Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe z gąbki

02/01/2014, opublikował: Marcin Włudyka

loofah

Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (z ang. microbial fuel cell, MFC) to aparatura, która pozwala na produkcję energii z surowców biodegradowalnych, z wykorzystaniem bakterii i grzybów. Naukowcy z Guangdong Institute of Eco-environmental and Soil Sciences w Guangzhou w Chinach opracowali specjalny materiał anodowy z naturalnej gąbki, który znacznie poprawia skuteczność i efektywność wytwarzania energii. Nowe anody będą posiadać większą powierzchnię właściwą oraz wyższe powinowactwo do żywych komórek bakteryjnych.

MFC to obiecująca technologia umożliwiająca produkcję energii np. ze ścieków. Zgromadzona w nich energia może być wydobywana poprzez zastosowanie mikroorganizmów w formie biokatalizatorów. Pomysł nie jest nowy, badania w tej dziedzinie prowadzone są już od kilkudziesięciu lat. W ogniwach mikrobiologicznych to bakterie lub grzyby przekształcają materię organiczną w prąd elektryczny. Praktycznie każdy biodegradowalny materiał z uwzględnieniem biomas oraz ciekłych odpadów może zostać wykorzystany. MFC wydaje się być panaceum na problemy związane ze wzrostem zapotrzebowania na energię, wyczerpywaniem źródeł kopalnych oraz utylizacją zanieczyszczeń. Istnieje wiele parametrów fizycznych i biologicznych, które wpływają na wydajność pracy MFC, jednak kluczowym elementem stanowiącym o efektywności bezpośredniego przetwarzania substancji organicznych na energię elektryczną jest materiał, z którego zbudowana jest anoda. W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym na anodzie utleniane są surowce biodegradowalne, a produktem jest CO2 oraz ładunki elektryczne. Część gatunków mikroorganizmów zamiast przenosić elektrony do akceptora, przekazuje je na anodę. Następnie transportowane są one poprzez obwód zewnętrzny do katody, wytwarzając prąd elektryczny. Natomiast protony przedostają się przez membranę do katody, gdzie po połączeniu z tlenem i elektronami tworzą wodę.

Mankamentami dotychczasowo produkowanych materiałów anodowych były: zbyt małe wielkości porów (otworów) dla bakterii, niska biokompatybilność, wysoka biodegradowalność, kosztowna i skomplikowana produkcja stosowanych nanomateriałów. Niska gęstość mocy MFC ograniczona wydajnością anody była barierą, która uniemożliwiała praktyczne wykorzystanie mikrobiologicznych ogniw. Poza tym pokrycie bakteryjnymi biofilmami (cienkimi warstwami) tworzonymi na anodzie uzależnione jest od gatunku skupiska oraz powierzchni elektrody.

Naukowcy z Chin na materiał anodowy zaproponowali zmodyfikowaną gąbkę loofah otrzymywaną z owoców azjatyckiej rośliny z rodziny Cucurbitaceae. Miękki, hypoalergiczny, naturalny materiał zbudowany z gęstej siatki włókien, formowany jest we wnętrzu podczas dojrzewania. Anoda wycięta z suchej gąbki loofah została poddana procesowi karbonizacji (zwęglaniu bez dostępu tlenu) w temperaturze 900°C. Stosowana do oczyszczania i masażu ciała tania gąbka została dodatkowo pokryta nanocząsteczkami węgla wzbogaconymi w azot. Makroporowata, roślinna struktura 3D stworzona jest z polianiliny (z ang. polyaniline, PANI, PAni), jednego z najdokładniej przebadanych organicznych polimerów przewodzących prąd elektryczny. Wysokie zdolności absorpcyjne (pochłanianie) oraz odpowiednio duże otwory (pory) z dodatkiem nanocząsteczek sprawiają, że materiał może pomieścić większe ilości kolonii bakteryjnych. Testy wykazały, że gęstość mocy pojedynczej komory MFC
wyposażonej w zmodyfikowaną anodę, wynosiła 1090±72 mW/m^-2. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w internetowym wydaniu czasopisma Environmental Science Technology 15 listopada 2013 roku.

Przedstawione analizy prezentują obiecującą metodę wytwarzania tanich anod MFC o wysokiej wydajności, zbudowanych z trwałych, naturalnych materiałów. Technologie tworzenia mikrobiologicznych ogniw paliwowych oczyszczających ścieki są ciągle w trakcie rozwoju. Póki co, stosowanie MFC na skalę masową jest ograniczone przez szereg czynników, m.in. przez zbyt niskie napięcia, wymuszające szeregowe lub równoległe łączenie komór, wysokie koszty produkcji i trudności w implementacji techniki w skali przemysłowej. Koncepcja MFC wymaga jeszcze wielu usprawnień zanim będzie możliwe jej szerokie wykorzystanie. Jednak tempo, zakres i obiecujące wyniki badań sugerują, że już niedługo będziemy mogli obserwować wydajne i sprawne ogniwa.

Źródło:
[1] Nanostructured macroporous bioanode based on polyaniline-modified natural loofah sponge for high-performance microbial fuel cells. Yong Yuan, Shungui Zhou, Yi Liu, Jiahuan Tang. Guangdong Institute of Eco-environmental and Soil Sciences, Guangzhou 510650, China. Environ. Sci. Technol., 2013, 47 (24), pp 14525–14532 DOI:10.1021/es404163g
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/es404163g [02.01.2014]
[3] http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/es404163g/suppl_file/es404163g_si_001.pdf [02.01.2014]
[4] http://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2013/acs-presspac-december-4-2013/turning-waste-into-power-with-bacteria-and-loofahs.html [02.01.2014]
[5] http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=33732.php [02.01.2014]
[6] washcloth bathsponge and loofah by Steve A Johnson, flickr.com, CC BY 2.0

Udostępnij i podziel się wiedzą!Share on Facebook4Tweet about this on Twitter1Share on Google+0Email this to someone


Dodaj komentarz

Current day month ye@r *