Каждый житель развитых стран в среднем ежедневно производит 1,5-2 килограмма мусора, 60% которого составляют бумаги, пищевые отходы и прочая органика. Поэтому вопрос утилизации этих отходов становится всё более острым. Переработка до биогаза (водорода с некоторыми примесями), казалось бы, решает проблему и одновременно открывает новые возможности для альтернативной энергетики. Но, как это часто бывает, на пути красивой энергосберегающей идеи возникают десятки научно-экономических преград, привлекающих научные группы по всему миру. Интересную работу в этой области недавно опубликовала в «International Journal of Hydrogen Energy! и группа российских учёных из МГУ им. М.В. Ломоносова и Института фундаментальных проблем биологии РАН. Исследователи сконструировали биореактор, совмещающий в себе бактериальную среду, производящую водород из бумажных отходов, и топливный элемент, превращающий этот водород в электричество.
Ещё в 1945 году штат Нью-Йорк проголосовал за обязательную установку мусоросжигателей в каждом доме, имеющем более четырёх квартир. К тому времени эта нехитрая технология уже была успешно проверена в странах Европы и многих других городах США. Но с повсеместным распространением пластмасс и разнообразной электроники старый метод становился неуместным. Падал КПД, требовалась дополнительная сортировка отходов, экологи указывали на многочисленные примеси тяжёлых металлов и других ядовитых веществ в общедоступном топливе. Похожие проблемы испытывает и водородная энергетика. Удивительно простая идея - собирать и сжигать водород, производимый колониями анаэробных бактерий при потреблении органических отходов, - пока не нашла широкого применения.
Например, вместе с водородом выделяется и большое количество вредного сероводорода и углекислого газа. Со временем же концентрация биогаза становится слишком большой, что и вовсе снижает темпы выделения биогаза. Получается, что водород нужно непрерывно выделять и отделять от реакционной смеси. Но тогда возникают отдельные проблемы с его транспортировкой и хранением. Поэтому оптимальным решением может быть мгновенная переработка водорода в энергию.
Именно эту идею и использовала научная группа во главе с Александром Нетрусовым. При этом для получения энергии они использовали топливный элемент - электрохимическое устройство, в котором энергия выделяется за счёт окисления топлива. Обычно топливный элемент состоит из двух электродов. На катоде молекулярный водород топлива распадается на протоны и электроны. Последние улавливаются специальными мембранами и передаются во внешнюю цепь, а протоны достигают катализатора анода и там соединяются с электронами. В результате этой электрохимической реакции выделяется только вода, идеально безвредный продукт.
Как правило, в составе топливных элементов используются платиновые электроды. Однако платина отравляется теми самыми нежелательными составляющими биогаза и также обладает высокой стоимостью. Поэтому в составе своего топливного элемента российские исследователи использовали электроды на основе фермента гидрогеназы (из микроорганизмов Thiocapsa roseopersicina), позволяющего бактериям поглощать и перерабатывать водород. Полимерная мембрана топливного элемента была изготовлена из нафиона, а сам он погружён в среду с анаэробными гетеротрофными бактериями, производящими водород.
В качестве топлива использовалась чистая целлюлоза или различные бумажные отходы. В результате максимальная выходная мощность биореактора составила 200 мкВт/см2. При этом достигается она при температуре 60 градусов Цельсия, обеспечивающей необходимый баланс между стабильностью и активностью электродов и после 50 часов работы, необходимых для активации ферментативной реакции. Особое внимание исследователи уделили анализу стабильности электрода на основе гидрогеназы, которую они отслеживали в течение 80 часов работы. Вначале, сразу после загрузки сырья, активность этого электрода резко растёт вследствие появляющегося избытка водорода, а по истечении 10 часов работы падает до стабильной величины в 70%. Среди основных причин такого падения называются частичное подмытие ферментативной пропитки электрода под действием бактериальной среды, а также падение уровня pH. Последнее, по мнению учёных, несложно исправить, а значит улучшить стабильность и пока невысокую мощность экспериментальной системы.
В любом случае сам факт успешного совмещения бактериальной среды и топливного элемента в составе одного реактора уже можно считать большим достижением. Ведь полученная система может успешно и без деградации свойств перерабатывать самые разнообразные виды органических отходов в электрическую энергию.
Исследование проведено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (госконтракт № 16.516.11.6013), пишет www.strf.ru.
Соответствует редакционной политике
