Топливных элементов в Иркутской области

Человечество в последние десятилетия столкнулось с несколькими глобальными проблемами. Загрязнение окружающей среды достигает катастрофических масштабов, свалки переполнены, очистные сооружения для сточных вод не справляются со своими задачами, воздух в городах загрязнен промышленными выбросами и выхлопными газами от автотранспорта. Огромный урон природе наносит сжигание различного топлива.

В Иркутской области экологические проблемы не выходят на первый план из-за небольшой плотности населения. При наличии территориальных запасов тип хозяйствования в регионе можно назвать экстенсивным, по аналогии с аграрной терминологией. Полигон бытовых отходов города Иркутск переполнен, в том числе теми отходами, которые могли быть переработаны. Совершенствование очистки сточных вод не финансируется правительством, многие небольшие населённые пункты не имеют очистных сооружений. Особенно эта проблема критична для населенных пунктов, расположенных на берегу озера Байкал. В последние годы о возможных последствиях подобных упущений красноречиво заявила ситуация в северных районах озера, где активно размножаются водоросли рода Spirogyra, нанося непоправимый вред байкальской экосистеме.

Экологически чистый и безопасный источник энергии – это давняя мечта человечества. В наше время эта мечта как никогда раньше близка к исполнению. Среди альтернативных источников энергии - такие прекрасные решения как солнечные батареи и биогаз, являющийся продуктом разложения отходов. Кроме того, есть технологии, позволяющие решить сразу две глобальных проблемы – загрязнение окружающей среды и обеспечение человечества экологически чистой энергией. Например, это микробные топливные элементы (МТЭ).

В МТЭ осуществляется производство электричества, сопряженное с анаэробным окислением органических субстратов. В качестве источника электронов для электрического тока микроорганизмы могут использовать широкий спектр органических субстратов и комплексных соединений, содержащихся в бытовых и промышленных сточных водах.

Рисунок 1 - Схема функционирования МТЭ [http://www.cosmosonline.ru/news_cosmos/2934-sozdan-mikrobnyy-toplivnyy-element-rabotayuschiy-na-slyune.html]

 

Рисунок 2 – макет МТЭ [Фото Красавцевой М.С.]

В МТЭ органическое вещество и бактерии находятся в анодной камере в анаэробных условиях. Катод, напротив, находится в аэробных условиях. Анодная и катодная камеры разделены ионоселективной мембраной, которая способна пропускать протоны и препятствует попаданию кислорода в анодную камеру (рис. 1, 2).

В прошлом году был получен новый максимальный показатель эффективности МТЭ, культура Geobacter показала самую высокую плотность тока в МТЭ со специальным анодом (11220 Вт/м³) [Ren H. et al., 2016].

Однако технология все еще не имеет широкого практического применения, несмотря на множество существующих разработок по всему миру [Logan et al., 2015]. Одни авторы рассматривают теоретически возможности практического применения, другие освещают успешный опыт получения электроэнергии в лабораторных условиях. В то же время - мало публикаций о работе МТЭ в реальных «полевых» условиях.

Первая демонстрация практического применения была произведена в 2001 году, когда с помощью технологии МТЭ успешно питали электричеством метеорологический буй в океане. Устройство по расчетам производило энергию эквивалентную 26 щелочным батарейкам в год [Bond., 2002].

В мире было запущено несколько пилотных проектов, где МТЭ в полевых условиях производили электричество за счет утилизации сточных вод. Например, в 2011 г. пилотный МТЭ был установлен на реальных очистных сооружениях Howdon STW [Heidrich et al., 2014].

Рисунок 3 – Схема МТЭ, работающего на сточных водах в университете Ньюкасла [Источник: Heidrich et al., 2014].

 

В Иркутском университете исследуются в качестве биоагентов ряд штаммов, в том числе готовый микробиологический препарат «Доктор Робик», состоящий из микроорганизмов, предназначенных для утилизации бытовых сточных вод. Был проведен ряд опытов с данным препаратом, показано, что он способен производить ток с напряжением до 600 мВ. Максимальная плотность тока 0,15 Вт/м² и 0,2 Вт м³.

 

Таблица 1 - Минимальные площадь электродов и объем МТЭ, необходимые для обеспечения работы устройств с потреблением энергии 1 кВт.

