Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ БИОГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Кусачева С.А. 1 Черняев С.И. 1 Сащенко И.И. 1 Гришакова В.В. 1 Жукова Ю.М. 1 Морозенко Д.Н. 1
1 Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»
В настоящее время в биоэнергетике применяются различные конструкции топливных элементов, которые позволяют получать альтернативные энергоносители в результате жизнедеятельности живых систем. Статья посвящена рассмотрению прикладных аспектов получения биоэлектричества как результата каталитической деятельности некоторых микроорганизмов. Рассмотрены проблемы конструкционных и технологических решений, а также обозначены возможные направления их решения. Выполнен обзор приемлемых материалов и конструкций топливных элементов, лежащих в основе передовых отечественных и зарубежных разработок в направлении совершенствования микробных топливных элементов. Осуществлен обоснованный выбор материалов, используемых для корпуса устройства и электродов. Приведено обоснование и показана актуальность выполнения прикладных разработок в области альтернативной энергетики. Разработаны конструктивные элементы микробного топливного элемента и показана возможность его использования.
биоэнергетика
топливные элементы
электрохимическое преобразование
альтернативное электричество
1. Витер В.Н. Топливные элементы: прошлое, настоящее, будущее // Химия и химики. –2008. – № 1. – C. 2–5.
2. Кусачева С.А., Морозенко М.И., Черняев С.И., Жукова Ю.М. Фундаментальные и прикладные аспекты производства биоэлектрической энергии // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 6–3. – C. 479–484.
3. Свойства полипропилена [Электронный ресурс] // Компания «Камелот Пласт»: сайт. – Режим доступа: http://www.camelotplast.ru/info/svoistva-polypropilen.php (дата обращения 26.11.2015).
4. Сырой С. Топливные элементы: экскурс в будущее [Электронный ресурс] // Проект «XDreamView»: сайт. – Режим доступа: http://xdrv.ru/articles/technologies/36/full (дата обращения 26.11.2015).
5. Теоретическая проработка ресурсосберегающей технологии получения биоэлектричества на основе микробиологической утилизации отходов органического происхождения: отчёт о НИР (промежуточный): № 1.68.10 / КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана; рук. С.А. Сафронова; исполн.: М.И. Морозенко и др. – Калуга. 2010. – 61 с.
6. Топливные элементы [Электронный ресурс] // История компьютера: сайт. – Режим доступа: http://chernykh.net/content/view/575/774 (дата обращения 04.06.2015).
7. Черняев С.И. Развитие экологического маркетинга в России и зарубежом // Экономика. Управление. Право. – 2013. – № 5 (41). – С. 03–06.
8. Черняев С.И. Учебно-методическая разработка «Формирование рынка экологических работ, товаров и услуг» // Международные и региональные проблемы развития национальной экономики в современных условиях: cб. науч. ст. XII МНПК. – Калуга: издательство «Эйдос», 2013. – С. 364–366.
9. Чумаков П.Е, Сафронова С.А., Ильин В.К. О проблемах и перспективах получения биоэлектричества в условиях космического полета и современного города // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: материалы Всерос. НТК 10–12 декабря 2008 г. Т. 1. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
10. Aelterman P., Rabaey K., The Pham H., Boon N., Verstraete W. Continuous electricity generation at high voltages and currents using stacked microbial fuel cells. – Commun Agric Appl Biol Sci 2006. – № 71(1). – С. 63–66.
11. Katz E., Shipway A.N., Wilner I. Biochemical fuel cells // In Handbook of fuel cells – Fundamentals, Technology and Application / Ed. by Vielstich W., Lamm A., Gasteiger H.A. // John Wiley & Sons, Ltd. – 2003.
12. Logan B.E., Hamelers B., Rozendal R., Schroder U., Keller J., Freguia S., et al. (). Microbial fuel cells: methodology and technology // Environ. Sci. Technol. – 2006. – № 40. – Р. 5181–5192.
13. Potter M.C. Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds // Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. – 1911. – Vol. 84. – P. 260–276.

Общеизвестно, что природные запасы используемого в качестве источников энергии органического топлива – угля, газа и нефти не бесконечны. И время, когда они иссякнут, катастрофически приближается, особенно на фоне безудержного роста их добычи, наблюдаемого в последние десятилетия. Возникает необходимость в поиске других источников энергии – альтернативных, нетрадиционных, возобновляемых, к которым принято относить такие, как солнечная, термальная (геотермальная), энергия приливов (отливов), биотопливо, ветроэнергия и др.

Генерирование и использование возобновляемой биоэнергии рассматривается как одно из возможных направлений решения задачи обеспечения процессов рационального использования материальных и энергетических ресурсов. Основные направления работ в этой области посвящены развитию альтернативных методов производства электричества, в том числе с применением особых свойств микроорганизмов [9].

