Перспективы и направления развития технологии микробных топливных элементов и спектр их применения для решения глобальных экологических проблем

УДК 504.06

Е.А. Жигула

ЖИГУЛА Екатерина Александровна - аспирант кафедры безопасности в чрезвычайных ситуациях и защиты окружающей среды Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: ktwalker17@gmail.com © Жигула Е.А., 2012

Перспективы и направления развития технологии микробных топливных элементов и спектр их применения для решения глобальных экологических проблем

Представлена краткая характеристика развивающейся технологии МТЭ, обладающая рядом как несомненных достоинств, так и определенными внутренними ограничениям. Приведен краткий обзор ведущихся на сегодняшний день исследований в данной области. Особое внимание уделено вопросам оптимизации работы микробных топливных элементов, в частности развитию элементов, работающих с аэробными денитрифицирующими биокатодами.

Ключевые слова: микробный топливный элемент, биокатод, производство электроэнергии, биоэлектрохимические системы.

Perspectives and trends in the developing technology of microbial fuel cells and the range of it's applications for the global environmental problems. Ekaterina A. Zhigula - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The paper characterizes the microbial fuel cell technology and its use for sustainable wastewater treatment, power generation and disposal of certain kinds of wastes. This paper presents an overview of ongoing research in that sphere. One of the most promising directions in the development of this technology is the use of aerobic denitrifying biocathodes for the optimization of microbial fuel cell performances. Key words: microbial fuel cell, biocathode, electricity generation, bioelectrochemical system.

Микробные топливные элементы (МТЭ) представляют собой биоэлектрохимическую систему, вырабатывающую электрический ток благодаря использованию бактерий. Эта технология основана на катаболизме таких веществ, как глюкоза, ацетат, бутират, которые вступают в реакцию со сточными водами. Благодаря окислению высвобождаются электроны, которые передаются на анод, после чего выработанный электрический ток по проводнику поступает к катоду (см. рисунок). Несмотря на то что идея использования микробных клеток в попытке производства электроэнергии была выдвинута М.С. Поттером еще в 1911 г., нынешняя концепция дизайна МТЭ была предложена лишь в 1977 г. исследовательской группой Сузуки Тою. Идея была подхвачена и изучалась позже более подробно сначала М.Ю. Алленом, а позже Г.П. Беннето из Лондонского Королевского колледжа, предвидевшего возможность использования микробных топливных элементов для выработки электроэнергии в странах третьего мира. Начатые в 1980-х исследования Беннето помогли понять процесс работы топливных элементов. Многие до сих пор признают его неоспоримый авторитет в решении этого вопроса.

Производство электричества с использованием для этого бактерий - новое направление эффективного получения биоэнергии, поскольку катализаторы окисления органических веществ легко окупаемы, ведь бактерии самовоспроизводятся, а бактериальные реакции могут проходить в самых разных диапазонах температуры [2]. Основными типами отходов биомассы для энергетических целей считаются древесная щепа, стружка, гранулы, растительные остатки и бытовые отходы. В растворенной форме большой процент биомассы присутствует в сточных водах.

Совсем недавно исследовательская группа доктора Брюса Логана из университета Пенсильвании, которая ведет работу по внедрению МТЭ в промышленность, обнаружила, что производство электроэнергии не является единственным результатом работы МТЭ. Оказалось, что с добавлением в систему электропитания на катоде образуется водород. В этом случае вся система становится микробным электролитическим элементом (МЭЭ) [1]. Как исследовательские понятия МТЭ и МЭЭ входят в группу биоэлектрохимических систем (БЭХС) [3].

Общая схема двухкамерного микробного топливного элемента

Значительное количество научных публикаций, появившихся в течение двух последних десятилетий, свидетельствует о том, что интерес к проблеме использования микробных топливных элементов постоянно растет. Общая озабоченность вопросами сохранения энергоресурсов и воды способствовала быстрому подъему исследовательской работы в этой области. Уже понятно, что микробные топливные элементы - чистая, эффективная и надежная альтернатива всем видам топлива, наносящим вред окружающей среде. Они помогут решить все более обостряющуюся проблему очистки сточных вод, будут применяться для опреснения морской воды, производства водорода, утилизации загрязняющих веществ. Преимущества использования микроорганизмов в биоэлектрохимических системах:

- все они почти ничего не стоят;

- микроорганизмы разнообразны и функционируют при различных рН, Eh, Т и т.д.;

- их можно использовать в широком спектре субстратов;

- микроорганизмы способны самовосстанавливаться.

