CC BY
71ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТВЕРДОФАЗНЫХ МИКРОБНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
1 2 3
Шеуджен Т. М. , Волченко Н. Н. , Самков А. А.
1Шеуджен Тимур Мугдинович - магистрант, направление: микробиология;
2Волченко Никита Николаевич - кандидат биологических наук, доцент;
3Самков Андрей Александрович - кандидат биологических наук, доцент, кафедра генетики, микробиологии и биотехнологии, биологический факультет, Кубанский государственный университет, г. Краснодар
Аннотация: одним из направлений поиска устойчивых технологий получения энергии являются микробные топливные элементы (МТЭ) [1], которые представляют собой установки, способные генерировать электроэнергию из органических отходов. В статье рассмотрены установки микробных топливных элементов (МТЭ) твердофазного типа с новой модификацей ее конструкции. Исследована возможность ее функционирования с влиянием микробной биоты, иннокулируемой вместе с активным илом, и без нее. Эффективность работы устройства оценивалась в его электрогенности. Была показана возможность эффективной работы аналогично жидкофазным системам, широко описываемым в научной литературе. Ключевые слова: микробный топливный элемент, электрогенность, биоанод, биокатод, иннокулят.
Вопросы разработок и развития источников альтернативной энергии все больше становятся предметом исследования в 21 веке. На протяжении десятков лет ученые всего мира занимаются проблемами поиска наиболее приемлемых путей замещения известных энергетических источников с целью уменьшения доли негативного воздействия на окружающую природу.
Одним из направлений поиска устойчивых технологий получения энергии являются микробные топливные элементы (МТЭ) [1] Принцип работы МТЭ напоминает гальванический элемент, состоящий из двух камер (анаэробной и аэробной), соединенных между собой протонселективной мембраной. В анаэробной камере находится биологическая составляющая установки - электрогенные бактерии, окисляющие органический материал в анаэробных условиях, в результате чего происходит выход электронов из клеток бактерий по дыхательной цепи и дальнейшая их передача на анод. Аэробная часть соответственно, представлена катодом, контактирующим с водой. В результате возникновения разности потенциалов при соединении цепи происходит генерация электроэнергии в пределах 1В [4]. Кроме получения электроэнергии, важнейшим плюсом технологии является потребление органических продуктов с отрицательной стоимостью. Т.е. того, что требует дополнительных финансовых затрат для их утилизации. Существует ряд направлений разработок МТЭ, среди которых ведущее место по эффективности занимают бентосные МТЭ, работающие на органическом иле. Благодаря возможности без дополнительных доработок дизайна и относительной высокой активности данное направление имеет наиболее широкие перспективы для реализации.
В Кубанском государственном университете производятся исследования МТЭ в т.ч. на сточных водах. Были проведены исследования МТЭ с твердофазной аналитической камерой. Построены конструкции типа «soil-based MFC» на основе низкобюджетных материалов для проверки их эффективности. Дорогостоящая ионселективная мембрана была заменена целлюлозной трубкой толщиной 2 мм. и была исключена катодная камера с постоянно заполненной жидкостью. Вместо этого,
катодная часть в свободном виде располагалась внутри трубки, которая заполнялась водой и ее часть выходила на поверхность для лучшего доступа кислорода. Анодная часть полностью пролегала в слоях на протяжении всей толщи заполняемых фаз. Внутрь вся полость конструкции заполнялась тремя слоями твердой фазы. Сверху вниз: песок - уголь - песок. В данной конструкции песок выполняет роль фильтра, а частицы угля служат как адгезионная основа для микробной флоры, заносимой вместе с активным илом, который подается в фазу после завершения конструирования системы. Факт возможности функционирования подтвержден литературными данными [6]. Электродные части (анод и катод) имеют выход сверху конструкции в виде графитовых стержней для удобства измерения с помощью прецизионного цифрового мультиметра АКТАКОМ АМ - 1038. Также на электрогенную цепь была поставлена нагрузка в виде резистора в 5кОм.
Рис. 1. Схема строения твердофазного МТЭ
Для хода эксперимента было изготовлено две установки твердофазных МТЭ. В одну из них подавалась естественная ассоциация микроорганизмов из ила вместе с подаваемой средой, состав которой представлен в виде:
(г/л): NaHCO3 - 480, КН4С1 - 95,5, К2НР04 - 10,5, КН2Р04 - 5,25, СаС12 ^2ШО-63,1, MgS04 7H20 - 19,2, а в другую установку не подавался раствор с микроорганизмами. Кроме того, была сконструирована и третья установка с более узкой компоновкой среды и более высокой толщей проходимых средой фаз. Это было сделано для возможности изучения более удачного типа соотношения площади протонселективной системы и адгезированной микрофлоры в среде.
Эксперимент продолжался в течение одного месяца. Результаты представлены ниже на рис. 2.
Куб.МТЭ иннокуляция илом Ж " МТЭ без иннокуляцин -к- цилиндр иннокуляция
Рис. 2. Динамика напряжения за 31 сутки после начала эксперимента
Максимальные показатели мощностей достигли 0,103 мВт. Максимальное напряжение было зафиксировано на уровне 716 мВ.
Максимальное напряжение в 716 Мв. было отмечено в иннокулированной кубической ячейке на 19 сутки после начала эксперимента, соответственно в неиннокулированном - на 26-е. На момент окончания эксперимента было отмечено уравнивание значений между обеими ячейками. Третья конструкция цилиндрического типа показала наименьшие незначительные результаты, что позволяет ее исключить из дальнейших расчетов как неэффективную.
Заключение: Вариативность МТЭ довольно широка и позволяет использовать технологию в самых разнообразных вариантах для очистки сточных вод. Твердофазный тип конструкции с видоизмененным катодом показал значительную эффективность, что позволяет поставить его в один ряд по эффективности с жидкофазными аналогами, на которых описано большинство экспериментов в научной литературе. Данный тип конструкции может также служить как биофильтр для проточной системы очистки сточных вод.
Список литературы
1. Дебабов В. Г. Производство электричества микроорганизмами // Микробиология, 2008. Т. 7. № 2. С. 149-157.
2. Шеуджен Т. М., Волченко Н. Н., Самков А. А. Микробный топливный элемент мембранного типа для доочистки сточных вод // Материалы всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов «Технологический форсайт 2.0». Краснодар, 2016. С. 184-187.
3. Enhanced anaerobic degradation of organic pollutants in a soil microbial fuel cell / De-Yin Huang. [et all] // Chemical Engineering Journal, 2011.
4. Jaecheul Yu. Electricity generation and microbial community in a submerged-exchangeable microbial fuel cell system for low-strength domestic wastewater treatment // Bioresource Technology, 2012. V. 117. P. 172-179.
