La biopile microbienne

Le dispositif utilisé afin de construire la biopile microbienne est constitué de deux compartiments séparés par une membrane. Le montage est détaillé dans le paragraphe suivant.

5.1. Montage de la biopile

Le premier compartiment est dédié à l’anode tandis que le deuxième est dédié à la cathode. L’électrode utilisée à l’anode est l’électrode SSF/(PEI/rGO)5, réalisée précédemment, et l’électrode de feutre de carbone modifiée avec de la phthalocyanine constitue la cathode. Un biofilm électroactif a été formé à la surface de l’anode à partir de terreau de jardin et par polarisation à un potentiel de -0,246 V vs Ag/AgCl. La densité de courant obtenue à la fin de la polarisation est de 1,5 A/m². Cette anode, nommée SSF/(PEI/rGO)5/biofilm, a ensuite été placé dans le dispositif électrochimique. Les deux compartiments sont séparés par une membrane de Nafion 117® qui permet le transport des protons du compartiment anodique vers le compartiment cathodique. D’un côté, l’anode est immergée dans un mélange de lixiviat de terreau de jardin, d’acétate de sodium (20 mM) et de chlorure de potassium KCl (60 mM). De l’autre côté, la cathode est immergée dans une solution de nitrate de potassium KNO3 (0,1 M) dans laquelle l’oxygène est apporté par bullage continu d’air ou d’oxygène pur. Une résistance externe de 1 kW est connectée aux bornes des deux électrodes [225] afin de permettre le transport des électrons de l’anode à la cathode. Un voltmètre, avec une grande impédance d’entrée (10 MW), est connecté en parallèle afin d’observer l’évolution de la tension de la biopile (Figure 48).

Chapitre 3 : Développement d’électrodes et utilisation en biopile

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Figure 48 : Schéma de montage de la biopile à deux compartiments séparés par une

membrane.

Les évolutions de la densité de courant et de la puissance de la biopile ont été évaluées au cours du temps.

5.2. Densité de courant et puissance de la biopile

L’évolution de la densité de courant avec un bullage d’air est reportée en Figure 49 pendant une période de 40 jours.

Figure 49 : Evolution de la densité de courant avec apport d’oxygène par bullage d’air en

On peut constater une forte diminution de la densité de courant produite durant les premiers jours de fonctionnement de la biopile jusqu’à atteindre une densité de courant de 43,4 mA/m² et une densité de puissance de 1,88 mW/m² au sixième jour (avant addition de l’acétate). Cela correspond à l’équilibrage du biofilm dans la nouvelle configuration de mesure puisque dans ce cas, il n’y a plus de polarisation. Après ajout d’acétate, le courant augmente jusqu’à un maximum de 88 mA/m et correspond à un rendement faradique de 11,9 %. Le deuxième ajout d’acétate est réalisé après 30 jours lorsqu’une légère diminution de courant est observée. Il permet ainsi d’atteindre une valeur d’environ 90 mA/m².

Durant l’expérience précédente, la cathode de feutre de carbone/poly-NiTSPc a été remplacée deux fois (au jour 5 et au jour 21) par une électrode de platine qui est généralement utilisée pour la réduction de l’oxygène. Cet échange a permis de montrer (Tableau 10) que la densité de puissance obtenue avec l’électrode de phthalocyanine est 7,5 fois supérieure à la puissance obtenue avec l’électrode de platine, et ceci dans chaque cas.

Electrode Puissance (mW/m²)

T = 5 Jours T = 21 Jours

Platine 0,93 0,93

Feutre de carbone/poly-Ni-TSPc 7,5 7,57

Tableau 10 : Comparaison des puissances de la biopile en fonction de la nature de la cathode

avec bullage d’air.

L’influence de l’apport en O2 pur par rapport à l’apport en O2 contenu dans l’air a aussi été étudié (Tableau 11).

Temps (jours) ^{Puissance (mW/m²)} Rapport PO2/PAIR ambiant

Air O2

1 24,8 58,6 2,36

5 7,5 22,6 3,01

10 4,9 25,9 5,22

21 7,57 24,8 3,27

Tableau 11 : Comparaison des puissances en fonction de la présence en O2 pur ou contenu dans l’air avec la cathode de phthalocyanine.

Chapitre 3 : Développement d’électrodes et utilisation en biopile

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les deux cas, que ce soit avec la cathode en platine ou en feutre de carbone-poly-NiTSPc, la stabilité de l’électrode est conservée pendant 21 jours.

6. Conclusions

L’utilisation du graphène, afin de modifier une électrode, dans le but de réaliser une bioanode permet donc de réduire le temps de formation du biofilm électroactif, et d’augmenter la capacité de transfert des électrons entre le biofilm et l’électrode. De plus, le développement d’une cathode abiotique à base de feutre de carbone et de phthalocyanine de nickel permet d’obtenir des puissances supérieures à une cathode classique en platine.

Les premiers travaux sur les biopiles microbiennes ont mobilisé un mélange complexe comme inoculum (le terreau de jardin). Cela a permis de valider notre approche sur la modification d’électrode pour l’amélioration des performances électriques. Toutefois, des limites sont apparues quant à l’utilisation de lixiviat de terreau de jardin pour la compréhension des mécanismes mis en jeu pour la production d’électricité. En effet, il est impossible de contrôler la composition microbienne du biofilm formé. En effet, à partir de la même suspension de terreau, une perte d’électroactivité du biofilm a été observée dans le cas de l’électrode en mousse d’acier inoxydable contrairement au biofilm formé à la surface de l’électrode modifiée. Cette perte d’électroactivité du biofilm peut résulter de nombreux facteurs difficilement contrôlables à partir de lixiviat de terreau et notamment avec les conditions expérimentales utilisées. Il est également apparu que le fait de travailler en batch limitait la production d’électricité à un certain temps en raison de la limitation en apport de substrat réalisé manuellement. Enfin, le substrat est consommé par l’ensemble des microorganismes présents dans la biopile, à savoir les microorganismes en suspensions, sous formes planctoniques et sous formes de biofilms. C’est-à-dire qu’il y a des pertes de production d’électricité puisque la source carbonée n’est pas uniquement oxydée par le biofilm.

C’est pourquoi, dans l’objectif de poursuivre l’optimisation d’une biopile microbienne, nous avons choisi de développer un design de biopile permettant de travailler en alimentation continue. Pour cela, il est important d’utiliser des biofilms formés à partir de souches pures dont l’inoculum et les conditions de culture seront standardisées.