Bakteryjne rafinerie i oczyszczalnie ścieków
Mariusz Kosakowski | 2008-04-01
Samochody napędzane wodorem wydają się być już tylko kwestią czasu, także wodór do ich napędzania jest już w zasięgu rąk naukowców. Uczeni z Penn State University, użyli do tego celu bakterii. Również bakteryjne bioreaktory do oczyszczania ścieków łączy to samo co produkcję wodoru, czyli elektroliza.
Produkcja paliw jest kosztowna i czasochłonna. Przykładowo, wyprodukowanie etanolu – jednego ze składników paliw, wymaga pocięcia celulozy na glukozę, którą potem przerabia się w etanol. Jak pokazują ostatnie naukowe doniesienia „łańcuch” ten można skrócić. W jaki sposób?
Bruce Logan i jego współpracownicy postanowili wykorzystać celulozę i inne naturalne związki organiczne w celu otrzymania wodoru za pomocą nowej metody. Naukowcy użyli do tego celu powszechnie występujących bakterii, które umieścili w eletrolizerze w obecności kwasu octowego, który jest głównym produktem fermentacji glukozy czy celulozy. W elektrolizerze umieszczono także grafitową anodę, którą porastał bakteryjny biofilm i węgolowo-platynową katodę. Bakterie konsumując kwas octowy uwalniały protony i elektrony, generując napięcie 0,3V, po dodaniu zewnętrznego źródła napięcie o wartości 0,2V protony i elektrony łączyły się dając wodór, który uwalniał się z roztworu. Ten proces daje o 288% więcej energii w postaci wodoru, niż energia elektryczna, zużyta do tego procesu jako zewnętrzne źródło energii.
Wodór można również wytwarzać na drodze standardowej elektrolizy. Jednak efektywność tego procesu wynosi około 50-70%. Nowy sposób otrzymywania wodoru jest o 144% bardziej wydajny, zakładając ewentualne straty wodoru i wliczając w to energię elektryczną potrzebną do ciągłości tego procesu, co czyni ten proces od 3-10 razy bardziej efektywniejszy niż standardowa produkcja za pomocą elektrolizy.
Każdy rodzaj materii organicznej daje różną efektywność w produkcji wodoru, która waha się między 63-82%. Na przykład glukoza dostarcza 64%, celuloza 63%, a kwas mlekowy i azotowy łącznie dają 82% efektywnej produkcji wodoru. Wytwarzany wodór z materii organicznej można by mieszać z metanem, który jest składnikiem gazu, napędzającego dzisiejsze auta. Metan spala się czysto, ale można tą czystość spalania zwiększyć, dodając wodór, co tworzyłoby czysto spalającą się mieszankę obu gazów.
Bakteryjną elektrolizę można wykorzystać nie tylko do produkcji paliwa, będącego alternatywą dla benzyny, ale i do oczyszczania ścieków. Tym zagadnieniem zajął się Pennsylvania State University, wspierany przez National Science Fiundation (NSF), która przeznaczyła na ten cel 87 000 dolarów w ramach Small Grants for Exploratory Research (SGER).
Naukowcy testując nowy sposób oczyszczania ścieków użyli bioreaktorów z pleksiszkła, wielkości butelki wody mineralnej, w których znajdowało się 8 grafitowych anod, pokrytych warstwą bakterii oraz katod w postaci tuby. Elektrony w tym zestawieniu wędrowały od anody do katody. Dostarczana do bioreaktora materia organiczna w postaci ścieków była trawiona przez bakterię, które uwalniały elektrony na elektryczny obwód i wodór do roztworu. Uwolniony wodór redukował tlen rozpuszczony w ściekach, co jest istotą rzeczy przy ich oczyszczaniu. W dalszej części bioreaktora wodór wędrował dalej, do katody, która łączyła się ze środowiskiem zewnętrznym dostarczając tlen, który po połączeniu z wodorem tworzył wodę.
Każdego roku w samych Stanach Zjednoczonych produkuje się 33 mln galonów ścieków, co kosztuje kraj ok. 25 mln dolarów. Duża część tej kwoty pokrywa koszty energii. Prawdopodobnie rozwiązanie z bakteriami produkującymi wodór i oczyszczającymi ścieki byłoby już rzeczywistością, gdyby nie koszt związany z użyciem grafitowych anod, czy węglowo-platynowych katod. Jednak jak zapewnia Bruce Logan, dopiero zaczynamy doceniać właściwości bakterii, a znacznie tańsze rozwiązania są tuż za rogiem.
Źródło:
EurekAlert!: Microbes churn out hydrogen at record rate. November 13, 2007