Принципиальная возможность генерации электрического тока бактериями была доказана давно, уже почти сто лет назад, а устройства для генерации тока бактериями – микробиологические топливные элементы (МТЭЛы) достаточно интенсивно изучаются около пятидесяти лет [1, 11, 13]. Технология, использующая микробные топливные ячейки, которые конвертируют энергию, запасенную в химических соединениях органического состава, в электрическую энергию, в результате жизнедеятельности микроорганизмов, продолжает вызывать у исследователей неподдельный интерес.

Весьма интересным и перспективным направлением развития альтернативной энергетики в последнее десятилетие принято считать использование в качестве электрогенераторов специфических микроорганизмов. По уже имеющимся данным, некоторые микроорганизмы могут довольно широко использоваться для производства электричества при осуществлении биологического распада органических отходов. Известны различные методы и технологии переработки отходов органического происхождения в условиях антропогенных экосистем городов [7].

В качестве одного из направлений работы при решении проблемы биодеградации образующейся в них органики может рассматриваться технология микробиологической утилизации органических, в первую очередь пищевых отходов, совместимая с процессами получения биоэнергии из вторичных продуктов их переработки – жидкой фазы, содержащей органические соединения [2; 8].

Процессы получения биоэлектричества за счет каталитической активности микроорганизмов пока изучены недостаточно. Исследования и определение механизмов генерации электрического заряда микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности в заданных условиях являются актуальной задачей современного этапа развития биотехнологии и электрохимии.

Особую важность приобретает решение данной проблемы в случаях, когда появляется необходимость получения биоэлектроэнергии с применением каталитических свойств микроорганизмов в условиях затрудненного энергообеспечения посредством использования традиционных энергоносителей. В таких условиях могут оказаться востребованными системы получения биоэнергии, обладающие высокой степенью автономности. Анализ результатов работ в области микробиологической утилизации органических отходов указывает на перспективность применения этого метода в различных отраслях промышленности, а также жилищно-коммунальном хозяйстве [2; 5; 9].

Прямые топливные элементы на муравьиной кислоте (DFAFC) являются подтипом PEMFC-устройств с прямой подачей муравьиной кислоты. Благодаря своим специфическим особенностям эти топливные элементы имеют большие шансы в будущем стать главным средством питания такой портативной электроники, как ноутбуки, сотовые телефоны и т.д. Как и метанол, муравьиную кислоту напрямую подают в топливный элемент без специальной стадии очистки. Хранить это вещество также намного безопаснее, чем, например, водород, к тому же не требуется обеспечивать какие-либо специфические условия хранения: муравьиная кислота является жидкостью при нормальной температуре. Более того, у этой технологии есть и два неоспоримых преимущества перед прямыми метаноловыми топливными элементами. Во-первых, в отличие от метанола, муравьиная кислота не просачивается через мембрану (поэтому эффективность DFAFC по определению должна быть выше). Во-вторых, в случае разгерметизации, муравьиная кислота не столь опасна, как многие другие вещества [4].

Причины существенного интереса к исследованию процессов, лежащих в основе функционирования систем получения биоэнергии, связаны с поиском новых источников энергии и проблемами охраны окружающей среды, а также с получением возобновимых источников энергии. Системы получения биоэнергии, использующие особые электрогенные свойства микроорганизмов, могут функционировать (практически автономно) в течение довольно длительного времени.

Принципиальные основы создания таких систем базируются на применении микробных топливных элементов (МТЭЛов). Быстрый прогресс в области конструирования МТЭЛов и надежды на усовершенствование электрогенных микроорганизмов в ближайшем будущем позволят решить проблему создания промышленных технологий получения электричества с помощью микроорганизмов (в российском ГосНИИ генетики микроорганизмов выведен новый штамм электрогенных бактерий-мутантов с более высоким уровнем регенерации электронов на основе шеванеллы, которые отличаются увеличением выработки электронов на 30–40 процентов).

В МТЭЛах органическое вещество и бактерии находится в анодной камере в анаэробных условиях. Катод, напротив, находится в аэробных условиях (аэрируется). Анодная и катодная камеры разделены ионоселективной мембраной, которая способна пропускать протоны и препятствует попаданию кислорода в анодную камеру [2; 10; 12].

Основные принципы работы топливных элементов, несмотря на существенно отличающиеся эксплуатационные характеристики, остаются неизменными. Любой топливный элемент представляет собой устройство электрохимического преобразования энергии, в котором осуществляется выработка электрической энергии из некого количества топлива (со стороны анода) и окислителя (со стороны катода). Реакция протекает в присутствии электролита (вещество, содержащее свободные ионы и ведущее себя как электропроводящая среда). В любом таком устройстве есть некие реагенты, поступающие в него, и продукты их реакции, выводимые после осуществления электрохимической реакции. Электролит в данном случае служит лишь средой для взаимодействия реагентов и не меняется в топливном элементе [4].

