Альтернативная энергетика – микробный топливный элемент

Областное профессиональное образовательное учреждение

«Курский автотехнический колледж»

Название проекта: Альтернативная энергетика – микробный топливный элемент

Название номинации: Экология и безопасность

автор: Сопова Кристина Игоревна

специальность: 23.02.01 «Организация перевозок и управление на транспорте (техник)»

руководитель: Авдулова Ирина Васильевна,

преподаватель физики

тел. 89081274566,

адрес эл.почты: [email protected]

Альтернативная энергетика – это важнейший, универсальный, самый эффективный технически вид энергии. Одно из самых важных особенностей такой энергетики – экологическая безопасность использования.

Целью исследования стало изучение такого вида альтернативной энергетики как микробный топливный элемент.

Задачами:

1) Найти подходящую информацию и проанализировать её.

2) Выяснить, что такое альтернативные источники энергии.

3) Изучить принципы получения и применения микробного топливного элемента.

6) Выявить преимущества и недостатки такого вида альтернативной энергетики.

Гипотеза: Возможно, что микробный топливный элемент действительно являются наиболее выгодной заменой традиционным источникам.

Энергетический кризис начался еще 3 века назад, но глобальная проблема возникла к 70-ым годам прошлого столетия. Пришло осознание, что ресурсов не хватит и нужно искать выход. Но альтернативные источники должны быть еще и абсолютно чистыми, то есть без загрязнения окружающей среды. Родоначальником способа получения экологически чистой энергии ветра был Пол ла Кур, датский изобретатель, объяснивший принцип действия ветрового генератора. Это стало началом новой эры в энергетике.

Согласно мнению энергетиков в последующие несколько десятилетий значительно увеличится энергопотребление из-за тотального экономического развития и прироста населения. Поэтому поиск альтернативной энергетики является одной из задач, которая стоит перед человечеством и требует срочного решения.

Б иотехнологическое устройство, преобразующее энергию химических связей органических веществ в электричество через микроорганизмы, называется микробным топливным элементом. Микробный топливный элемент (MТЭ от англ. Microbial fuel cell) - это устройство, использующее, например, сточные воды. Тем самым это не только эффективный метод производства электричества, но и способ защиты окружающей среды от загрязняющих веществ. Целью настоящего исследования является обобщение результатов работы  и рассмотрение новых методов применения МТЭ. Научная новизна заключается в том, что рассмотрен механизм получения электроэнергии от микроорганизмов, а также исследованы перспективные направления развития данного вида альтернативной энергетики.

В среднем каждый житель страны производит до двух килограммов мусора, состоящего из пищевых отходов и прочей органики. В связи с этим вопрос об их утилизации стоит очень остро. Действенным методом борьбы с органическими отходами является микробиология, а самыми результативными едоками - «электрообразующие бактерии». Они-то и генерируют электричество. Клетка такой бактерии на поверхности мембраны имеет белок цитохром, на нем и создается заряд. Бактерия в процессе метаболизма «сбрасывает» электрон и формирует следующий. Это происходит бесконечен. К тому же такой способ получения энергии экологичнее по сравнению со стандартными. Так по статистике у работников, связанных с энергетической отраслью, часто встречаются следующие заболевания: неврастенические синдромы и вегетативные дисфункции, а также нарушение работы сердечнососудистой системы.

Рассмотрим принцип работы микробного топливного элемента. На рисунке представлена некая емкость, наполненная раствором с содержанием органических веществ и разделенная на две части. В левую часть помещаем пластину, покрытую биопленкой, которая выполняет роль анода.

В данном механизме образование электронов происходит в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. В результате образуется электрический ток, проходящий по проводу от металлической пластины к катоду. Можно подключить электроприбор для регистрации изменения напряжения и силы тока и снять показания.

В зависимости от вида бактерий, состава, температуры раствора и некоторых других параметров количество энергии составляет от сотен милливольт до десятков киловольт [2, с.213].

Еще в 1912 г. рассматривали возможность применения клеток микроорганизмов для получения электричества, но более активно эту теорию формировали последние пару десятков лет. Основное направление этих работ - очистка сточных вод и переработка отходов: начиная от пищевых и заканчивая токсичными и даже радиоактивными.

Биоэлектрохимическое восстановление минеральных соединений и производство электроэнергии в МТЭ происходит через биогеохимические реакции, производимые микроорганизмами. Нерастворимый акцептор электронов можно применить как анодный электрод, тогда многие микроорганизмы смогут осуществлять реакции в искусственных системах. В связи с этим главной задачей, стоящей перед учеными, является найти способ повысить эффективность транспорта электронов между клетками и электродом. Так, бактерии рода Geobacter в 10000 раз активнее переносят электроны на естественный акцептор (соединения железа), чем на электрод [1, с.151].

