Sciencemag.cz
Doporučujeme
Bioelektrochemické systémy (BES) patří mezi technologie vyvinuté v poslední době, které umožňují současně výrobu sloučenin s přidanou hodnotou, jako je vodík, např. z odpadních vod.
Mikrobiální elektrolytické články (MEC), také nazývané bioelektrochemicky podporované mikrobiální reaktory (BEAMR), využívají elektrochemické hydrogenace k přímé přeměně biologicky rozložitelného materiálu na vodík. Mikrobiální elektrolytický článek je vlastně upravený mikrobiální palivový článek (MFC), jehož princip spočívá v rozkladu organické hmoty mikroby v anaerobním prostředí anody. Při tomto metabolickém procesu vznikají elektrony, protony a oxid uhličitý. Protony procházejí elektrolytem směrem ke katodě přes protonovou membránu a elektrony proudí přes odpor obvodem ke katodě za produkce proudu.
Protony a elektrony se slučují s kyslíkem na katodě za vzniku vody. Účinnost této technologie je nízká, na druhou stranu však umožňuje energeticky zabezpečit chod čističek odpadních vod, pro jejichž provoz stačí bakterie, které jsou běžné v odpadní vodě. Do procesu MEC vstupuje biologický materiál spolu s elektřinou a vystupuje čistý vodík. Nejedná se tedy o elektrolýzu vody, ale o rozklad biologického materiálu.
Tento článek vznikne z výše zmíněného MFC článku tak, že obě elektrody jsou umístěny v anaerobním prostředí a na elektrody je zvenčí přiváděno slabé elektrické napětí 0,2 V (mimo napětí, které vyprodukují samotné bakterie). Protony se pak na katodě slučují s elektrony a vzniká čistý vodík. Bakterie jsou sice schopny samy vyrobit určitý proud, ale bez dodání potřebného rozdílu napětí (0,2 V) se reakce samovolně nerozeběhne.
MEC používá podobné složky, jaké jsou použity v pevných palivových článcích. Jelikož membrány použité v MFC zvyšují ohmický odpor, byly pro MEC úspěšně vyvinuty nové membrány typu Nafion, čímž se snížilo použité napětí z 1 V (při použití plynové difúzní membrány) na 0,5 V, a v provedení bez membrány dokonce na 0,4 V.
V bioelektrochemickém mikrobiálním reaktoru se vodík vyvíjí na katodě za současného vylučování kyslíku. Do obvodu se přidává malé napětí a používají se bakterie typu Geobacter, Shewanella sps. nebo Rhodoferax ferrireducens. Pro snížení potenciální ztráty spojené s membránou a zvýšení energetického využití tohoto procesu byla navržena a zkoumána k produkci vodíku jednokomorová membrána bez MEC, jež byla vytvořena jednou smíšenou kulturou a jednou čistou kulturou: Shewanella oneidensis MR-1.
Během tohoto procesu se smíšenou kulturou vzniká metan, který negativně ovlivňuje produkci vodíku. Teoretické napětí pro výrobu vodíku v neutrálním prostředí je –0,61 V (napětí na katodě proti elektrodě Ag/AgCl). Anodový potenciál vyrobený při oxidaci organické hmoty speciálními mikroorganismy je přibližně –0,5 V. Minimálně nutné napětí je tudíž 0,11 V. Pro výrobu vodíku bioelektrolýzou acetátu je toto minimální použité napětí větší než 0,25 V kvůli ohmickému odporu a elektrodovému přepětí.
C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
Účinná přeměna a skladování energie
anoda : CH3COOH + 2H2O → 2CO2 + 8H+ + 8e–
katoda : 8H+ + 8e– → 4H2
MEC jsou zajímavé z hlediska produkce vodíku, neboť v porovnání s alternativními technologiemi, jako je tmavá fermentace a fotosyntéza, vyžadují mnohem nižší spotřebu energie ve srovnání se získáním vodíkovým z elektrolýzy vody a jejich účinnost tohoto procesu je vyšší. Doposud byla v rámci BES testována řada substrátů, které zahrnují syntetické odpadní vody s obsahem škrobu, celulózy, glycerolu, metanolu, fenolu, ale také průsakových vod vznikajících na skládkách, komunálních a průmyslových odpadních vod nebo odpadních vod z výroby bionafty.
Proces BEAMR se liší od MFC ztrátou vodíku, který difunduje z katodové komory přes membránu. Technologie umožňuje s přijatelnou energetickou účinností vyprodukovat velmi čistý vodík (> 99,5 %) ze široké škály biologického odpadního materiálu.
Tento text je úryvkem z knihy:
Kolektiv autorů: Netradiční zdroje energie, čistá paliva a nové metody spalování
Academia 2016
O knize na stránkách vydavatele
