微生物電解池：污水變氫氣
發(fā)布時間： 2011-03-18 | 作者：滕繼濮
http://www.stdaily.com 2011年03月18日 來源： 科技日報 作者： 滕繼濮
不遠(yuǎn)的將來，也許你我家中都會有臺冰箱大小的機器，只要將生活污水灌進(jìn)去，一番處理后，三口之家一天的燃?xì)饩统鰜砹恕?br> 本報記者 滕繼濮
電解池模型
■ 將新聞進(jìn)行到底
不遠(yuǎn)的將來，也許你我家中都會有臺冰箱大小的機器，只要將生活污水灌進(jìn)去，一番處理后，三口之家一天的燃?xì)饩统鰜砹?，注意，我們說的燃?xì)獠皇钦託?，而是熱效能更高的氫氣，污水則變成了干凈的水安全排放到下水道。
近日，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院的生物制氫科研團隊，利用微生物電解池技術(shù)，通過一種存在于生活污水中的耐寒產(chǎn)電細(xì)菌，實現(xiàn)了在４℃低溫下生物制氫，從而攻克了低溫制氫難題。這使實現(xiàn)家庭能源的自給又多了一條選擇路徑。
原理
微生物的“吃喝拉撒”
微生物電解池技術(shù)還很“年輕”。哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院邢德峰副教授告訴本報記者：“在世界范圍內(nèi)，這項技術(shù)問世只有5年多。”
對于一個可再生資源化技術(shù)來說，這么短的時間一般還處在技術(shù)成熟的初級階段。但從2009年開始，邢德峰及其團隊僅僅用了2年時間，就取得了突破性進(jìn)展，這一低溫生物制氫技術(shù)成果已經(jīng)發(fā)表在英國皇家化學(xué)學(xué)會主辦的國際期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》上。
微生物電解池由池體、陽極、陰極、外電路及電源組成。在陽極上有一層由產(chǎn)電微生物形成的生物膜，這些微生物靠吃污水中的有機物為生。在這些微生物的代謝過程中，電子從細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到了細(xì)胞外的陽極，然后通過外電路在電源提供的電勢差作用下到達(dá)陰極。在陰極，電子和質(zhì)子結(jié)合就產(chǎn)生了氫氣。
微生物的“吃喝拉撒”，為人所用，就產(chǎn)生了能源。有趣的是，在自然界中這個微生物電化學(xué)輔助產(chǎn)氫過程不是自發(fā)的。“因為在自然條件下，不存在這樣一個完善的電子轉(zhuǎn)移通路。”邢德峰說。
優(yōu)點
產(chǎn)能和治污相結(jié)合
據(jù)邢德峰介紹，微生物電解池技術(shù)有著明顯的優(yōu)點。首先，該技術(shù)的能量轉(zhuǎn)化效率高，只需給電路提供一個很小的電壓（0.2-0.6V）就能夠克服熱力學(xué)壁壘產(chǎn)生氫氣，而傳統(tǒng)水電解產(chǎn)氫需要1.8—2.0V的電壓。如果不計底物的能量，微生物電解池的這個特點使得其產(chǎn)生的氫氣的能量遠(yuǎn)大于輸入其的電能。
再者，微生物電解池技術(shù)在一定程度上可以緩解水的有機物污染。因為對于該技術(shù)選用的微生物來說，底物范圍非常廣，幾乎可以利用絕大多數(shù)的有機物，不像傳統(tǒng)發(fā)酵法生物制氫底物那樣單一。“當(dāng)?shù)孜餅橛袡C廢水時，我們常常可以不考慮其的成本，這樣，利用微生物電解池從廢水中產(chǎn)氫從經(jīng)濟上來講就變?yōu)橐粋€劃算的技術(shù)，可獲得氫氣帶來的凈收益。”邢德峰說，“同時處理了廢水，具有產(chǎn)能和治污相結(jié)合的特點。”
而且，產(chǎn)電菌可以將絕大多數(shù)的有機物完全降解，不會產(chǎn)生新的廢物。例如：發(fā)酵法只能利用碳水化合物制氫，同時產(chǎn)生代謝產(chǎn)物有機酸，而微生物電解池不僅能利用碳水化合物還能夠利用有機酸產(chǎn)氫。
