The research on microbial fuel cells (MFCs) needs various knowledge of different fields such as electrochemistry, microbiology, environmental engineering, and material engineering. Although electrochemically active bacteria are very diverse, the performance of MFCs is affected primarily by the structure of the reactor system. Thus, the development in the system architecture is critical to lower internal resistance and increase power generation for commercialization. This paper summarizes the principles of MFCs and demonstrates the infinite potential of MFCs in various applications including wastewater treatment, biosensors, biohydrogen production, remote power sources, implantable medical devices, etc.
Objectives: This study was conducted to investigate the application of microbial fuel cells (MFCs) to the wastewater treatment systems employed in the Living Building Challenge. Methods: I reviewed a range of information on decentralized wastewater treatment technologies such as composting toilets, constructed wetlands, recirculating biofilters, membrane bioreactors, and MFCs. Results: The Living Building Challenge is a set of standards to make buildings more eco-friendly using renewable resources and self-treating water systems. Although there are various decentralized wastewater treatment technologies available, MFCs have been considered an attractive future option for a decentralized system as used in the Living Building Challenge. MFCs can directly convert substrate energy to electricity with high conversion efficiency at ambient and even at low temperatures. MFCs do not require energy input for aeration if using open-air cathodes. Moreover, MFCs have the potential for widespread application in locations lacking water and electrical infrastructure Conclusions: This paper demonstrated the feasibility of MFCs as a novel decentralized wastewater treatment system employed in the Living Building Challenge.
Kim, In-S.;Chae, Kyu-Jung;Choi, Mi-Jin;Verstraete, Willy
Environmental Engineering Research
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v.13
no.2
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pp.51-65
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2008
The increasing demand for energy in the near future has created strong motivation for environmentally clean alternative energy resources. Microbial fuel cells (MFCs) have opened up new ways of utilizing renewable energy sources. MFCs are devices that convert the chemical energy in the organic compounds to electrical energy through microbial catalysis at the anode under anaerobic conditions, and the reduction of a terminal electron acceptor, most preferentially oxygen, at the cathode. Due to the rapid advances in MFC-based technology over the last decade, the currently achievable MFC power production has increased by several orders of magnitude, and niche applications have been extended into a variety of areas. Newly emerging concepts with alternative materials for electrodes and catalysts as well as innovative designs have made MFCs promising technologies. Aerobic bacteria can also be used as cathode catalysts. This is an encouraging finding because not only biofouling on the cathode is unavoidable in the prolonged-run MFCs but also noble catalysts can be substituted with aerobic bacteria. This article discusses some of the recent advances in MFCs with an emphasis on the performance, materials, microbial community structures and applications beyond electricity generation.
Microbial fuel cells (MFCs) were successfully enriched using sludge contaminated with Cr(VI) and their characteristics were investigated. After enrichment, the charge of the final 10 peaks was 0.51 C ${\pm}$ 1.16%, and the anodic electrode was found to be covered with a biofilm. The enriched MFCs removed 93% of 5 mg/l Cr(VI) and 61% of 25 mg/l Cr(VI). 16S rDNA DGGE profiles from the anodic electrode indicated that ${\beta}$-Proteobacteria, Actinobacteria, and Acinetobacter sp. dominated. This study is the first to report that electrochemically active and Cr(VI)-reducing bacteria could be enriched in the anode compartment of MFCs using Cr(VI)-containing sludge and demonstrates the Cr(VI) removal capability of such MFCs.
In this study, we evaluated the energy production from plant-microbial fuel cells using representative indoor plants, such as Scindapsus aureus and Clatha minor. The maximum power density of microbial fuel cell (MFC) using S. aureus ($3.36mW/m^2$) was about 2 times higher than that of the MFC using C. minor ($1.43mW/m^2$). It was confirmed that energy recovery is possible using plant-MFCs without fuel. However, further research is needed to improve the performance of plant-MFCs. Nevertheless, plant-MFCs have proved their potential as a novel energy source to overcome the limitations of the conventional renewable energy sources such as wind power and solar cells, and could be employed to a power source for the sensor in charge of the fourth industrial revolution.
To improve the potential of single chamber microbial fuel cells (SCMFCs) as an applicable technology, the main challenge is a practical application for larger scales bioenergy production from potent exoelectrogenic microorganism with real dairy wastewater. To increase power generation, three individual MFCs were together operated in series best under the fed batch condition for 15 days. The volume of MFC 1 and MFC 2 is "300 mL" and MFC 3 is "500 mL" respectively. The individual MFCs 1, MFC 2 and MFC 3 gives an open circuit voltage of 0.60 V, 0.66 V and 0.55 V and result in total working voltage when connected in series of 1.745V, which lead an LED to glow. The maximum power densities obtained from MFC 1, MFC 2 and MFC 3 are 62 mW/㎡, 50 mW/㎡ and 45 mW/㎡ (normalized to the surface area of the anodic electrode, which was 50 ㎠ for all three MFCs), and corresponding to current densities of 141 mA/㎡, 155 mA/㎡ and 123 mA/㎡, respectively. Therefore this work suggests the cheapest way to connect microbial fuel cells in series to gain power with the lowest operating cost and chemical oxygen demand (COD) removal.
