|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 04/2006
Wytwarzanie energii ze ścieków...
|
|
|
Tradycyjne ogniwa paliwowe przetwarzają konwencjonalne nośniki energii – wodór lub metanol - w energię elektryczną i ciepło. Nieoczekiwanie – o czym większość z nas nawet nie śniła – opanowano zasadę działania bioogniwa paliwowego, wykorzystując energię przemiany substancji organicznych z udziałem mikroorganizmów.
|
Dzięki tej innowacji będzie można w niedalekiej przyszłości wytwarzać z odpadów rolno-spożywczych oraz miejsko-gminnych oczyszczalni ścieków (rys. 1) energię elektryczną.
Naukowcom z Uniwersytetu im. Ernsta Moritza Arndta w Greifswaldzie (RFN) udało się jako pierwszym „zdrutować” obieg energii elektrycznej poprzez uzyskanie jej w procesie przemiany substancji organicznej z udziałem mikrobów.
Dla tego typu ogniwa paliwowego trzeba było opracować nową technologię sporządzenia elektrody, uwzględniając jej biokompatybilne pokrycie wraz z elektrokatalityczną aktywnością: węglowo-platynową anodę pokryto przewodzącym elektryczność tworzywem sztucznym, którym jest polianilina. Ona, jako anoda, przejmuje elektrony z bakteryjnej przemiany substancji organicznej. W praktyce tą operację przeprowadzono po raz pierwszy następująco: w zbiorniku z wodnym roztworem glukozy zapoczątkowano bakteryjną jej przemianę, przy czym cały ten roztwór z biegnącą beztlenowo fermentacją był cyrkulowany pompą poprzez komorę anodową. Komora ta jest oddzielona od podobnej katodowej półprzepuszczalną membraną, przez którą mogą przenikać tylko protony.
W ramach postępujących badań natrafiono na różnorakie przeszkody, zakłócające ciągłą oraz równomierną wytwórczość energii elektrycznej. Jedną z nich było osadzanie się w komorze anodowej – na częściach, które nie były pokryte wymienionym polimerem – produktów z bakteryjnych przemian substancji organicznych, co przerywało pracę ogniwa. Wprowadzenie stabilizatorów polimerowych wraz z regularnymi wstrząsami falowymi cieczy pulsatorem wyeliminowało zjawisko osadzania się produktów pofermentacyjnych w komorze anodowej. Te innowacje techniczno-procesowe zapewniły prototypowemu bioogniwu paliwowemu ciągłą eksploatację oraz równomierny przepływ energii elektrycznej 1,5 mA w przeliczeniu na każdy cm kw. anody. Nie jest to wiele, ale nie można wątpić w dalsze udoskonalenia techniczno-procesowe – jak w każdym nowym przedsięwzięciu.
Badania w tej dziedzinie są również podejmowane przez inne czołowe w świecie placówki naukowe. Szybkie rozszerzanie się tego typu badań stymuluje przekonanie, że na tej drodze będzie można w przyszłości z różnorakich odpadów – przykładowo z lokalnych oczyszczalni ścieków, jak i odpadów przemysłu rolno-spożywczego – wytwarzać w znacznie skróconych operacjach procesowych – w porównaniu do dziś stosowanych – energię elektryczną.
W analogicznych studiach eksperymentalnych na uniwersytecie w Pennsylwanii, USA, stosuje się w bioogniwach paliwowych (tam określanych jako Microbial Fuel Cell – MFC) - w postaci nośnika energii - ścieki z typowego gospodarstwa domowego.
Istota tego procesu jest podobna do przebiegającego w naszym żołądku trawienia spożytego posiłku, który – przetwarzany przez bakterie do wody oraz dwutlenku węgla – wyzwala energię dla naszego organizmu. Tu też zostają wyzwolone elektrony, ale one łączą się od razu z tlenem - do anionu, a ten następnie z dwoma protonami - do wody.
Tymczasem w bioogniwie paliwowym tlen utrzymuje się z dala od źródła wyzwalania elektronów: one bowiem oddzielają się od nośnika energii podczas biologicznej przemiany substancji organicznej na anodzie, a tlen „czeka” na nie na katodzie, przy czym między tymi elektrodami jest membrana półprzepuszczalna. Przez nią przepływają jedynie protony. Elektrony przepływają natomiast przewodami z anody do katody, ale przez odbiornik energii elektrycznej – i to czyni bioogniwo paliwowe jej wytwornicą.
Jednokomorowy prototyp bioogniwa paliwowego w amerykańskiej wersji MFC składa się z rury o średnicy 6 cm i wysokości 15 cm. Katodę wykonano z grafitu, pokrytego tworzywem sztucznym oraz platyną i umieszczono w osi aparatu. Otoczono ją półprzepuszczalną membraną, przez którą przenikają protony z anody. Ta składa się z ośmiu czopków grafitowych. Opływają je ścieki z gospodarstwa domowego, a bakterie - gromadzące się na elementach grafitowych – rozkładają ich organiczne substancje. Bakteryjnie wyzwolone protony z substancji organicznych przenikają przez membranę do katody, na której łączą się z tlenowymi jonami do wody. Natomiast elektrony z anody – uzyskiwane równocześnie z protonami w czasie bakteryjnego rozkładu substancji organicznych ze ścieków – przepływają przewodem przez odbiornik energii elektrycznej do katody. Na niej jonizują się atomy tlenu z powietrza poprzez przejmowanie dopływających elektronów.
Naukowcy amerykańscy w swoim prototypowym, jednokomorowym bioogniwie paliwowym osiągnęli moc w granicach 10-50 mW/m kw. powierzchni elektrody.
Jednokomorowe, amerykańskie bioogniwo paliwowe swą prostotą konstrukcyjną przewyższa dwukomorową aparaturę z uniwersytetu w Greifswald, aczkolwiek dalsze, intensywne prace badawcze są w toku nad obiema technologiami, gdyż każda z nich ma różnorakie wady i zalety.
Należy sądzić, że tak, jak nad ogniwami fotowoltaicznymi pracowano przez prawie trzydzieści lat, to podobnie długo potrwają działania badawczo-wdrożeniowe nad bioogniwami paliwowymi.
Jest to jednak strategicznie ważny temat, tak w aspekcie gospodarczym, jak i ochrony środowiska. Ścieki z miasta liczącego 100 000 mieszkańców, umożliwiają wytwarzanie w bioogniwach paliwowych 50 kW energii elektrycznej w każdej godzinie. Mikroorganizmy zmniejszają bowiem w ściekach miejskich zawartość organicznych zanieczyszczeń aż o 78%.
Prezentowane rozwiązanie uefektywni wielokierunkowo miejskie oczyszczalnie ścieków i konieczne jest podjęcie podobnych badań w krajowych, specjalistycznych placówkach naukowych.
Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj
Zamów prenumeratę
|
|
|
|
