Developing a microbial fuel cell with water filtration capabilities

Abstract

The world’s focus has shifted towards the development and use of renewable energy sources. A contribution to this development is to utilize wasted or untapped energy sources, such as wastewater. Filtration technology has long been used and is continually in developed, but the energy in the filtrated wastewater has not seen the same usefulness. The integration of the Microbial Fuel Cell technology with the filtration of wastewater could be a useful method for producing electricity and utilizing the energy of the wastewater while purifying it. This thesis is written as a part of a project at the Norwegian University of Life Sciences regarding the integration the Microbial Fuel Cell technology and the water filter technology. The results and discussions in this project is based on a pre-project, existing literature and experimental tests. The main objective of this project was to develop a solution for production of electricity from a Microbial Fuel Cell as a part of a water filter that utilized wastewater. Challenges regarding this objective included primarily the little initial knowledge of the research fields involved and the time available for the project. With these challenges, the emphasis of the thesis was laid to the creation of several different prototypes and examination of the results from the testing of these prototypes. Prototypes were developed with different designs and fluids in order to investigate the effects of the different factors. One design factor that was of special interest, was the use of membrane. In addition, a flow simulation was conducted on one of the prototypes, to investigate how the fluids behaved. The prototypes were tested and the results from the tests were discussed and compared to other research. This led to the development of a New Design solution that incorporated recommendations from the discussion of the results of the experimental tests. The New Design solution presented a way of utilizing both fluids in motion and stagnant fluids, in addition to other benefits of the design. This was possible because of the design of the different components of the solution. It is worth noting that even though a solution to the main objective of this project has been developed, the solution is based mostly on experimental tests conducted during the length of approximately fourteen days. This might therefore not be the optimal solution for integrating Microbial Fuel Cell technology with water filter technology. More studies of the New Design solution and the integration of the two technologies must be done in order to make the best possible solution. Future work on related projects should focus on specific parts and functions of the New Design solution, and longer experimental tests should be conducted. Especially important is the future testing and work on water quality of the fluid exiting the New Design solution, as this project mainly focuses on the electric output.

Verdens fokus har rettet seg mot utvikling og bruk av fornybare energikilder. Et bidrag til denne utviklingen er å utnytte tapte eller ubrukte energikilder, som for eksempel avfallsvann. Filtreringsteknologi har lenge vært i bruk og er i stadig utvikling, men energien i det filtrerte avfallsvannet har ikke vært like godt utnyttet. Integrasjonen av den relativt nye mikrobiologiske brenselscelleteknologien med filtrering av avfallsvann kan være en nyttig metode for å produsere elektrisitet og bruke energien i avfallsvannet mens det renses. Denne masteroppgaven er skrevet som en del av et prosjekt ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet, og omhandler integrasjonen av to primærteknologier, nemlig mikrobiologisk brenselscelleteknologi og vannfilterteknologi. Resultatene og diskusjonene i dette prosjektet er basert på et forprosjekt, eksiterende litteratur og eksperimentelle tester. Hovedmålet med dette prosjektet var å utvikle en løsning for produksjon av elektrisitet med en mikrobiologisk brenselscelle som en del av et vannfilter som benyttet avfallsvann. Utfordringer i forbindelse med dette målet inkluderte hovedsakelig liten forkunnskap om de fagfelt som var involvert og tiden som var tilgjengelig for prosjektet. Med disse utfordringene ble vekten av oppgaven lagt til å utvikle flere forskjellige prototyper og undersøke resultatene fra testingen av disse prototypene. Prototyper ble utviklet med forskjellige design og væsker for å kunne undersøke hvilken effekt de forskjellige faktorene hadde. En designfaktor som var av spesiell interesse var bruken av membran. I tillegg ble en strømningsanalyse gjennomført med en av prototypene, for å undersøke hvordan strømningen utviklet seg. Prototypene ble testet og resultatet fra testene ble diskutert og sammenlignet med annen forskning. Dette ledet til utviklingen av en New Design løsning som inkorporerte anbefalinger fra diskusjonen av resultatene fra de eksperimentelle testene. Den nye New Design løsningen presenterte en måte for å utnytte både væske i bevegelse og stillestående væske, i tillegg til andre fordeler med designet. Dette var mulig på grunn av designet på de forskjellige komponentene av løsningen. Det er verdt å merke seg at selv om en løsning på hovedmålet med denne oppgaven har blitt utviklet, er løsningen for det meste basert på eksperimentelle tester som ble utført over en periode på omtrent fjorten dager. Dette er derfor muligens ikke den mest optimale løsningen for integrasjon av mikrobiologiske brenselsceller med vannfiltre. Flere studier av New Design løsningen og integrasjon av de to primærteknologiene må gjennomføres for å kunne lage den beste løsningen. Fremtidig arbeide med lignende prosjekter burde fokusere på spesifikke deler og funksjoner til New Design løsningen, og lengre eksperimentelle tester burde foretas. Spesielt viktig er fremtidig testing og arbeide med vannkvalitet på væsken som går ut av New Design løsningen, siden dette prosjektet fokuserte på den elektriske produksjonen.