Российские химики научили микробов производить электричество из сточных вод

Российские химики из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина с итальянскими исследователями Университета Генуи экспериментально подтвердили, что научили микробов производить электричество из сточных вод, о чем предоставили отчет, который опубликован в журнале Energies. Согласно разработанной модели, микробные топливные элементы (МТЭ), внедренные в системы очистки, окисляют органику и вырабатывают энергию.

Принцип технологии

О том, что микроорганизмы могут, питаясь в бескислородной среде, выделять электроны в результате окисления органических соединений, ученые знали давно. Но использовать эту способность научились только в начале 20 в. На начальном этапе созданные на основе применения экзоэлектрогенных микробов МТЭ генерировали малые мощности. Тем не менее, эксперименты поражали и толкали на новые исследования.

Фото: элементарный МТЭ

В результате появились целые микробные батареи, работающие в разных условиях. Например, МТЭ в корнях папоротника вырабатывает энергию для питания фотокамеры, которая делает снимки этого растения. А для работы нейростимулятора мозга голубя в его ткани внедрена «микробная электростанция».

Для создания таких топливных элементов необходимо просчитывать все режимы и подбирать оптимальные устройства. Принцип работы микробной батареи:

• на аноде идет окисление органики;
• на катоде – электровосстановление кислорода;
• расстояние между электродами – обеспечивает перемещение протонов и изолирует анод от кислорода.

На эффективность работы виляет многое:

• из каких материалов изготовлены электроды;
• с какой скоростью и в какой концентрации подается органика;
• кислотность самой среды;
• объем системы.

Фото: принцип работы микробного биотопливного элемента

Ученые обычно шли двумя путями:

1. Одни рассматривали МТЭ как ограниченную батарею и анализировали только параметры на входе и выходе.
2. Другие изучали сами процессы, которые происходили в системе. Но эти эксперименты были сильно упрощены и не рассматривались в глобальных масштабах.

Российские химики пошли дальше. Они поставили цель ‒ научить бактерии генерировать мощности из сточных вод. Ведь именно в этой среде неограниченные резервы органики, которая может стать отличным питанием для микробных батарей.

Как учили микробов

Среду для экспериментов создавали искусственно. Для этого раствор глюкозы ввели в смесь солей, куда и запустили микроорганизмы, которые должны создавать энергию. Но это были не просто микробы, а специальный ил, который применяют для очистки стоков. В его состав входят гибридные культуры, которые способны долго оставаться жизнеспособными при дефиците питания и кислорода.

Экспериментировали и с электродами. Лучшие результаты показало устройство из углеродных материалов:

• катодом с применением железо-кобальтового катализатора;
• анодом с основой, покрытой активным илом и нанотрубками.

Батарея выдавала 2 мкВт/см². Конечно, такая мощность не идет ни в какое сравнение с производительностью других аккумуляторов, например, привычных литий-ионных. Но она не уступает аналогичным МТЭ.

Сравнив результат математической модели с итогами экспериментов, ученые увидели максимальное совпадение значений. Поэтому дальнейшие изменения проводили путем расчетов.

Уже стало понятно, увеличение доли глюкозы дает прирост мощности. Но критическое содержание, выше которого не имеет смысла насыщать смесь, – 0,5 моль/л. Таким же способом можно регулировать и другие составляющие, которые влияют на эффективность микробной батареи.

Вывод

Впереди еще много работы. Но уже сейчас понятно, что предложенную технологию можно применять для выработки электроэнергии, внедрив МТЭ с экзоэлектрогенными бактериями в системы водоочистки.

Мощность генерирующих из сточной среды батарей невелика. Но количество водоочистительных систем и непрерывный характер их работы позволяют говорить о больших объемах электричества.