Исходя из такой схемы идеальный топливный элемент должен работать долго, пока есть подача необходимых для реакции веществ.

Непосредственно функционирование топливных элементов представляет собой следующее: реакция катализа, проходящая в топливном элементе, выбивает электроны и протоны из топлива, а движущиеся электроны образуют электрический ток.

В роли катализатора, ускоряющего реакцию, в топливных элементах, как правило, используются платина или ее сплавы.

Другой каталитический процесс возвращает электроны, объединяя их с протонами и окислителем, в результате чего образуются продукты реакции (выбросы). Эти выбросы представляют собой в основном простые вещества: воду и углекислый газ [6].

В традиционном топливном элементе с протонообменной мембраной полимерная протонопроводящая мембрана разделяет стороны анода и катода. Со стороны катода водород диффундирует на анодный катализатор, где из него впоследствии выделяются электроны и протоны. Протоны проходят через мембрану к катоду, а электроны, неспособные следовать за протонами (мембрана электрически изолирована), направляются по цепи внешней нагрузки (система энергоснабжения). На стороне катодного катализатора кислород вступает в реакцию с протонами, прошедшими через мембрану, и электронами, поступающими по цепи внешней нагрузки. В результате этой реакции получается вода (в виде пара или жидкости). Например, продуктами реакций в топливных элементах, использующих углеводородное топливо (метанол, дизельное топливо), являются вода и двуокись углерода.

Следует отметить, что топливные элементы практически всех типов страдают от электрических потерь, вызванных как естественным сопротивлением контактов и элементов топливного элемента, так и электрическим перенапряжением (дополнительная энергия, необходимая для осуществления исходной реакции).

В ряде случаев полностью избежать этих потерь невозможно, однако чаще всего их можно свести к допустимому минимуму. Одним из вариантов решения проблемы, является использование комплектов из этих устройств, в которых топливные элементы, в зависимости от предъявляемых к системе электроснабжения требований, могут подключаться параллельно (для получения большего тока) или последовательно (для получения большего напряжения) [4].

Проведенный ретроспективный анализ зарубежных и отечественных литературных источников позволил осуществить представленное ниже обоснование выбора материалов, использованных в качестве корпуса и электродов при создании системы биогенерации электроэнергии, для проведения лабораторных исследований.

При выборе материала для корпуса лабораторного устройства биогенерации электроэнергии остановились на полипропилене (рисунок) – термопластичном полимере, способном долгое время функционировать в агрессивных водных средах.

pic_22.tif pic_23.tif pic_24.tif

Элементы биореактора

Выбор материала был обусловлен и многими другими его качествами:

– хорошими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур;

– светопроницаемостью;

– малой поглотительной способностью;

– повышенной жесткостью;

– морозостойкостью до –70 °С;

– низкой газо- и паропроницаемостью;

– физиологической нейтральностью;

– отсутствием запаха;

– невосприимчивостью к щелочам в любой концентрации;

– невосприимчивостью к растворам любых солей;

– невосприимчивостью к карбоновым, плавиковой и концентрированной соляной кислотам;

– устойчивостью к маслу и овощным сокам;

– устойчивостью к спиртосодержащим жидкостям и бензину [3].

Проанализировав различные варианты, в качестве материала электродов выбрали графит прямоугольной формы (также могут быть использованы алюминий, медь или нержавеющая сталь), с целью создания максимальной площади реакционных поверхностей. Выбор именно графита в качестве электродного материала обоснован рядом его достоинств. У графитовых электродов прекрасная электропроводимость, позволяющая поддерживать высокую плотность тока, и в связанном состоянии, в виде карбидов, он характеризуется твердой износостойкой фазой, довольно устойчивой против окисления при взаимодействии со многими агрессивными средами.

Повышению эффективности процесса также способствовало малое (в пределах 5 мм) расстояние между электродами, к которым были подведены медные провода диаметром сечения 2 мм.

Использование упомянутых материалов в процессе многократных измерений при проведении лабораторных исследований позволило получить биоэлектричество из жидких органических отходов с использованием электрогенных микроорганизмов Shewanella oneidensis и активного ила (максимальные показатели DC: напряжение – 0,48 В; сила тока – 200 мкА) [2].

В заключение следует отметить, что проведенное исследование в основу которого была положена, полученная из разных литературных источников информация о различных подходах, использованных в передовых отечественных и зарубежных разработках, направленных на совершенствование микробных топливных элементов, позволило осуществить обоснованный выбор материалов, которые были применены в качестве корпуса модели (полипропилен) и электродов (графит), при создании опытного образца лабораторного устройства.


Библиографическая ссылка

Кусачева С.А., Черняев С.И., Сащенко И.И., Гришакова В.В., Жукова Ю.М., Морозенко Д.Н. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИЙ И МАТЕРИАЛОВ СИСТЕМЫ БИОГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 6-1. – С. 51-54;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35977 (дата обращения: 18.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074