Struja proizvedena od organskog otpada

Neki od najsićušnijih stanovnika planete mogu pomoći u rješavanju dva velika društvena problema: kako se nositi s ogromnom količinom organskog otpada i gdje naći čiste, obnovljive izvore energije!

Prema Cesar Torresu i Sudeep Popatu, istraživačima sa Biodizajn instituta pri Univerzitetu u Arizoni, određene vrste bakterija su sposobne da pretvaraju otpad u korisnu energiju. Ovi mikroorganizmi se trenutno primjenjuju u pomenute svrhe kroz inovativne tehnologije poznate kao mikrobne gorivne ćelije – MFC.

Struja proizvedena od organskog otpada
Ovaj grafički prikaz predstavlja osnovu mikrobiološke gorivne ćelije. MFC se sastoji od anode, katode, proton ili katjon izmjenjivačke membrane i strujnog kola. Anodno-respiratorne bakterije se nalaze zakačene za MFC anodu. U toku svoje metaboličke aktivnosti ove bakterije izvlače elektrone iz organskog otpada. Elektroni zatim prolaze kroz strujno kolo do katode proizvodeći električnu energiju, kao i ugljendioksid i vodu. Hidroksidni joni se transportuju sa katode u elektrolit.

foto:www.sciencedaily.com

 

Kako Torres objašnjava, „velika prednost MFC je direktna konverzija organskog otpada u električnu energiju“. U budućnosti MFC mogu biti povezane sa tokovima otpada iz opština ili izvorima poljoprivrednog i životinjskog otpada, sa obezbjeđivanjem održivog sistema za tretman otpada i proizvodnje energije.

Za širu upotrebu tehnologije potrebno je da se radi na poboljšavanju efikasnosti. „Moj trenutni fokus je razumijevanje, na fundamentalnom nivou, na koji način anodno-respiratorne bakterije prenose elektrone iz svoje ćelije na elektrode“, navodi Popat, „kao i da se osmisle novi sistemi koji su ekonomični i efikasni“.

Naučni tim je ustanovio da postoje značajni gubici u MFC zbog reakcija koje se odigravaju na katodi ovih ćelija. Modifikovanjem materijala koji se koriste za katodu kao i podešavanjem pH vrijednosti, oni su bili u stanju da poboljšaju performanse katode.

Rezultati istraživanja ovog naučnog tima nedavno su se pojavili u časopisu ChemSusChem, u posebnom izdanju posvećenom MFC tehnologiji.

Torres i Popat su radili u Centru za biotehnologiju životne sredine (pri Univerzitetu u Arizoni), kojim rukovodi profesor Bruce Rittman, koji je i koautor ove studije. Biotehnologija životne sredine je disciplina koja se ubrzano razvija i to na različitim poljima, uključujući oblasti mikrobiologije, bioinformatike, hemije, genomike, nauke o materijalima, i udruživanjem različitih tehnika koriste se biološki entiteti, uključujući i bakterije, radi pomaganja društvu.

Dvije glavne oblasti biotehnologije životne sredine su biomedijacija ili čišćenje ekoloških zagađivača i proizvodnja čiste energije. Kako napominju autori, MFC može da obavlja dvostruku funkciju, targetiranje elektrona iz otpada i njihovo konvertovanje u korisnu energiju.

MFC je jedinstvena vrsta baterije – dijelom je elektrohemijska ćelija a dijelom biološki reaktor. Tipično, ona sadrži dvije elektrode razdvojene jonoizmjenjivačkom membranom. Na strani anode, bakterije rastu i razmnožavaju se, stvarajući gust ćelijski sloj poznat kao biofilm koji se drži na anodi MFC-a. U toku njihovog metabolizma, bakterije djeluju kao katalizatori za konverziju organskog supstrata u CO2, protone i elektrone.

Pod prirodnim uslovima mnoge bakterije koriste kiseonik kao elektron akceptor da bi proizvele vodu, ali anaerobnim uslovima u MFC-u, specijalizovane bakterije dominantno šalju elektrone do nerastvornog elektron akceptora, odnosno MFC anode.

