1. Wstęp
W ostatnich latach podejście do energetyki zmienia się szybciej niż kiedykolwiek. Wynika to z zagrożeń związanych z bezpieczeństwem energetycznym oraz obserwowanymi zmianami klimatu zarówno w skali kraju jak i świata. Wdrażanie rozwiązań umożliwiających zmniejszenie wykorzystania konwencjonalnych źródeł energii jest istotne przede wszystkim z perspektywy ochrony środowiska oraz zrównoważonego gospodarowania zasobami naturalnymi.
Technologie pozwalające na odzysk i wytwarzanie energii są coraz częściej wykorzystywane w instalacjach i systemach kanalizacyjnych [9]. Jest to uzasadnione tym bardziej, że szacuje się, iż ilość energii zgromadzonej w ściekach, kilkukrotnie przewyższa wartość energii potrzebną do ich utylizacji [2, 6].
Wytwarzanie prądu elektrycznego ze ścieków komunalnych i przemysłowych jest możliwe dzięki konwersji energii chemicznej. W procesie tym wykorzystywane są mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC – Microbial Fuel Cells). Początkowo nie dostrzegano ich potencjału w produkcji energii elektrycznej. Badania MFC były prowadzone pod kątem ich wykorzystania jako alternatywnej technologii utylizacji ścieków. Ponadto, długo nie wybiegały one poza wymiar laboratoryjny. Obecnie prowadzone są na skalę półtechniczną, w reaktorach o pojemności nawet kilku tysięcy metrów sześciennych [5, 8].
Rys. 1. Schemat podstawowych konfiguracji mikrobiologicznych ogniw paliwowych
Energia elektryczna pozyskana za pomocą mikrobiologicznych ogniw paliwowych wystarcza na pokrycie zapotrzebowania energetycznego procesu oczyszczania [5, 8]. Możliwe jest osiągnięcie dodatniego bilansu zużycia prądu, jednak często wiąże się to z modyfikacją układów, np. poprzez wprowadzanie do nich katalizatorów [8]. W dalszym ciągu mikrobiologiczne ogniwa paliwowe są przedmiotem udoskonaleń, dlatego powszechnie nie są one stosowane jako zintegrowana technologia oczyszczania ścieków i produkcji energii elektrycznej. Szersze zastosowanie znajdują one jako małe generatory mocy dla przenośnych urządzeń elektrycznych. Obecnie opracowywane są czujniki oparte na MFC, które w czasie rzeczywistym monitorują zawartość materii organicznej w ściekach, opierając analizę na założeniu, że wartość ta jest proporcjonalna do wartości prądu wyjściowego [3].
2. Budowa i zasada działania MFC
Wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem mikrobiologicznych ogniw paliwowych wynika ze zdolności przekształcania energii chemicznej w elektryczną i odbywa się bez udziału procesów pośrednich. Mikroorganizmy utleniają substancje organiczne zawarte w ściekach, czerpiąc elektrony, które transportowane są na drodze istniejącego obwodu zewnętrznego. Jony wodorowe powstałe na anodzie przemieszczają się do katody. Łączą się one z cząsteczkami tlenu, w wyniku czego powstaje woda [1, 2, 5, 6].
Jedną z konfiguracji mikrobiologicznego ogniwa paliwowego jest układ dwóch komór oddzielonych od siebie membraną jonowymienną (rys. 1a). W pierwszej – anodowej – panują warunki beztlenowe, natomiast w komorze katodowej obecność tlenu jest konieczna z uwagi na zachodzącą reakcję redukcji [6, 10].
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe mogą działać również w konfiguracji jednokomorowej (rys. 1b). W takim układzie nie wykorzystuje się membran jonowymiennych. Stosowane są tzw. katody powietrzne, które z jednej strony mają zapewniony bezpośredni dostęp do tlenu, a z drugiej kontakt z wytworzonymi na anodzie jonami [7, 10, 11].
Zarówno jedno- jak i dwukomorowe mikrobiologiczne ogniwa paliwowe mogą działać w połączeniach szeregowych bądź równoległych [1, 2].
3. Ocena efektywności MFC
Moc elektryczna P generowana przez mikrobiologiczne ogniwa paliwowe może być wyznaczana z wykorzystaniem formuły 1. Jest ona iloczynem napięcia i natężenia prądu wyrażanym w watach [7].
P = U · I
gdzie:
U – napięcie prądu elektrycznego [V],
I – natężenie prądu elektrycznego [A].
Wartość generowanej mocy często bywa podawana w odniesieniu do jednostki powierzchni anody działającej w układzie [6, 7]. Może być także przeliczana na objętości MFC [7].
Efektywność mikrobiologicznych ogniw paliwowych można ocenić na podstawie wartości sprawności kulombowskiej oraz energetycznej [2]. Pierwsza wynika ze stosunku ilości elektronów transmitowanych na anodę, do liczby elektronów teoretycznie wytwarzanych przez substrat [2, 7]. Sprawność energetyczna wyraża ilość przenoszonych elektronów determinowaną natężeniem, napięciem i szybkością transmisji [1, 2].
Kinetyka zachodzących procesów, udział biomasy oraz ilość mikroorganizmów, warunkują biologiczny parametr oceny MFC, jakim jest chemiczne zapotrzebowanie na tlen. Spadek jego stężenia w ściekach świadczy o wydajności procesu [12].
4. Udoskonalanie technologii MFC
Duże zapotrzebowanie energetyczne, a także potencjał mikrobiologicznych ogniw paliwowych skłaniają naukowców do ciągłego ich udoskonalania. Ma to służyć uproszczeniu technologii, przy jednoczesnym zwiększeniu jej wydajności oraz obniżeniu nakładów inwestycyjnych i eksploatacyjnych [7].
