微生物燃料电池有望走出实验室

2011-8-29 09:01 来源: 科学时报
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  美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授Bruce Logan的研究组正在尝试开发微生物燃料电池,可以把未经处理的污水转变成干净的水,同时发电。无论对发展中国家还是发达国家,这项“一举两得”的技术都相当诱人。更诱人的是,据美国国家自然科学基金会(NSF)网站消息,该项技术未来还可能实现海水淡化,成为“一举三得”的技术。

  污水处理费时、费钱还消耗大量能量,基本是个只投入不产出的行业,也是让各国政府头疼的一大难题。有数据称,5%的电力消费被用于污水处理。根据美国国家发展委员会统计,美国每年需要处理330亿加仑的生活污水,处理费用大约为250亿美元,其中大部分为能源成本。

  因此,又能净化水质、又能发电的微生物燃料电池一旦出现,将有望把污水处理变成一个有利可图的产业。Logan认为,未来污水处理厂通过使用微生物燃料电池不仅可以满足自身用电,还能向外输电。

  传统的燃料电池利用氢气发电,但Logan和他的研究小组首次尝试使用富含有机物的污水来发电。理论上说,直接将污水倒入燃料电池就可以发电同时净化污水。该电池系统的工作原理是:污水中的细菌以有机物为食,随之释放电子,电子在燃料电池的碳棒上集聚,在水中形成电流回路。一旦放电能力提高到一定程度,就可加以利用。

  早在2005年,Logan的小组就宣布研制出微生物燃料电池。他们在实验室里产生了72瓦的电流,用以驱动一个小风扇。

  最近几年,实验室在NSF的资助下又获得一系列进展。例如,除了产生电流,给系统另外加上一点电压,还能产生氢气。氢气是一种环境友好的清洁能源,有多种工业用途。

  另外,Logan还在试验往燃料电池中通入海水,这样不仅能够产生更多的电能,如果试验成功,该系统就可以同时产生能量、处理污水并淡化海水,可谓一箭三雕。

  实际上,微生物燃料电池并不是一个新概念。早在1910年,英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流,他用铂作为电极成功制造出了世界第一个微生物燃料电池;1984年,美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池,它的燃料为宇航员的尿液和活细菌,不过放电率极低。

  除了Logan,世界上还有其他的研究组在开发微生物燃料电池,不过都没有走出实验室。

  虽然目前还未有商业产品问世,但多伦多大学的科学家戴维·伯格雷曾估计污水中潜在的电能价值是其处理成本的10倍。Logan则认为,只要能利用潜在电能的1/20,污水处理厂就可以解决污水处理成本。不过他估计,微生物燃料电池实现工业应用还需5~10年。

  在现阶段,Logan指出,突破工业应用的关键问题仍然是如何继续降低成本、提高电池性价比。

  据悉,在早期的研究中,Logan小组使用了大量昂贵的材料,如昂贵的石墨电极、聚合物以及铂等贵金属。但其最新的电池系统已经使用了更便宜并且环境友好的材料。“我们现在已经可以不用任何贵金属。”Logan说。