The potential of reduced graphene oxide decorated with magnetite nanoparticles in the physical and biological processes of bioenergy production

Abstract

"In this work, the effects of the addition of reduced graphene oxide adorned/decorated with magnetite nanoparticles (rGO-MNPs) were analyzed for bioenergy production. The thesis work is divided into V chapters. Chapter I is an overview of nanoadditives in biological processes to produce energy. Chapter II presents the effects of the addition of rGO-MNPs in the biogas enrichment process. Interestingly, rGO-MNPs boosted the CH4 production by 47%, 28% and 33% relative to the control without nanomaterial for 50, 100 and 200 mg/L, respectively. The improving in CH4 was linked to the sorption capacity of the nanomaterials, to the electron shuttling capacity (ESC) provided from conductive graphene, and to the release of Fe2+ in the media. Moreover, significant structural changes occurred in the rGO-MNPs composite after hydrogenotrophic tests. Raman spectra and XRD patterns of the recovered rGO-MNPs suggested a loss of crystallinity, and FTIR and Raman indicated that the material was oxidized during biological treatment. Chapter III explores the use of rGO-MNPs as adsorbent for inhibitor compounds present in wood hydrolysates. The importance of the use of wood hydrolysates lies in the fact that they come from lignocellulosic biomass, an abundant and renewable feedstock for biofuels. During the hydrolysis step, different by-products other than sugars, can cause microbial inhibition in the fermentation step. Therefore, rGO-MNPs was used to detoxificate the hydrolysate. It was conclude that rGO-MNPs can adsorb fermentation inhibitors such as, furfural, 5-hydroxymethyl-furfural, levulinic acid, vanillic acid and vanillin from wood hydrolysates with a minimal sugar loss of 5.9, 6.2 and 7.6%, for 10, 20 and 50 mg of the adsorbent. Then, Chapter IV shows that the addition of reduced graphene oxide (rGO) and rGO-MNPs can improve the production of acetic acid, a very important commodity in the chemical industry. rGO and rGO-MNPs enhanced the acetic acid production by 32% and 23% with 100 mg/L of nanomaterial added, respectively. Such improvement is linked to the higher electron shuttling capacity, the sorption capacity and the dosing of dissolved Fe2+ to the medium. Finally, chapter V presents the perspectives, conclusions and final remarks of the thesis work."

"En este trabajo se estudiaron los efectos de la adición óxido de grafeno reducido adornado/decorado con nanopartículas de magnetita (rGO-MNPs) en diferentes procesos biológicos para la producción de energía. El trabajo de tesis se divide en V capítulos. El Capítulo I presenta una visión general sobre procesos biológicos para la producción de energía en donde se han adicionado nanomateriales. En el Capítulo II se estudia la adición de rGO-MNPs en el enriquecimiento de biogás por microorganismos hidrogenotróficos y la adición de H2. Se concluyó que el composito rGO-MNPs estimuló la producción de CH4 en un 47%, 28% y 33% con 50, 100 y 200 mg/L del composito. La mejora se vinculó a la capacidad de sorción de H2, a la mejora en la capacidad de transferencia de electrones (ESC), y al Fe2+ liberado al medio líquido. En cuanto a los cambios estructurales, los espectros Raman y los patrones de difracción de rayos equis (XRD) del rGO-MNPs recuperado indicaron una pérdida de cristalinidad. El Capítulo III presenta el uso de rGO-MNPs como adsorbente de compuestos inhibidores presentes en hidrolizados de madera. Los hidrolizados de madera provienen de biomasa lignocelulósica, una materia prima abundante y renovable que puede ser utilizada para la producción de biocombustibles. Durante la obtención del hidrolizado se pueden producir diferentes subproductos distintos de los azúcares, estos pueden causar inhibición microbiana en el subsecuente proceso de fermentación. Por tanto, rGO-MNPs se utilizó como adsorbente para desintoxicar el hidrolizado. rGO-MNPs pudo adsorber furfural y otros compuestos inhibidores derivados de la lignina con una pérdida mínima de azúcar de 5.9, 6.2 y 7.6%, para 10, 20 y 50 mg de composito. En el Capítulo IV se estudió la adición los nanomateriales en el proceso de fermentación de syngas para obtener metabolitos de interés como es el ácido acético. Se encontró que el óxido de grafeno reducido (rGO) y rGO-MNPs mejoraron la producción de ácido acético en un 32% y un 23% con 100 mg/L de material. Tal mejora se relacionó con la mayor capacidad de transferencia de electrones y la capacidad de sorción. Finalmente, en el Capítulo V se presentan las cocluciones, las perspectivas y las observaciones finales del trabajo de tesis."