Сточные воды могут стать практичным источником электричества

Новый тип бактериальных топливных элементов имеет весьма высокий КПД преобразования химической энергии органических отходов в электричество.

Из 4,12 трлн киловатт-часов, вырабатываемых в США каждый год, от 2 до 3 процентов тратится на очистку сточных вод. Некоторая неопределённость вызвана тем, что множество установок очистки — частные и обслуживают по одному дому. Даже крупные города, такие как Индианаполис, могут не иметь централизованной канализационной системы общегородского масштаба, поэтому точные цифры установить трудно. Но и в самом оптимистичном сценарии речь идёт о примерно 10% годового энергопотребления России — а в мировом масштабе эти траты во много раз больше. В эпоху дорогого ископаемого топлива они сильно задирают вверх цифры коммунальных платежей по всему миру.

И это не говоря уже о том, что на самом деле обработка сточных вод представляет собой даже не топку печей ассигнациями, а просто их разбрасывание на улице. Ведь то, на что мы сегодня по всему миру тратим сотни миллиардов киловатт-часов, по сути, является углеродосодержащим топливом: мы лишь ленимся его использовать.

Уж не первый год множество исследователей из разных стран пытаются решить проблему при помощи бактериальных топливных элементов (БТЭ). В них микробы, разлагающие органические отходы в сточных водах, буквально «подсоединяют к проводам», собирая электроны, которые образуются в процессе деятельности микроорганизмов. Следовательно, БТЭ не только не тратят, но и, напротив, получают дополнительное электричество от этого затратного процесса.

Большинство БТЭ размещают бактерии на аноде, отделённом от катода мембраной, которая пропускает протоны водорода лишь в одном направлении — от анодной камеры в катодную. На катоде при этом происходит восстановление кислорода с образованием воды — за счёт электронов от бактерий. Традиционной проблемой БТЭ считается то, что даже небольшое количество кислорода, попадающего к бактериям, позволяет им использовать газ напрямую, не отдавая электроны топливному элементу.

В новой разработке учёные из Стэнфордского университета (США) во главе с И Цуем (Yi Cui) использовали катод с небольшим количеством оксида серебра. При получении электронов от микробов электрод восстанавливается до чистого серебра, однако за счёт токсичности серебра бактерии не могут расти на таком катоде, снижая скорость собственно процесса, дающего электричество. Таким образом, новое устройство не нуждается в мембране, изолирующей одну камеру элемента от другой, что значительно упрощает всю схему. Однако как только электрод из оксида серебра будет восстановлен, его нужно заменить на ещё не восстановленный, иначе процесс замрёт.

Как видим, в отличие от обычной БТЭ, у новинки как будто есть целых две слабости. Во-первых, катод выполнен из серебра, а оно стоит денег. Во-вторых, серебро нужно периодически окислять, что энергозатратно.

Тем не менее, вопреки этим кажущимся недостаткам, всё не так плохо. Ведь получаемая энергия больше, чем затрачиваемая, даже с учётом повторного окисления серебра. На выходе всё равно будет КПД около 30% (в зависимости от условий насыщенности воды отходами — от 20 до 33%). А это, как ни крути, эффективность двигателя внутреннего сгорания — с той только разницей, что на топливо в этой установке тратиться вообще не придётся.

Кроме того, авторы отмечают, что речь шла об опытной разработке, в то время как в серийной конфигурацию электродов и их состав можно будет изменить, убрав серебро. Над менее «шикарными» материалами исследователи, по их уверениям, уже корпят. Правда, материал электрода в любом случае должен быть бактерицидным, иначе катод будет обрастать бактериями, которые замедлят реакцию, либо потребуется возврат к мембране. Так что использовать придётся что-то вроде той же меди, также бактерицидной, но в десятки раз более дешёвой.

Как всё это коснётся нас с вами? Внедрение бактериальных (или микробных) топливных элементов может наконец-то пробудить в развивающихся странах интерес к полной очистке сточных вод. Напомним, ООН считает, что 80% всех вод такого рода в мире не очищаются, поскольку страны третьего мира часто не желают на это тратиться. И если на отходах можно будет делать деньги, может заметно улучшиться и экологическая обстановка. По некоторым оценкам, с одного литра сточных вод удастся получать до 2,87 Вт•ч электроэнергии, так что если доплачивать за обеспечение таким «топливом» владельцам квартир в более развитых странах и не будут, то платежи за отвод сточных вод всё равно намного снизятся.