Anodno-respiratorne bakterije su u stanju da oksiduju organske zagađivače, kao što su oni koji se nalaze u otpadu, i da prenesu elektrone do anode. Zatim elektroni prolaze kroz strujno kolo do katode MFC-a, i tako se generiše struja. Joni se transportuju kroz jonoizmjenjivačku membranu u gorivnim ćelijama, kako bi se održala elektroneutralnost.

U nastojanju da se što jasnije precizira tehnologija i otkriju izvori gubitaka u MFC-u, naučnici su posmatrali reakciju redukcije kiseonika na MFC katodi. Iako se ranije spekulisalo da se efikasnost ćelije smanjuje zbog toga što je na katodi niska raspoloživost protona, nova istraživanja su pokazala da je umjesto toga transport hidroksidnih jona (OH–) od katalitičkog sloja katode do okolne tečnosti glavni uzrok katodnog gubitka potencijala u uređaju.

„Otkrili smo da je gustina energije koju možemo proizvesti u MFC-u katodno ograničena“, navodi Popat. „To je veoma iznenađujuće, jer u hemijskim gorivnim ćelijama, isti katalizator omogućava stvaranje mnogo veće gustine energije.“

Ključ za shvatanje ove razlike je u činjenici da MFC, za razliku od hemijske gorivne ćelije, mora raditi pri neutralnoj vrijednosti pH u anodnoj komori, kako bi se obezbijedili optimalni uslovi za rast i aktivnost mikroorganizama koji katalizuju reakcije. Na katodi, OH– joni izazivaju povećanje pH vrijednosti zbog ograničavajuće stope njihovog transporta. Dalje, svako povećanje pH vrijednosti za jedinicu izaziva gubitke na katodi od 59 milivolti a istraživači su otkrili da pH na katodi može lako da pređe 12, što predstavlja značajan gubitak.

Pokušavajući da se popravi ova situacija, sprovedeno je detaljno ispitivanje transportnih osobina katode. Jonske razmjene na vezivu, koje se nalazi na katodi obično pomažu transport jona u okolni elektrolit. Obično je ovo vezivo napravljeno od materijala poznatog kao nafion, koji je, kako autori objašnjavaju, dobar za prenos pozitivno naelektrisanih katjona, poput protona, ali je loš za prenos negativno naelektrisanih anjona, kao što su hidroksidni joni, koji se akumuliraju na MFC katodi, ili od anjonskih tampon vrsta, kao što su fosfati i bikarbonati, koji pomažu prenos hidroksidnih jona.

Eksperimentalni polimer, poznat kao AS-4, koji ima visok kapacitet razmjene anjona, korišćen je u studiji umjesto nafiona, kao katodno vezivo. Ova modifikacija je obezbijedila efikasan transport hidroksidnih jona i poboljšala performanse katode. Studija je pokazala da OH-transport može biti i dodatno poboljšan tako što će se pH podešavati direktno kroz dodavanje smješe CO2 i vazduha, što bi služilo kao tampon za katodne katalizatore.

Studija predstavlja prvu sveobuhvatnu analizu sa katodnim ograničenjima u MFC-u i biće osnova za dalji razvoj ovih sistema. „Glavni značaj našeg rada nije u tome da se trenutno pruže odgovori na sva pitanja, već da se sprovede studija i utvrdi kako se ponaša katoda i identifikuju izvori neefikasnosti“, objašnjava Torres. On još kaže: „Sada možemo da počnemo rad na iznalaženju rješenja.“

 

izvor: ScienceDaily

preveo i priredio: Jovan Adžić

 

https://naucnenovosti.me/wp-content/uploads/2014/01/11.jpghttps://naucnenovosti.me/wp-content/uploads/2014/01/11-150x150.jpgadminHemijaOrganski otpad,StrujaNeki od najsićušnijih stanovnika planete mogu pomoći u rješavanju dva velika društvena problema: kako se nositi s ogromnom količinom organskog otpada i gdje naći čiste, obnovljive izvore energije! Prema Cesar Torresu i Sudeep Popatu, istraživačima sa Biodizajn instituta pri Univerzitetu u Arizoni, određene vrste bakterija su sposobne da pretvaraju otpad...Naučne Novosti