物电解池:污水变氢气

作者:化学

  不远的将来,也许你我家中都会有台冰箱大小的机器,只要将生活污水灌进去,一番处理后,三口之家一天的燃气就出来了,注意,我们说的燃气不是沼气,而是热效能更高的氢气,污水则变成了干净的水安全排放到下水道。

  近日,由哈尔滨工业大学市政环境工程学院的生物制氢科研团队,利用微生物电解池技术,通过一种存在于生活污水中的耐寒产电细菌,实现了在4℃低温下生物制氢,从而攻克了低温制氢难题。这使实现家庭能源的自给又多了一条选择路径。

  微生物电解池技术还很“年轻”。哈尔滨工业大学市政环境工程学院邢德峰副教授告诉本报记者:“在世界范围内,这项技术问世只有5年多。”

  对于一个可再生资源化技术来说,这么短的时间一般还处在技术成熟的初级阶段。但从2009年开始,邢德峰及其团队仅仅用了2年时间,就取得了突破性进展,这一低温生物制氢技术成果已经发表在英国皇家化学学会主办的国际期刊《能源与环境科学》上。

  微生物电解池由池体、阳极、阴极、外电路及电源组成。在阳极上有一层由产电微生物形成的生物膜,这些微生物靠吃污水中的有机物为生。在这些微生物的代谢过程中,电子从细胞内转移到了细胞外的阳极,然后通过外电路在电源提供的电势差作用下到达阴极。在阴极,电子和质子结合就产生了氢气。

  微生物的“吃喝拉撒”,为人所用,就产生了能源。有趣的是,在自然界中这个微生物电化学辅助产氢过程不是自发的。“因为在自然条件下,不存在这样一个完善的电子转移通路。”邢德峰说。

  据邢德峰介绍,微生物电解池技术有着明显的优点。首先,该技术的能量转化效率高,只需给电路提供一个很小的电压(0.2-0.6V)就能够克服热力学壁垒产生氢气,而传统水电解产氢需要1.8—2.0V的电压。如果不计底物的能量,微生物电解池的这个特点使得其产生的氢气的能量远大于输入其的电能。

  再者,微生物电解池技术在一定程度上可以缓解水的有机物污染。因为对于该技术选用的微生物来说,底物范围非常广,几乎可以利用绝大多数的有机物,不像传统发酵法生物制氢底物那样单一。“当底物为有机废水时,我们常常可以不考虑其的成本,这样,利用微生物电解池从废水中产氢从经济上来讲就变为一个划算的技术,可获得氢气带来的净收益。”邢德峰说,“同时处理了废水,具有产能和治污相结合的特点。”

  而且,产电菌可以将绝大多数的有机物完全降解,不会产生新的废物。例如:发酵法只能利用碳水化合物制氢,同时产生代谢产物有机酸,而微生物电解池不仅能利用碳水化合物还能够利用有机酸产氢。

  更为重要的是,微生物电解池可以在低温产氢,而传统生物制氢和化学法制氢都很难在低温下进行。“很多人都想做出在4℃条件下运行的微生物电解池,”邢德峰说,因为这一装置通常要在25℃-30℃的环境中才能运行,在高纬度和高海拔地区应用受限。此外,微生物电解池中常常存在产生甲烷的细菌,降低了氢气的转化率,这也是各国科学家亟待攻克的难题。

  邢德峰说:“很多菌在4℃的低温环境中不愿意生长。”但该项目的研发人员发现了该条件下仍具良好活性的耐寒产电细菌,并通过在低温环境下的不断接种成功富集到了这种,驱动微生物电解池制氢。“可以这么说,本研究中微生物电解池阳极上富集的产电菌和传统发酵法生物制氢所利用的微生物截然不同,这些产电菌在很低的温度下也能保持良好的活性,这就是微生物电解池能够运行在低温条件下的关键,我们获得了富集的低温产电细菌,目前正在进纯菌分离培养。”

  也正是突破了传统制氢技术的温度限制,使高纬度和高海拔地区使用生物制氢技术成为可能。邢德峰表示,即便是冬天的东北,只要是在室内电解池就可以运行,无需另外加热。同时,低温环境有效地抑制了甲烷的产生,从而提高了氢气的转化效率。

  由此,该论文在线发表同时,著名学术期刊《化学世界》也对其进行了报道,认为该研究发现的低温产氢是生物制氢的重要突破性成果,同时指出低温生物制氢技术,降低了维持运行的加热成本。

  就目前的实验就过来看,这项技术产氢速度快,且稳定性较好。邢德峰介绍说:“我们在4℃条件下的反应器已稳定运行1年多。以乙酸钠为底物为例,氢气的回收效率可达70—90%。”

  “难以做大。”对于该技术的局限,邢德峰直言不讳,由于阴极需要贵金属作为催化剂催化产氢,这就大大增加了其产氢的成本。其实,如不采用催化剂,也能实现制氢过程,但效率会下降一半以上。好在目前一些低廉的阴极材料正被开发出来,例如:不锈钢,镍合金,钼合金,也具有良好的催化效果。

  氢能是一种无污染、可再生、能量密度高的能源,不仅可以作为重要的化工和石油工业原料,也适用于厨房灶具、热水器和家电。所以,在规模难以做大的现状下,家庭燃气就成为一个很好的选择。一家一户,一个单元或者几户为一个单位,建立一个电解池,都是比较理想的形式。根据氢气的热值和以天然气作为参考,一个体积1m3的微生物电解池可完全满足一个三口之家的耗气量。

  尽管目前的研究还停留在实验室规模,但由于其具有种种优点,对于微生物电解池的研究已经成为世界能源与环境研究领域的热点,有越来越多的国家加入到这项研究中。如果阴极催化剂的成本进一步降低,5—7年内有可能实现家庭示范应用。

  “未来,这种制氢装置可被制成微波炉大小,或者冰箱大小,看上去就像家中的一件电器。”邢德峰说。本报记者 滕继濮

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