BACKGROUND: In recent years, microbial fuel cells (MFCs) have emerged as a promising technology for recovering renewable energy from waste biomass, especially wastewater. In this study, the possibility of bioelectricity generation in two chambered mediator-less microbial fuel cells (MFCs) was successfully demonstrated using fermentable and non-fermentable substrates. METHODS AND RESULTS: Two different electron acceptors have been tested in the cathode chamber for the effects of reducing agent on the power generation in MFCs. The average voltages of $0.26{\pm}0.014$ V and $0.36{\pm}0.02$ V were achieved with acetate using oxygen and potassium ferricyanide as reducing agent, respectively. Similarly, with glucose the average voltages of $0.256{\pm}0.05$ V and $0.340{\pm}0.04$ V were obtained using oxygen and ferricyanide, respectively. Using potassium ferricyanide as the reducing agent, the power output increases by 39 and 43% with acetate and glucose, respectively, as compared to the dissolved oxygen. Slightly higher coulombic efficiency (CE%) was obtained in acetate as compared to MFCs operated with glucose. The maximum power densities of 124 mW/$m^2$ and 204 mW/$m^2$ were obtained using dissolved oxygen and $K_3Fe(CN)_6$, respectively. CONCLUSION(s): This study demonstrates that power generation from the MFCs can be influenced significantly by the different types of catholyte. Relatively higher CE was obtained with $K_3Fe(CN)_6$. Thus, application of $K_3Fe(CN)_6$ as the catholyte can be vital for scaling uppower generation from the MFCs forreal time applications.
The heavy reliance on fossil fuels, especially oil and gas has triggered the global energy crisis. Continued use of petroleum fuels is now widely recognized as unsustainable because of their depleting supplies and degradation to the environment. To become less dependent on fossil fuels, current world is shifting paradigm in energy by developing alternative energy sources mainly through the utilization of renewable energy sources. In particular, bioenergy recovery from wastes with the help of microorganism is viewed as one of the promising ways to mitigate the current global warming crisis as well as to supply global energy. It has been proved that microorganism can generate power by converting organic matter into electricity using microbial fuel cells (MFCs). MFC is a bioelectrochemical device that employs microbes to generate electricity from bio-convertible substrate such as wastewaters including municipal solid waste, industrial, agriculture wastes, and sewage. Sustainability, carbon neutral and generation of renewable energy are some of the major features of MFCs. However, the MFC technology is confronted with a number of issues and challenges such as low power production, high electrode material cost and so on. This paper reviews the recent developments in MFC technology with due consideration of electrode materials used in MFCs. In addition, application of biocathodes in MFCs has been discussed.
Microbial fuel cells (MFC) stacked with bipolar plates have been constructed and their performance was tested. In this design, single fuel cell unit was connected in series by bipolar plates where an anode and a cathode were made in one graphite block. Two types of bipolar plate stacked MFCs were constructed. Both utilized the same glucose oxidation reaction catalyzed by Gram negative bacteria, Proteus vulgaris as a biocatalyst in an anodic compartment, but two different cathodic reactions were employed: One with ferricyanide reduction and the other with oxygen reduction reactions. In both cases, the total voltage was the mathematical sum of individual
fuel cells and no degradation in performance was found. Electricity from these MFCs was stored in a supercapacitor to drive external loads such as a motor and electric bulb.
Kim, Minsoo;Song, Young Eun;Li, Shuwei;Kim, Jung Rae
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.12
no.3
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pp.297-301
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2021
Microbial fuel cells (MFCs) convert chemical energy to electrical energy via electrochemically active microorganisms. The interactions between microbes and the surface of a carbon electrode play a vital role in capturing the respiratory electrons from bacteria. Therefore, improvements in the electrochemical and physicochemical properties of carbon materials are essential for increasing performance. In this study, a microwave and sulfuric acid treatment was used to modify the surface structure of graphite granules. The prepared expandable graphite granules (EGG) exhibited a 1.5 times higher power density than the unmodified graphite granules (1400 vs. 900 mW/m3). Scanning electron microscopy and Fourier transform infrared spectroscopy revealed improved physical and chemical characteristics of the EGG surface. These results suggest that physical and chemical surface modification using sulfuric acid and microwave heating improves the performance of electrode-based bioprocesses, such as MFCs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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