«Биологическое» обессоливание воды и производство водорода в одном флаконе

«Биологическое» обессоливание воды и производство водорода в одном флаконе

Команда исследователей из Университета штата Пенсильвания создала устройство для обессоливания воды при помощи бактерий. Его уникальность в том, что в ходе бактерии еще и производят энергию в виде водорода, компенсируя тем самым энергетические затраты на работу устройства. Инженер-эколог Брюс Логан и его сотрудники уверены в том, что в один прекрасный день их устройство дополнит классические разработки опреснения воды и разрешит приобретать пресную воду из соленой с минимальными затратами энергии.

Во всем мире для получения питьевой воды все чаще употребляется обессоливание. Главное препятствие для повсеместного применения этого процесса – неизбежные (и большие) энергозатраты. Наименее энергоемкая из коммерчески дешёвых разработок – разработка обратного осмоса (RO), – да и то потребляет в среднем 3,7 кВтч/м3.

Наряду с этим количество энергии, нужной для обратного осмоса, возможно было бы уменьшить за счет метаморфозы веществ в питательной воде методом ионного обмена либо за счет понижения концентрации солей в воде.

В начале 2000-х несколько Логана в первый раз пришла к мысли о разработке микробных топливных элементов, каковые применяли бы свойство некоторых бактерий создавать электрическую энергию. А совсем сравнительно не так давно несколько отыскала метод поменять эти устройства для опреснения соленой воды.

В 2009 году созданная Логаном и его сотрудниками совокупность выглядела следующим образом.  Микробный топливный элемент (МТЭ) складывался из трех камер, поделённых двумя мембранами. Соленая вода, подлежащая опреснению, пребывала в средней камере. На аноде вырастала колония бактерий, каковые в ходе 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 данный будет похожим электродиализ воды за исключением того, что для работы МТЭ не нужно внешний источник питания.

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

Ученые смогли наглядно продемонстрировать, что за один подпитываемый цикл работы  МТЭ находящуюся в средней камере воду возможно обессолить на 63%, и взять на выходе большую плотность энергии 480 мВт/м2.
Но у технологии, отчет о которой в «Environmental ScienceTechnology» был назван лучшим техническим докладом года, имелся значительный недочёт: создаваемое электрическое напряжение с понижением солености воды уменьшалось, что ограничивало его использование на практике (напряжение было непостоянным – самый большой показатель относился к началу цикла).

Доработанное устройство, представленное в текущем году, стало называться микробного электродиализного элемента. В данной модифицированной версии микробного топливного элемента Логана исследователи попытались исправить недочёты прошлой модели. Сейчас на камеру с микробами подается маленькое напряжение — это разрешает бактериям всецело переработать (разложить) уксусную кислоту, производя наряду с этим газ водород.

Оказалось, что при подаче на электродиализный элемент 0,55 В, он начинает создавать вдвое больше энергии (в виде водорода), чем нужно для производства добавочного напряжения. По словам Логана, в случае если данный газ передать на водородные топливные элементы, возможно взять хватает электричества для поддержания оптимального электрического потенциала для обессоливания, что, по сути, делает устройство самоокупаемым.

Согласно расчетам Логана, повышение вырабатываемой микробными электродиализными элементами электричества разрешит кроме этого запитать другие процессы обессоливания, например, обратный осмос.

Источник: pubs.acs.org

🔥 ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ. ЛУЧШИЕ ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА.


Темы которые будут Вам интересны: