Микробные топливные ячейки превращают биоотходы в электроэнергию

Инновационная технология MFC (microbial fuel cell), разработанная в аризонском государственном университете, позволяет утилизировать органический мусор, напрямую преобразовывая его в энергию.

Конструкция MFC объединяет в себе черты электрохимической ячейки и биологического реактора. Обычно, она содержит два электрода, разделенные ионообменной мембраной. На поверхности анода бактерии формируют плотную субстанцию, называемую биопленкой. В ходе своего метаболизма микроорганизмы действуют подобно катализаторам для преобразования органической основы в углекислый газ, протоны и электроны.

В естественных условиях многие бактерии используют кислород в качестве финального акцептора электронов и получают воду, однако в беcкислородной среде свободные электроны собираются нерастворимым акцептором — анодом. Затем электроны по электроцепи переходят на катод, а ионы транспортируются через мембрану для сохранения электронейтральности.

В будущем, MFC могут быть применены на муниципальных свалках, образуя систему производства дешевой возобновляемой энергии. Для этого предстоит, прежде всего, существенно улучшить работу MFC. В своей работе, о которой рассказано в специальном издании журнала ChemSusChem, посвященном MFC, группа показала, что потери эффективности отчасти обусловлены реакциями, протекающими на катоде топливной ячейки. Ионы OH- вызывают там локальный рост кислотного уровня вплоть до 12 пунктов pH, а увеличение его на каждое деление выше нейтрального ведет к потерям примерно 59 мВ.

Исследователи также нашли путь, как улучшить эксплуатационные характеристики MFC. Для этого они предложили заменить ионообменный материал Nafion экспериментальным полимером AS-4, проницаемым для анионов, включая гидроксиды. Кроме того, регулировать уровень pH, по их данным, можно напрямую, создавая буфер из смеси углекислого газа с кислородом на катоде.