Как же работают МТЭ? Бактерии расщепляют углероды на углекислый газ, протоны и электроны. В связи с отсутствием кислорода бактерии не образуют воду. Они передают электроны аноду, и последние оседают на нем, а далее продолжают свое движение к катоду. Протоны же идут через катионную мембрану и попадают в отдел, содержащий кислород. Катод в кислородной среде восстанавливает воду.

Графитовый анод со стальным сердечником - вот решение для работы МТЭ. Плюс такого устройства в том, что он хорошо проводит электричество, и при этом отсутствует взаимодействие с топливом. А переработчиками топлива могут быть любые анаэробные бактерии. Одна из самых активных бактерий такого рода – Geobacter. Она выдает большее количество электричества за единицу времени по сравнению с подобными ему бактериями. Но есть минус. Они проигрывают в войне за «еду» своим «соотечественникам», и тем самым уменьшают количество выдаваемого электричества.

Сейчас ученые изучают бактерии, которые живут в высокотемпературных условиях. Так называемые термофилы встречаются в гейзерах и вулканических зонах. Их особенность в том, что они не перерабатывают органику, но восстанавливают некоторые химические элементы (железо, серо и т.д.) [3, с.58].

Преимуществом МТЭ является то, что источники могут функционировать круглосуточно при различных спектрах температуры и внешних условиях. То есть данная технология может действовать и на земле, и под землей, и там, где темно и влажно, и там, и где солнечно и сухо.

МТЭ генерируют бесплатную энергию и утилизируют остатки жизнедеятельности человека, которые на данный момент заполняют всю большую и большую территорию Земли. Но по своим масштабам она все же может быть применена как добавочная технология, но используемая в различных местах. В домашнем хозяйстве эта технология наиболее удобна, т.е. на заднем дворе может стоять комплекс небольших размеров, где будет происходить непосредственная переработка мусора в электричество для нужд владельцев.

Ученые из Бристольского Университета (Англия) сконструировали водоплавающего робота, способного в грязной воде находить себе «пищу» для собственного движения. Робот представляет собой механизм из двух небольших весел и механизм пропускания воды, который регулирует поток воды. Внутри робота находится камера с МТЭ, очищающая воду, вырабатывая при этом электричество и заряжая конденсатор. Движется робот так: за десять секунд делает десять гребков (благодаря буям держится на воде), потом открывает камеру и поглощает воду, затем три минуты ее перерабатывает. После заслонки снова открываются, и робот движется дальше, обновляя воду в камере. Он может работать, пока не очистит всю воду, ну или до полного износа механизма. Есть еще один плюс такого устройства: он вырабатывает энергии чуть больше, чем нужно для его движения - примерно на один джоуль. Эту энергию можно использовать для питания различных датчиков его движения. Создатели считают, что если оптимизировать механизм робота, то можно запустить систему автономно, создавая сеть таких устройств.

Даже с учетом неактивного развития данной технологии, явно прослеживается рост интереса к ее применению в промышленных масштабах. Все зависит от мирового сообщества и желания вкладывать денежные средства в развитие МТЭ.

Таким образом, можно однозначно утверждать, что альтернативные источники энергии заменят традиционные. С учетом того, как быстро общество во всем мире накапливает мусор. И отходов больше, чем достаточно для того, чтоб начинать активно его перерабатывать человечеству для своей пользы.

Список использованной литературы и электронных источников

1. Дебабов В.Г. Производство электричества микроорганизмами / В.Г. Дебабов // Микробиология. - 2008. - Т.77, № 2. - С.149-157.

2. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур // М., Акварос, 2003. - 507 с. : ил., табл., цв. ил., портр.

3. Сибикин ЮД.. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: учебное пособие/ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. –М.: КНОРУС, 2010. – 232 с.

4. Решетилов А.Н. Генерация электрической энергии в биотопливном элементе на основе клеток микроорганизмов (обзор) / А.Н. Решетилов, О.Н. Пономарева, Т.А. Решетилова // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. - 2005. - Т.1. - С.54-63.

5. https://alternativenergy.ru/energiya/320-geotermalnaya-energiya.html (дата обращения 29.03.2021г.)

6. https://realproducts.ru/kak-ispolzuyut-solnechnuyu-energiyu/ (дата обращения 29.03.2021г.)