Источники энергии как микробные топливные элементы имеют реальный потенциал для производства возобновляемой биоэнергии из отходов вещества, как моча. Учитывая огромный объем мочи и анализ мочи, производимой человеком, можно осуществить использование энергии в её потенциальной части с применением микробных топливных элементов и изменить способ производства электроэнергии.
В среднем человек производит от 800 мл до 2 000 мл мочи каждый день. Если умножить это на 7 миллиардов человек на Земле и в конечном итоге получится огромный объем: между 560 млрд и 1,4 трлн литров мочи в день.
Использование мочи в качестве альтернативного топлива
Энергия поступает сегодня из разных источников. Ископаемые виды с угрожающей скоростью добавляют все больше и больше парниковых газов в атмосферу, что способствует изменению климата. Поэтому необходимо найти новые устойчивые источники альтернативной энергии — биоэнергетика является одним из вариантов.
Можно производить биоэнергию альтернативного топлива с помощью процессов, таких как анаэробное сбраживание, ферментация и газификация. Этот процесс проходит в больших масштабах и требует высоких температур и давлений.
[box type=»shadow» ]Другим вариантом альтернативного топлива является микробные топливные элементы, которые превращают органические вещества в электрическую энергию путем использования естественных процессов бактерий. Они эффективны, относительно дешевы для запуска и производят меньше отходов, чем другие методы.[/box]
Новый миниатюрный микробный топливный элемент не использует дорогие материалы для катода. Катод сделан из углеродной ткани и титановой проволоки. Для того чтобы ускорить реакцию и создать больше энергии источник использует катализатор, который изготовлен из глюкозы и яичного белка, содержащегося в яйце.
Это особенно интересно для развивающихся стран, особенно бедных и сельских районов, где микробные топливные элементы дешевле и более технологичнее для производства.
Принцип работы топливных элементов
Чтобы устранить растущий глобальный спрос на энергию, требуется источник устойчивой и экологически чистой альтернативной энергии. Микробные топливные элементы обладают большим потенциалом в качестве устойчивых и экологически чистых технологий преобразования биоэнергии, используя отходы в качестве сырья.
Перед лицом растущей проблемы истощения ископаемого топлива, есть глобальный интерес принципа работы топливных элементов — устойчивых и экологически чистых видов энергии. Одной из форм альтернативной энергии, которая может быть жизнеспособным в решении этой проблемы является биоэнергетика. В этом контексте, микробные топливные элементы обладают большим потенциалом как зеленая и углеродно-нейтральная технология, которая непосредственно преобразует биомассу в электроэнергию.
Микробные топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, которые используют преимущества метаболических процессов микроорганизмов. Устройство непосредственно превращает органические вещества в электрическую энергию с высокой эффективностью в течение длительного периода времени.
По сравнению с другими процессами преобразование биоэнергии (анаэробное сбраживание, газификация, брожение) микробные топливные элементы имеют преимущество уменьшенных количеств отходов, а также экономически эффективной работы, так как они работают в условиях окружающей среды (температура, давление).
Кроме того, микробные топливные элементы не требуют затрат энергии на аэрацию в связи с пассивным газированием, например, с помощью использования однокамерного устройства.
И, наконец, эти элементы имеют способность генерировать энергию дистанционно с использованием ряда кормовых запасов и, таким образом, могут быть использованы в районах с плохой энергетической инфраструктурой. Органические отходы, используемые в качестве сырья, в частности, предлагает привлекательные перспективы альтернативной энергии с экономической эффективностью в связи с изобилием.
Моча может быть эффективным сырьем для работы микробных топливных элементов с дополнительным преимуществом восстановления азота, фосфата и восстановления калия из топлива. В частности, мочевина ферментативно гидролизует до аммиака и диоксида углерода. Аммиак затем окисляют на аноде, чтобы генерировать в основном нитрит и в меньшем количестве нитрат. Такой принцип работы топливных элементов.
Альтернативное топливо как источник энергии
Альтернативным топливом могут быть микробные топливные элементы являющиеся чрезвычайно привлекательными технологиями для генерации экологически чистой электроэнергии из ряда отходов. Самый надежный путь для повышения плотности мощности генерируемого микробными топливными элементами заключается в разработке небольших масштабных устройств и организация нескольких блоков как альтернативное топливо. В этом контексте, уже проведены исследования альтернативного топлива направленные на разработку эффективных миниатюрных топливных элементов.
Для этого разработан инновационный миниатюрный микробный топливный элемент. Использована конфигурация катода, который имеет преимущество большей простоты эксплуатации и экономической эффективности. При закреплении расстояния между электродами 4 мм на систему непрерывно подавали искусственную мочу при фиксированной скорости потока 0,36 мл мин-1. При соединении отдельных блоков параллельно, выходная мощность достигла пикового значения 1,2 Вт. К тому же, использование двух различных видов биомассы, использование катализаторов на катоде увеличило плотность мощности до трех раз.
Эти возобновляемые и экономически эффективные топливные элементы представляют особый интерес для применения в отдаленных или бедных районах, где могут быть использованы дистанционно для устойчивого производства энергии из отходов.
Электроды изготавливаются из экономически эффективных материалов, таких как углеродная ткань, копировальная бумага и графит на основе стержней, пластин и гранул. В последнее время даже некоторые металлы, такие как медь и серебро являются эффективными анодными материалами. Тем не менее, дорогие металлы, такие как платина используются на катоде для усиления реакции восстановления кислорода. В последнее время использование катализаторов, полученных из биомассы, извлеченных из отходов было предложено в качестве эффективной альтернативы дорогостоящих катализаторов металла. В частности, полученные из биологической массы материалов из древесины, осадка сточных вод и бананов показало, что они функционируют в качестве катализаторов для повышения производительности топливных элементов при одновременном снижении стоимости устройства и его углеродного следа. Легирование этих материалов с гетероатомами, такими как азот и сера, а также в комбинации с наночастицами, как железо повышает каталитическую активность.
Другим ограничением в направлении практической реализации альтернативных источников топлива микробных топливных элементов как источники энергии нетрадиционные является их низкая производительность из-за высоких внутренних сопротивлений и омических потерь. Следовательно, производительная мощность микробных топливных элементов пока является низкой по сравнению с другими технологиями использования возобновляемых альтернативных источников энергии.
Преодоление ограничений микробных топливных элементов
Так почему же не используются микробные топливные элементы? Одной из причин этого является то, что они могут быть дорогими в изготовлении и маломощными. Микробные топливные элементы имеют электроды, которые собирают положительные и отрицательные заряды, которые являются результатом разрушения мочи бактериями, превращая заряд в электричество. Отрицательный электрод катод — часто содержит платину, чтобы ускорить реакцию, в результате чего стоимость устройства увеличивается. Кроме того, микробные топливные элементы, как правило, производят меньше энергии, чем другие методы производства биоэнергии. Это предпочтительнее, чтобы они были меньше, и, следовательно, портативнее, но это ограничивает их выходную мощность.
Несмотря на широту применения и растущий интерес к технологии микробных топливных элементов за последние два десятилетия, коммерциализация для производства этой альтернативной энергии до сих пор не реализована. Основными сдерживающими факторами, которые препятствуют практической реализации этого способа в больших масштабах, являются стоимость используемых материалов и трудности в наращивании масштабов процесса.
