Подбор физико-химических условий для повышения КПД микробного топливного элемента – перспективного источника энергии на предприятиях

Актуальность

Альтернативные источники энергии в наше время являются актуальной для изучения областью, так как это достаточно дешевые и мощные установки, которые позволяют использовать возобновляемые источники энергии и наносят меньший вред окружающей среде. Получение энергии в микробных топливных элементах (МТЭ) представляется весьма перспективным, так как одной из черт, отличающих МТЭ от существующих технологий является то, что МТЭ могут работать днём и ночью при широком спектре температур и в широком спектре внешних условий. Одним из источников альтернативной энергетики могут стать бактерии рода Rhodoferax ferrireducens. Они примечательны тем, что способны давать ток, поглощая органические соединения, в частности глюкозу. В данной работе авторы предлагают один из способов повышения КПД микробного топливного элемента, что позволит в перспективе внедрить данный источник энергии в различные производства.

Цель

Разработать и предложить варианты применения способа, позволяющего повысить КПД МТЭ для последующей реализации на предприятии.

Задачи

1. Подобрать и изучить литературу по теме проекта.

2. Проанализировать возможности для улучшения характеристик существующего прототипа топливного элемента и выявить перспективные области для применения МТЭ.

3. Проверить гипотезу о наличии зависимости электроактивности бактерий рода Rhodoferax ferrireducens от рН среды в рамках лабораторного исследования.

4. Определить условия, при которых КПД топливного элемента будет максимальным, используя данные лабораторного исследования зависимости электроактивности бактерий от рН среды.

5. Рассмотреть существующие виды производств и принципы их работы с целью выявления наиболее подходящего для внедрения МТЭ.

6. Определить параметры МТЭ для предприятия.

7. Разработать эскиз будущего макета предприятия.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

· рН-метр Nanna

· Потенциостат Ellins

· Аналитические весы Shimadzu

· Лазерный станок

· Мерные стаканы

· Мерные колбы

· Программное обеспечение: SolidWorks

Описание

Топливный элемент – электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне.

Микробный топливный элемент представляет собой источник тока, в котором металлические катализаторы заменены культурами микроорганизмов, с помощью которых электроны транспортируются на анод. В результате химическая энергия микробного топливного элемента превращается в электрическую.

В настоящее время исследования в области устойчивой энергетики изучают применение и конструкцию микробных топливных элементов с использованием бактерий рода Rhodoferax ferrireducens.

В микробном топливном элементе с бактериями Rhodoferax ferrireducens бактериальная суспензия представляет собой восстановленное соединение, которое бактерии используют в качестве источника электронов. Бактерии метаболизируют это соединение, переносят высвободившиеся электроны через свои дыхательные сети и в конечном итоге отдают их синтетическому акцептору электронов, также известному как анод. При подключении к катоду бактериальный метаболизм восстановленного соединения производит электричество и CO₂.

В 2020 году авторы в условиях лаборатории выполнили сборку прототипа МТЭ, использующего бактерии рода Rhodoferax ferrireducens. Лабораторный прототип состоит из: катодной камеры, анодной камеры с бактериями и ионоселективной мембраны. К каждой камере подходят электроды, выходящие контактами наружу. Камеры отделены друг от друга ионоселективной мембраной, пропускающей протоны водорода по градиенту концентрации.

Проанализировав имеющуюся литературу, авторы пришли к выводу, что одним из перспективных направлений для внедрения МТЭ с Rhodoferax ferrireducens является их использование на предприятиях по производству сахара, поскольку бактерии данного вида способны получать электричество путём электрохимического взаимодействия с глюкозой. Причем за счёт правильного подбора значения pH среды возможно значительное улучшение характеристик таких топливных элементов.

В 2021 году на базе лабораторного прототипа МТЭ было проведено исследование оптимального значения pH для бактерий Rhodoferax ferrireducens с использованием потенциостатических методов исследования.

Изначальное значение pH среды, в которой культивировали бактерии, лежал в диапазоне значений от 7,0 до 7,6. Для получения растворов с необходимым значением рН среду разбавляли 30%-м раствором молочной кислоты. Измерение pH проводили с помощью pH-метра Hanna.

В ходе исследования к анодной и катодной камерам МТЭ были подключены электроды. Катодная камера была анаэробная. Она была закрыта ватно-марлевой пробкой, пропускающей воздух. Отрицательный полюс потенциостата подключался к анодной камере, а положительный к катодной. Бактерии находились в анаэробной камере, которая была закрыта гидрозатвором. Далее микробный топливный элемент оставляли на сутки при комнатной температуре. Когда кислород в камере заканчивался, бактерии начинали проявлять свои электрогенные свойства при переходе в анаэробную стадию. Это фиксировалось подключенным к компьютеру потенциостатом Ellins, который измерял разность потенциалов.

По полученным данным был построен график и определено значение pH среды, которое необходимо поддерживать для повышения КПД топливного элемента.

На последнем этапе проекта авторы создали в программе SolidWorks макет станции по производству сахара, куда планировалось внедрение микробного топливного элемента, а также определили этапы производства, на которых возможно его использование.

Результаты работы/выводы

Преимущество МТЭ перед традиционным производством электроэнергии заключается в прямом преобразовании химической энергии в электричество, благодаря чему повышается эффективность преобразования энергии.

Для исследованных значений кислотности среды в диапазоне от 4,0 до 7,0 с шагом 0,5 обнаружено оптимальное значение рН = 6. Данный вывод сделан на основании самых высоких зарегистрированных значениях потенциала 14589 мВ.

Использование МТЭ с Rhodoferax ferrireducens возможно на предприятиях по производству сахара вследствие того, что они взаимодействуют с глюкозой и переносят высвободившиеся электроны.

Самым пригодным местом на заводе производства сахара может быть блок анаэробного сбраживания, так как изучаемые бактерии демонстрируют свои электрогенные свойства как раз при переходе в анаэробную стадию.

Перспективы использования результатов работы

Дальнейшее изучение бактерий рода Rhodoferax ferrireducens достаточно перспективно, поскольку они могут быть использованы для дешевых и эффективных источников энергии – источников постоянного тока, которые работают за счет окисления органических субстратов и обладают всеми свойствами обычной батарейки. Поэтому нужно внимательно изучить и другие физико-химические параметры, которые могут привести к повышению эффективности работы, например оценить влияние CO₂ в инкубаторах.

Необходимо проверить работоспособность МТЭ для широкого диапазона температур, так как согласно данным из литературы оптимальной температурной является 15 °C и выше, а для более низких температур упоминаний практически нет.

Кроме того, необходимо оценить безопасность использования бактерий на пищевых предприятиях в долгосрочной перспективе.

В работе обсуждается возможность использования МТЭ на заводе по производству сахара, но стоит отметить также, что перспективна и разработка МТЭ для получения электричества в процессе обработки органических отходов пищевой промышленности, сельского хозяйства, муниципальных сточных вод, а также получение с их помощью водорода.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РХТУ им. Д.И. Менделеева, МФТИ