 

Источник	Площадь электродов (м^2)	Объем МТЭ (м^3)
Geobacter обогащенная культура	178,25	0,09
Активный ил		3,57
Микробный препарат «Доктор Робик»	6756,75	5050,5

Таблица 2 - Примеры устройств, для функционирования которых было бы достаточно тока, производимого указанными МТЭ с указанными объемом и площадью электродов.

Источник	Площадь электродов (м^2)	Объем МТЭ (м^3)	Устройства
Geobacter обогащенная культура	3,57	0,02	1 персональный компьютер
Активный ил	5,41	0,07	1 энергосберегающая лампочка
Микробный препарат «Доктор Робик»	6,70	5,05	1 мобильный телефон (зарядка)

 

На основании полученных результатов и данных из международных публикаций был сопоставлен и оценен потенциал практического применения МТЭ. Из расчетов (таблица 1) следует, что максимальная энергия, полученная на основе Geobacter, может обеспечить энергией небольшой дом. Объем МТЭ для поддержания работы приборов с суммарным потреблением электроэнергии 1 кВт/ч должен быть не менее, чем 0,09 м³. Кроме того, всего 0,02 м³ Geobacter достаточно для работы одного компьютера (таблица 2). Однако такие высокие показатели были получены в лабораторных условиях, с использованием дорогостоящих материалов, что не позволяет пока говорить о коммерциализации представленной технологии.

МТЭ с активным илом, работающие на бытовых сточных водах, показывают меньшие результаты. Из расчетов с максимальными показателями следует, что МТЭ объемом 0,07 м³ может обеспечить работу лишь одной энергосберегающей лампы. Для такой установки также понадобится площадь поверхности электродов не менее 5,41 м².

В МТЭ с препаратом «Доктор Робик» плотность тока намного ниже, чтобы обеспечить зарядку мобильного телефона понадобится устройство объемом 5 м³ и 6,7 м² площадь поверхности электродов. На основе существующего проекта МТЭ в Великобритании [Heidrich et al., 2014], возможно построить прототип устройства в Иркутской области. Препарат «Доктор Робик» создан для утилизации бытовых отходов, поэтому имеет смысл разработать устройство, работающее на сточных водах в отдаленных районах региона, где нет основных линий электроэнергии и нет городской канализации. Это могут быть небольшие деревни или туристические стоянки, устройство может работать как биотуалет со станцией для подзарядки сотовых телефонов.

На следующем этапе исследования возможно спроектировать устройство подробнее, создать схему, построить устройство и испытать в полевых условиях, например, на территории биостанции института в поселке Большие Коты на берегу Байкала. Бактерии сами размножаются, причем размножаются именно те бактерии, которые чувствуют себя наиболее комфортно именно в данных условиях, значит расход самого препарата минимальный. Возможные проблемы реализации проекта: масштабирование, высокая цена электродов или мембран, замерзание микроорганизмов в зимний период.

Потенциально, при успешной реализации будущего проекта, он может быть масштабируем на очистные сооружения в городах. Из вышесказанного можно заключить, что технология МТЭ – это многообещающий альтернативный источник энергии, однако многие вопросы, связанные с МТЭ, все еще остаются открытыми.

 

Литература

1. Bond D.R. Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments / D.R. Bond, D.E. Holmes, L.M. Tender, D.R. Lovley.// Science. -Vol. 295, 2002. – P. 483-485.

2. Heidrich E. S. Performance of a pilot scale microbial electrolysis cell fed on domestic wastewater at ambient temperatures for a 12-month period / E. S. Heidrich, S. R. Edwards, J. Dolfing, S. E. Cotterill, T. P. Curtis // Bioresource Technology, 2014. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.09.083 [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085241401342X]

3. Logan Bruce E., Wallack Maxwell J., Kyoung-Yeol Kim, Weihua He, Yujie Feng, and Pascal E. Saikaly. Assessment of Microbial Fuel Cell Configurations and Power Densities // Environ. Sci. Technol. Lett., 2015, V. 2 (8), P. 206–214

4. Ren H. A miniaturized microbial fuel cell with three-dimensional graphene macroporous scaffold anode demonstrating a record power density of over 10 000 W m−3 / H. Ren, H. Tian, C. L. Gardner, T.L. Ren, J. C. Nanoscale, // Nanoscale Vol.6, 2016. – P. 3539-3547.

 

 

Шахаева Е.В., Щеблыкин А.С.,

аспиранты географического

факультета ФГБОУ ВО «ИГУ»,г. Иркутск