微生物電解池:汙水變氫氣

2020-11-26 中國新聞網

電解池模型

　　不遠的將來，也許你我家中都會有臺冰箱大小的機器，只要將生活汙水灌進去，一番處理後，三口之家一天的燃氣就出來了，注意，我們說的燃氣不是沼氣，而是熱效能更高的氫氣，汙水則變成了乾淨的水安全排放到下水道。

　　近日，由哈爾濱工業大學市政環境工程學院的生物制氫科研團隊，利用微生物電解池技術，通過一種存在於生活汙水中的耐寒產電細菌，實現了在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」

　　微生物電解池技術還很「年輕」。哈爾濱工業大學市政環境工程學院邢德峰副教授告訴本報記者：「在世界範圍內，這項技術問世只有5年多。」

　　對於一個可再生資源化技術來說，這麼短的時間一般還處在技術成熟的初級階段。但從2009年開始，邢德峰及其團隊僅僅用了2年時間，就取得了突破性進展，這一低溫生物制氫技術成果已經發表在英國皇家化學學會主辦的國際期刊《能源與環境科學》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電微生物形成的生物膜，這些微生物靠吃汙水中的有機物為生。在這些微生物的代謝過程中，電子從細胞內轉移到了細胞外的陽極，然後通過外電路在電源提供的電勢差作用下到達陰極。在陰極，電子和質子結合就產生了氫氣。

　　微生物的「吃喝拉撒」，為人所用，就產生了能源。有趣的是，在自然界中這個微生物電化學輔助產氫過程不是自發的。「因為在自然條件下，不存在這樣一個完善的電子轉移通路。」邢德峰說。

　　優點

　　產能和治汙相結合

　　據邢德峰介紹，微生物電解池技術有著明顯的優點。首先，該技術的能量轉化效率高，只需給電路提供一個很小的電壓（0.2-0.6V）就能夠克服熱力學壁壘產生氫氣，而傳統水電解產氫需要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生的氫氣的能量遠大於輸入其的電能。

　　再者，微生物電解池技術在一定程度上可以緩解水的有機物汙染。因為對於該技術選用的微生物來說，底物範圍非常廣，幾乎可以利用絕大多數的有機物，不像傳統發酵法生物制氫底物那樣單一。「當底物為有機廢水時，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氫從經濟上來講就變為一個划算的技術，可獲得氫氣帶來的淨收益。」邢德峰說，「同時處理了廢水，具有產能和治汙相結合的特點。」

　　而且，產電菌可以將絕大多數的有機物完全降解，不會產生新的廢物。例如：發酵法只能利用碳水化合物制氫，同時產生代謝產物有機酸，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氫。

　　要點

　　突破傳統制氫的溫度限制

　　更為重要的是，微生物電解池可以在低溫產氫，而傳統生物制氫和化學法制氫都很難在低溫下進行。「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℃的環境中才能運行，在高緯度和高海拔地區應用受限。此外，微生物電解池中常常存在產生甲烷的細菌，降低了氫氣的轉化率，這也是各國科學家亟待攻克的難題。

　　邢德峰說：「很多菌在4℃的低溫環境中不願意生長。」但該項目的研發人員發現了該條件下仍具良好活性的耐寒產電細菌，並通過在低溫環境下的不斷接種成功富集到了這種，驅動微生物電解池制氫。「可以這麼說，本研究中微生物電解池陽極上富集的產電菌和傳統發酵法生物制氫所利用的微生物截然不同，這些產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鍵，我們獲得了富集的低溫產電細菌，目前正在進純菌分離培養。」

　　也正是突破了傳統制氫技術的溫度限制，使高緯度和高海拔地區使用生物制氫技術成為可能。邢德峰表示，即便是冬天的東北，只要是在室內電解池就可以運行，無需另外加熱。同時，低溫環境有效地抑制了甲烷的產生，從而提高了氫氣的轉化效率。

　　由此，該論文在線發表同時，著名學術期刊《化學世界》也對其進行了報導，認為該研究發現的低溫產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，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，這項技術產氫速度快，且穩定性較好。邢德峰介紹說：「我們在4℃條件下的反應器已穩定運行1年多。以乙酸鈉為底物為例，氫氣的回收效率可達70—90%。」

　　「難以做大。」對於該技術的局限，邢德峰直言不諱，由於陰極需要貴金屬作為催化劑催化產氫，這就大大增加了其產氫的成本。其實，如不採用催化劑，也能實現制氫過程，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出來，例如：不鏽鋼，鎳合金，鉬合金，也具有良好的催化效果。

　　氫能是一種無汙染、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原料，也適用於廚房灶具、熱水器和家電。所以，在規模難以做大的現狀下，家庭燃氣就成為一個很好的選擇。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。

　　儘管目前的研究還停留在實驗室規模，但由於其具有種種優點，對於微生物電解池的研究已經成為世界能源與環境研究領域的熱點，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一步降低，5—7年內有可能實現家庭示範應用。

　　「未來，這種制氫裝置可被製成微波爐大小，或者冰箱大小，看上去就像家中的一件電器。」邢德峰說。本報記者 滕繼濮

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