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.
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: 21.11.2024).