Desarrollo de nuevos materiales y estrategias para sistemas bioelectroquímicos con aplicaciones analíticas y de producción de energía

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En esta Tesis se fabricaron nuevos materiales: electrodos y membranas de bajo costo, los cuales se caracterizaron mediante varias técnicas fisicoquímicas, y se ensayaron en diferentes sistemas bioelectroquímicos (BES). Los electrodos se fabricaron a partir de una tinta conductora elaborada a base de...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: González Pabón, María Jesús
Formato: Tesis Doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2020
Materias:
DISPOSITIVOS ANALITICOS
MATERIALES DE BAJO COSTO
MICROFLUIDICA EN PAPEL
NANOMATERIALES
SISTEMAS BIOELECTROQUIMICOS
TOXICIDAD
ANALYTICAL DEVICES
BIOELECTROCHEMICAL SYSTEMS
LOW-COST MATERIALS
MICROFLUIDICS ON PAPER
NANOMATERIALS
TOXICITY
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6757_GonzalezPabon
Aporte de:
Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires
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description En esta Tesis se fabricaron nuevos materiales: electrodos y membranas de bajo costo, los cuales se caracterizaron mediante varias técnicas fisicoquímicas, y se ensayaron en diferentes sistemas bioelectroquímicos (BES). Los electrodos se fabricaron a partir de una tinta conductora elaborada a base de nanotubos de carbón, quitosano y dodecilsulfato de sodio (NTC-CS-SDS), empleando como sustrato papel filtro Whatman®No.1. Las membranas fueron diseñadas utilizando alcohol de polivinilo y quitosano (PVA:CS). El desempeño de los electrodos y membranas diseñados y construidos se evaluó en diferentes BES, realizando comparaciones con materiales comerciales de electrodo y membranas (Toray paper y Nafion®) Los materiales fabricados fueron ensayados como componentes principales de diferentes sistemas bioelectroquímicos, entre ellos: i) Celdas de electrolisis microbianas (MECs), ensambladas con la membrana PVA:CS, para producción de H2y ii) Biosensores microfluídicos de papel con transducción de celda de combustible microbiana (μPMFC) para la determinación rápida de toxicidad en aguas. Para la evaluación de la membrana de PVA:CS en MEC se empleó una celda de dos cámaras (volumen de trabajo = 0,4 L en cada cámara). Las tasas de producción de H2alcanzadas empleando la membrana de PVA:CS y Nafion® fueron de 1277,40 ± 45,98 y 1218,03 ± 38,00 mL H2L-1d-1, respectivamente. En relación con el dispositivo analítico, el biosensor μPMFC se diseñó para un volumen de trabajo de 16 μL. Se usó papel de celulosa para generar los compartimentos anódico y catódico; la membrana de PVA:CS como separador de ambos compartimientos y los electrodos NTC-CS-SDS como ánodo y cátodo. El papel de celulosa permitió el transporte de reactivos y/o muestras liquidas mediante fuerzas capilares. Como elemento de reconocimiento biológico se empleó la cepa Pseudomonas putidaKT2440 y como agente tóxico de referencia el Zn2+. Ensayos con este catión mostraron diferentes grados de respuesta (inhibición del metabolismo microbiano), en el rango de entre 0,1 y 15 mg L-1 de Zn2+. Se realizaron comparaciones con bioensayos estandarizados. Los resultados evidenciaron el potencial de los nuevos materiales para ser usados tanto en sistemas de producción de energía como en dispositivos analíticos descartables.
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Los electrodos se fabricaron a partir de una tinta conductora elaborada a base de nanotubos de carbón, quitosano y dodecilsulfato de sodio (NTC-CS-SDS), empleando como sustrato papel filtro Whatman®No.1. Las membranas fueron diseñadas utilizando alcohol de polivinilo y quitosano (PVA:CS). El desempeño de los electrodos y membranas diseñados y construidos se evaluó en diferentes BES, realizando comparaciones con materiales comerciales de electrodo y membranas (Toray paper y Nafion®) Los materiales fabricados fueron ensayados como componentes principales de diferentes sistemas bioelectroquímicos, entre ellos: i) Celdas de electrolisis microbianas (MECs), ensambladas con la membrana PVA:CS, para producción de H2y ii) Biosensores microfluídicos de papel con transducción de celda de combustible microbiana (μPMFC) para la determinación rápida de toxicidad en aguas. Para la evaluación de la membrana de PVA:CS en MEC se empleó una celda de dos cámaras (volumen de trabajo = 0,4 L en cada cámara). Las tasas de producción de H2alcanzadas empleando la membrana de PVA:CS y Nafion® fueron de 1277,40 ± 45,98 y 1218,03 ± 38,00 mL H2L-1d-1, respectivamente. En relación con el dispositivo analítico, el biosensor μPMFC se diseñó para un volumen de trabajo de 16 μL. Se usó papel de celulosa para generar los compartimentos anódico y catódico; la membrana de PVA:CS como separador de ambos compartimientos y los electrodos NTC-CS-SDS como ánodo y cátodo. El papel de celulosa permitió el transporte de reactivos y/o muestras liquidas mediante fuerzas capilares. Como elemento de reconocimiento biológico se empleó la cepa Pseudomonas putidaKT2440 y como agente tóxico de referencia el Zn2+. Ensayos con este catión mostraron diferentes grados de respuesta (inhibición del metabolismo microbiano), en el rango de entre 0,1 y 15 mg L-1 de Zn2+. Se realizaron comparaciones con bioensayos estandarizados. Los resultados evidenciaron el potencial de los nuevos materiales para ser usados tanto en sistemas de producción de energía como en dispositivos analíticos descartables. In this Thesis we made and characterize new materials: Low-cost electrodes andmembrane materials thatwere characterized through physicochemical, electrochemical and different tests in bioelectrochemical systems (BES). The electrodes were made by dip-coating from a conductive ink prepared fromcarbon nanotubes, chitosan and sodium dodecyl sulfate (NTC-CS-SDS), by using Whatman®No.1 filter paper, and the membranes were synthesized from polyvinyl alcohol and chitosan (PVA:CS). The performance of the electrodes and membranes was obtained by assaying them in BES systems, and were compared against commercial electrode and membrane materials such as carbon paper (known as “Toray paper”) and Nafion®, respectively.The materials manufactured here allowed us to i) test a BES such as MECs (microbial electrolysis cells) assembled with PVA:CS membrane, for hydrogen production and ii) the development of a microbial fuel cell-based biosensor (μPMFC) for the rapid determination of water toxicity. MEC reactors with a working volume of 0.4 L (each chamber) were used to evaluate the membranes. The H2production rates with PVA:CS was 1277±46 mL H2Lcat-1d-1 and 1218±38 mL H2Lcat-1d-1with Nafion®. On the other hand, the analytical device (μPMFC) was designed using a working volume of 16 μL, and NTC-CS-SDS electrode material as anode and cathode electrodes. PVA:CS was used as separator material, avoiding the mixing of anodic and cathodic compartments, made of cellulose paper, which allow reagent and sample transport by means of capillary forces. Pseudomonas putidaKT2440 was used as bio-recognition element and Zn2+ was selected as a reference toxicant. Inhibition of microbial metabolism due to different toxicant concentrations was studied and it showed to be responsive between 0.1 mg L-1and 15 mg L-1of Zn2+. Further, comparisons were drawn between the results obtained and standardized bioassays. The results show that the new materials are ideal candidates for use in energy production systems and disposable MFC-based analytical devices. Fil: González Pabón, María Jesús. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. 2020 Tesis Doctoral PDF Español info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6757_GonzalezPabon

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