Do działań służących zwiększeniu wydajności procesu wytwarzania energii elektrycznej z użyciem technologii MFC można zaliczyć:
– izolację określonych mikroorganizmów i ich adaptację do warunków w reaktorze;
– wprowadzanie mediatorów redoks do pożywki lub na powierzchnię elektrod;
– zwiększenie powierzchni anody, a co za tym idzie powierzchni biofilmu;
– zwiększenie powierzchni kontaktu katody z tlenem [1, 2, 6, 8].
Na wydajność układu mikrobiologicznych ogniw paliwowych istotnie wpływają także materiały wykorzystywane do ich konstrukcji. Elektrody muszą charakteryzować się wysoką wytrzymałością i odpornością na korozję, a przede wszystkim posiadać zdolność do przenoszenia ładunków elektrycznych. Zazwyczaj, jako materiał anodowy wykorzystuje się tworzywa węglowe, np. tkaninę węglową, która jest elastyczna i dość trwała [8]. Zasadniczo może być wykorzystywana również jako kolektor prądu katodowego, jednak w tym przypadku bardziej użyteczne może być stosowanie materiałów węglowych z dodatkiem platyny. Takie rozwiązanie ma na celu wspomaganie procesu redukcji tlenu zachodzącego na katodzie [6, 8].
Naukowcy z Chin podjęli próbę zwiększenia gęstości mocy MFC, opracowując trójwymiarową anodę wytworzoną z naturalnej gąbki loofah poddanej karbonizacji. Opublikowane badania mogą być zapowiedzią wprowadzenia w przyszłości naturalnych, wysokowydajnych anod, które pozwolą na ograniczenie kosztów z jednoczesnym zwiększeniem sprawności mikrobiologicznych ogniw paliwowych [13].
Poszukiwanie materiałów alternatywnych dotyczy także membran jonowymiennych. Obecnie bada się możliwość wykorzystania m.in. włókna szklanego, włókna nylonowego oraz naturalnego kauczuku [4, 8].
5. Podsumowanie
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC) umożliwiają pozyskiwanie energii elektrycznej poprzez bezpośrednie przekształcanie substancji organicznych zawartych w ściekach komunalnych i przemysłowych. Stwarzają one możliwość ich oczyszczania niewykorzystując przy tym dodatkowego źródła prądu. Istotne jest jednak, aby skala i konfiguracja układu mikrobiologicznych ogniw paliwowych gwarantowała osiągnięcie żądanej wydajności energetycznej. Przekłada się to na nakłady finansowe, a w rezultacie na zasadność wykorzystania technologii MFC.
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe wykazują duże możliwości w zakresie wytwarzania energii, dlatego od kilkunastu lat są przedmiotem badań naukowców z całego świata. Obecnie sporym wyzwaniem jest opracowanie rozwiązania pozwalającego na generowanie mocy w ilości proporcjonalnej do rozmiaru układu. Ogniwa o małych rozmiarach są bowiem wydajniejsze w odniesieniu do tych projektowanych w większej skali [6].
Mimo, iż technologia MFC wymaga pewnych usprawnień, to w przyszłości może ona stanowić istotne narzędzie do bezpośredniego pozyskiwania oraz obniżania zużycia energii, a także emisji wybranych kopalnianych źródeł w gospodarce wodno-ściekowej.
6. Literatura
[1] Ciechanowicz W.: Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe przetwarzające ścieki organiczne bezpośrednio w elektryczność, Energetyka, 3/2008, s. 220-224.
[2] Ciechanowicz W., Szczukowski S.: Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe, Aura Ochrona Środowiska, 9/2008, s. 24-27.
[3] Czujniki oparte na MFC, http://bes-water.com {dostęp: 13.01.2019 r.}.
[4] Leong J. X., Daud W. R. W., Ghasemi M., Liew K. B., Ismail M.: Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells for bioenergy conversion: A comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28/2013, s. 575-587.
[5] Logan B. E.: Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells, Nature Reviews Microbiology, 7/2009, s. 375-381.
[6] Markowska K., Grudniak A., Wolska K.: Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe: podstawy technologii, jej ograniczenia i potencjalne zastosowania, Postępy Mikrobiologii, Wydawnictwo Polskiego Towarzystwa Mikrobiologów, 1/2013, s. 29-40.
[7] Nastro R. A.: Microbial Fuel Cells in Waste Treatment: Recent Advances, International Journal of Performability Engineering, 10/2014, s. 367-376.
[8] Santoro C., Arbizzani C., Erable B.: Microbial fuel cells: from fundamentals to applications. A review, Journal of Power Sources, 356/2017, s. 225-244.
[9] Słyś D., Kordana S.: Odzysk ciepła opadowego w instalacjach i systemach kanalizacyjnych, Wydawnictwo i Handel książkami „KaBe”, Krosno 2013.
[10] Surajit D., Neelam M.: Recent developments in microbial fuel cells: a review, Journal of & Industrial Research, 69/2010, s. 727-731.
[11] Tatinclaux M., Gregoire K., Leininger A., Biffinger J. C., Tender L., Ramirez M., Torrents A., Kjellerup B. V.: Electricity generation from wastewater using a floating air cathode microbial fuel cell, Water-Energy Nexus, 1/2018, s. 97-103.
[12] Włodarczyk B., Włodarczyk P.: Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe z katodą Cu-B; Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 64/2017, s. 395-402.
[13] Yuan Y., Zhou S., Liu Y., Tang J.: Nanostructured macroporous bioanode based on polyaniline-modified natural loofah sponge for high-performance microbial fuel cells, Environmental Science Technology, 47/2013, s. 14525-14532.
Politechnika Rzeszowska,
Wydział Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury,
Katedra Infrastruktury i Gospodarki Wodnej
Źródło: Technologia Wody 2/2019
