Биологическое обессоливание воды и производство водорода в одном флаконе

Биологическое обессоливание воды и производство водорода в одном флаконе

Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания разработала устройство для обессоливания воды при помощи бактерий. Его уникальность в том, что в процессе бактерии еще и вырабатывают энергию в виде водорода, компенсируя тем самым энергетические затраты на работу устройства. Инженер-эколог Брюс Логан и его коллеги считают, что в один прекрасный день их устройство дополнит традиционные технологии опреснения воды и позволит получать питьевую воду из соленой с минимальными затратами энергии.

Во всем мире для получения питьевой воды все чаще используется обессоливание. Основное препятствие для повсеместного использования этого процесса – неизбежные (и немалые) энергозатраты. Наименее энергоемкая из коммерчески доступных технологий – технология обратного осмоса (RO), – и то потребляет в среднем 3,7 кВтч/м3. При этом количество энергии, необходимой для обратного осмоса, можно было бы уменьшить за счет видоизменения химических веществ в питательной воде путем ионного обмена или за счет снижения концентрации солей в воде.

В начале 2000-х группа Логана впервые пришла к мысли о разработке микробных топливных элементов, которые использовали бы способность некоторых бактерий производить электрическую энергию. А совсем недавно группа нашла способ изменить эти устройства для опреснения соленой воды.

В 2009 году разработанная Логаном и его коллегами система выглядела следующим образом. Микробный топливный элемент (МТЭ) состоял из трех камер, разделенных двумя мембранами. Соленая вода, подлежащая опреснению, находилась в средней камере. На аноде вырастала колония бактерий, которые в процессе окисления органических веществ высвобождали в раствор позитивно заряженные частицы – протоны (а на анод – электроны). Баланс заряда в анодной камере поддерживался за счет поступления в нее отрицательно заряженных (Cl-) ионов из средней камеры через анионообменную (положительно заряженную) мембрану (AEM). На катоде же протоны, уходящие на восстановление кислорода, сменялись катионами (Na+), поступающими через мембрану катионного обмена (CEM) из средней камеры. Процесс этот походит на электродиализ воды за исключением того, что для работы МТЭ не требуется внешний источник питания.

Для обеспечения анодной камеры органическими веществами ученые предложили использовать бытовые сточные воды с низкой электрической проводимостью (~1 мСм/см). В этом случае производство электроэнергии и опреснение воды в МТЭ увеличивается за счет энтропической разности энергий между анодной камерой и камерой опреснения (из-за разной степени их солености).

Ученые смогли наглядно показать, что за один подпитываемый цикл работы МТЭ находящуюся в средней камере воду можно обессолить на 63%, и получить на выходе максимальную плотность энергии 480 мВт/м2.
Однако у технологии, отчет о которой в «Environmental Science & Technology» был назван лучшим техническим докладом года, имелся существенный недостаток: производимое электрическое напряжение с понижением солености воды уменьшалось, что ограничивало его практическое применение (напряжение было непостоянным – самый высокий показатель относился к началу цикла).

Доработанное устройство, представленное в этом году, получило название микробного электродиализного элемента. В этой модифицированной версии микробного топливного элемента Логана исследователи постарались исправить недостатки предыдущей модели. Теперь на камеру с микробами подается небольшое напряжение – это позволяет бактериям полностью переработать (разложить) уксусную кислоту, вырабатывая при этом газ водород. Оказалось, что при подаче на электродиализный элемент 0,55 В, он начинает производить в два раза больше энергии (в виде водорода), чем необходимо для производства добавочного напряжения. По словам Логана, если этот газ передать на водородные топливные элементы, можно получить достаточно электричества для поддержания оптимального электрического потенциала для обессоливания, что, по сути, делает устройство самоокупаемым.

По прогнозам Логана, увеличение вырабатываемой микробными электродиализными элементами электроэнергии позволит также запитать другие процессы обессоливания, к примеру, обратный осмос.

  • Дата публикации: 24.01.2011
  • 308

Чтобы оставить комментарий или выставить рейтинг, нужно Войти или Зарегистрироваться