要點
突破傳統(tǒng)制氫的溫度限制
更為重要的是，微生物電解池可以在低溫產(chǎn)氫，而傳統(tǒng)生物制氫和化學(xué)法制氫都很難在低溫下進(jìn)行。“很多人都想做出在4℃條件下運行的微生物電解池，”邢德峰說，因為這一裝置通常要在25℃－30℃的環(huán)境中才能運行，在高緯度和高海拔地區(qū)應(yīng)用受限。此外，微生物電解池中常常存在產(chǎn)生甲烷的細(xì)菌，降低了氫氣的轉(zhuǎn)化率，這也是各國科學(xué)家亟待攻克的難題。
邢德峰說：“很多菌在4℃的低溫環(huán)境中不愿意生長。”但該項目的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了該條件下仍具良好活性的耐寒產(chǎn)電細(xì)菌，并通過在低溫環(huán)境下的不斷接種成功富集到了這種，驅(qū)動微生物電解池制氫。“可以這么說，本研究中微生物電解池陽極上富集的產(chǎn)電菌和傳統(tǒng)發(fā)酵法生物制氫所利用的微生物截然不同，這些產(chǎn)電菌在很低的溫度下也能保持良好的活性，這就是微生物電解池能夠運行在低溫條件下的關(guān)鍵，我們獲得了富集的低溫產(chǎn)電細(xì)菌，目前正在進(jìn)純菌分離培養(yǎng)。”
也正是突破了傳統(tǒng)制氫技術(shù)的溫度限制，使高緯度和高海拔地區(qū)使用生物制氫技術(shù)成為可能。邢德峰表示，即便是冬天的東北，只要是在室內(nèi)電解池就可以運行，無需另外加熱。同時，低溫環(huán)境有效地抑制了甲烷的產(chǎn)生，從而提高了氫氣的轉(zhuǎn)化效率。
由此，該論文在線發(fā)表同時，著名學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)世界》也對其進(jìn)行了報道，認(rèn)為該研究發(fā)現(xiàn)的低溫產(chǎn)氫是生物制氫的重要突破性成果，同時指出低溫生物制氫技術(shù)，降低了維持運行的加熱成本。
未來
一件“家用電器”
就目前的實驗就過來看，這項技術(shù)產(chǎn)氫速度快，且穩(wěn)定性較好。邢德峰介紹說：“我們在4℃條件下的反應(yīng)器已穩(wěn)定運行1年多。以乙酸鈉為底物為例，氫氣的回收效率可達(dá)70—90%。”
“難以做大。”對于該技術(shù)的局限，邢德峰直言不諱，由于陰極需要貴金屬作為催化劑催化產(chǎn)氫，這就大大增加了其產(chǎn)氫的成本。其實，如不采用催化劑，也能實現(xiàn)制氫過程，但效率會下降一半以上。好在目前一些低廉的陰極材料正被開發(fā)出來，例如：不銹鋼，鎳合金，鉬合金，也具有良好的催化效果。
氫能是一種無污染、可再生、能量密度高的能源，不僅可以作為重要的化工和石油工業(yè)原料，也適用于廚房灶具、熱水器和家電。所以，在規(guī)模難以做大的現(xiàn)狀下，家庭燃?xì)饩统蔀橐粋€很好的選擇。一家一戶，一個單元或者幾戶為一個單位，建立一個電解池，都是比較理想的形式。根據(jù)氫氣的熱值和以天然氣作為參考，一個體積1m3的微生物電解池可完全滿足一個三口之家的耗氣量。
盡管目前的研究還停留在實驗室規(guī)模，但由于其具有種種優(yōu)點，對于微生物電解池的研究已經(jīng)成為世界能源與環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點，有越來越多的國家加入到這項研究中。如果陰極催化劑的成本進(jìn)一步降低，5—7年內(nèi)有可能實現(xiàn)家庭示范應(yīng)用。
“未來，這種制氫裝置可被制成微波爐大小，或者冰箱大小，看上去就像家中的一件電器。”邢德峰說。
(科技日報)
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