Верхний предел мощности, которая может быть достигнута в МТЭ, еще не известен, потому что высокое внутреннее сопротивление служит ограничивающим фактором. Об этом говорят результаты, полученные исследовательской группой доктора Брюса Логана. Весной 2008 г. на винном заводе Quixote Winery в Калифорнии ученые из этой группы приступили к реализации проекта по применению микробного топливного элемента. Экспериментальное внедрение прототипа МТЭ показало, что существующие на данный момент микробные топливные элементы обладают рядом серьезных недостатков, которые определяются следующими факторами: их работу сложно поддерживать, они могут быть чувствительны к изменениям температуры и давления, а производимая ими мощность пока что относительно мала. Причины, обусловливающие их низкую производительность, определяются технологическими факторами (протекания, попадание воздуха в анодную камеру), а также отрицательными моментами в процессе работы реактора (ограничения массопе-реноса / кинетические ограничения при больших токах, обратный поток протонов через мембрану, реакция на катоде).

Научные коллективы лабораторий США, Китая, Австралии и других стран в последние годы ведут исследования в области оптимизации работы МТЭ. С этой целью проводятся лабораторные испытания элементов, работающих с разными типами анодов, катодов и мембран ионного обмена. Следует отметить, что используемые катоды принято разделять на две категории: абиотические катоды (с металлическим покрытием и химические катоды) и биокатоды.

Из-за высокого окислительно-восстановительного потенциала, обилия воздуха и относительно низкой стоимости питания кислород является самым популярным электронным акцептором для катодной реакции

в МТЭ. Недавние исследования аэробных биокатодов, в которых кислород используется в качестве электронного акцептора, вызвали повышенный интерес из-за их устойчивой высокой производительности электроэнергии по сравнению с химическим катодом.

Известно, что присутствие кислорода подавляет процесс денитрификации, поэтому денитрифицирующие биокатоды принято относить к анаэробным. Однако недавно ряд микроорганизмов был изолирован от анаэробного реактора на основе его способности использовать нитраты в качестве акцептора электронов в насыщенных воздухом условиях. Предполагаемое развитие аэробных денитрифицирующих биокатодов для устойчивой очистки сточных вод, производства электроэнергии и питательных веществ будет включать в себя разработку следующих вопросов:

- необходимость достигнуть высокой скорости диффузии протонов через мембрану протонного обмена;

- установление между бактериями и поверхностью электродов достаточного электрического контакта;

- достижение соответствующего напряжения для получения полезной энергии в МТЭ;

- избегание дорогостоящих абиотических катализаторов для обеспечения широкомасштабного применения;

- повышение катодного потенциала с целью роста уровня денитрификации.

Несмотря на ряд существенных препятствий, которые еще только предстоит преодолеть, у технологии микробных топливных элементов в силу ряда факторов есть большое будущее. Во-первых, само «топливо» найти весьма просто, тем более что сейчас вопрос очистки сточных вод и утилизации многих видов отходов стоит очень остро, а применение технологии МТЭ решает обе проблемы. Во-вторых, эффективность использования микробных топливных элементов (хотя пока только теоретически) может быть очень высокой.

Автор данной работы также ведет исследования в этой области, надеясь в будущем усовершенствовать денитрифицирующие биокатоды и тем самым внести свой вклад в развитие технологии микробных топливных элементов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Логан Б.Э., Ким С.Е., Гинкель С. Биологическое производство водорода // Environmental Science and Technology. 2002.

2. Лю Х., Ченг С., Логан Б.Э. Производство электричества в однокамерном микробном топливном элементе на основе ацетата // Environmental Science and Technology. 2005. N 32. P. 658-662.

3. Раби К., Верстрейт У Микробные топливные элементы: новая технология для производства энергии // Trends Biotechnology. 2005. N 23. P. 291.

X

УДК 37.022 С.Е. Тлустая

ТЛУСТАЯ Сусанна Евгеньевна - доцент кафедры проектирования архитектурной среды и интерьера Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: susanna.tlu@gmail.com © Тлустая С.Е., 2012

Зеленые зоны города

Анализируется роль зеленых насаждений в городской среде и способы озеленения. Приводятся факты мирового и отечественного опыта озеленения, позволяющего нивелировать негативное воздействие урбанизации на человека, не нарушая при этом экосистему.

Ключевые слова: урбанизация, экосистема, озеленение крыш, сохранение экосистемы.

Green zone of the city. Susanna E. Tlustaya - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok). The role of green spaces in urban environments and ways of gardening. The facts of global and domestic experience, allowing nivilirovat negative impact of urbanization on the person, without disrupting the ecosystem. Key words: urbanization, ecosystem, roof greening, conservation of the ecosystem.

С увеличением численности населения возникают новые мегаполисы, а существующие города поглощают близлежащие малые населенные пункты с их разделительными зелеными зонами. Но любая городская среда нарушает естественную экосистему. Тотальная урбанизация создала окружение из железобетона,