 (2 zijden) Hoeveel micro-organismen passen daar tenminste op? Dat zijn er 2 X = 2000 miljard! Dat betekent 250X de wereldpopulatie aan mensen!! 60

61 Uitdagingen van de pilot cel: inoculatie en populatie bio-anode In werkelijkheid is bio-anode een poreuze grafiet structuur Dat betekent een 3-dimensionale opbouw met micro-organismen Totaal aantal micro-organismen is daarmee nog groter per m 2! Schatting levert op tenminste 10X10 12 micro-organismen/m 2 = miljard micro-organismen/m 2! 61

62 Hoeveel elektronen levert één enkele electroactief micro-organisme per seconde? We gaan uit van 20A/m 2 en 1m 2 Dat komt overeen met 20A Dat komt overeen met 20Coulomb/s 1 elektron = 1, *10-19 Coulomb Dus 1C=0, *10 19 elektronen Dus 20C=12,483018*10 19 elektronen We gaan uit van miljard bacteriën Per bacterie dan elektronen/s 62

63 Wat is stroom per bacterie uitgaande van 20A/m 2 en miljard bacteriën 1 elektron = 1, *10-19 Coulomb Aantal elektronen= /s Stroom=2*10-12 Coulomb/s=2*10-12 Ampère 1 pico Ampère = Ampère (pa) Dus stroom is 2pA Een elektrische stroom van 0,01pA is overigens meetbaar met Keithly Model 6485/E 5-1/2 digit Picoammeter met 10fA Resolutie 63

64 Vraag: Hoeveel acetaat is nodig voor een stroom van 20A? 20A is gelijk aan 20 Coulomb/sec Acetaat levert per ion: 8 elektronen 1 mol acetaat levert 8 mol elektronen Wet van Faraday: 1 mol acetaat levert 8*96485 Coulomb/mol Nodig dus 20/(8*96485)=2,59*10-5 mol acetaat per seconde = 2,24 mol/dag Dit komt overeen met 304,8 gram NaAc.3H 2 O/dag 64

65 Inzetbaarheid elektronen producerende bacteriën voor meststof: urineproject Naast metalen kunnen we ook meststoffen winnen uit afvalwater Als substraat dient urine (mens/dier) Urine bevat zowel P als N Winning P als MgNH 4 PO 4 (struviet) door toevoeging van MgO aan urine Winning N als (NH 4 ) 2 SO 4 na scheiding van NH 3 in biologische cel 65

66 Urine project Uw presentator als kandidaat in een korte film: v=jkumky8etx8 66

67 Urine direct als meststof?? Is het mogelijk urine direct in te zetten als meststof? Europees project met telen van komkommers met Reguliere kunstmest Met urine als meststof Verrassende uitkomst smaakpanel: GEEN verschil in smaak!!! 67

68 Hoeveel elektrische energie zit er in 1 liter urine? Urine als brandstof voor biologische brandstofcel (lopend onderzoek) Urine als substraat voor bio-anode Urine bevat circa 2500 chemische stoffen waarvan circa 80-90% biologisch afbreekbaar aan bio-anode Elektrische energie per liter = 20Wh Met 2 liter/dag=energie laptop/telefoon! 68

69 Waartoe leidt werk van biologische brandstofcellen? Sterke voorzuivering van afvalwater Winning van metalen aan kathode Winning van NH 3 uit urine Biologische brandstofcellen als energieleverancier soldaat (US Army) Biologische brandstofcellen als sensor in bossen en op zeebodems Aanmaak van chemicaliën 69

70 Bio-batterij op suiker (CFDRC, USA) 70

71 Prestaties Bio-Batterij (CFDRC): 85 W/m 2 71

72 Opgeschaalde Bio-batterij (CFDRC) 72

73 QUIZ 1) Wat betekent anaeroob? 2) Welke belangrijke bacterie ontdekte Lovley? 3) Wat is een gangbaar substraat? 4) Wat gaat makkelijker: Cu of Zn neerslaan? 5) Hoeveel Wh zit in 1 kg suiker? 6) Hoe groot is de pilot cel bij Wetsus? 7) Hoeveel stroom kan 1 bacterie wel leveren? 8) Hoe groot is een bacterie die stroom maakt? 9) Wie geeft zich uit voor M.Saakes? 73

74 Antwoorden QUIZ 1. Zuurstofvrij is ander woord voor anaeroob 2. Geobacter Sulphur Reducens 3. Acetaat als substraat 4. Cu neerslaan gaat eenvoudiger dan van Zn Wh per kg suiker 6. 1 m 2 is schallgrootte BioElectroMET pilot 7. 2pA 8. 1 micron bij 1 micron 9. Bert Hamelers droeg labjas M.Saakes 74

75 Verantwoording 75