Электрохимических технологий

(Перевод)

Waste biomass is a cheap and relatively abundant source of electrons for microbes capable of producing electrical current outside the cell. Rapidly developing microbial electrochemical technologies, such as microbial fuel cells, are part of a diverse platform of future sustainable energy and chemical production technologies. We review the key advances that will enable the use of exoelectrogenic microorganisms to generate biofuels, hydrogen gas, methane, and other valuable inorganic and organic chemicals. Capturing part of this energy would provide a new source of electrical power. Furthermore, agricultural practices could be modified to annually produce an additional 1.34 billion tons of biomass for energy production, without affecting food production, which is equivalent to more than 600 GW of continuous power. These different sources of waste organic matter can be a rich resource for energy production if we can develop cost-effective methods for harnessing this energy.

How Do Microorganisms Generate Electricity from Organic Matter?

The use of exoelectrogenic microorganisms in MFCs allows electrical power generation from nearly any source of biodegradable organic or inorganic matter in water that does not directly require oxygen as a part of the degradation process.

These organic sources include simple molecules such as acetate, ethanol, glucose, and hydrogen gas; polymers such as polysaccharides, proteins, and cellulose; and many types of wastewaters from domestic, food processing, and animal sources.

Technologies for Wastewater Treatment.

Current wastewater treatment processes have their bases in processes developed over a hundred years ago, and, although there have been incremental advances, new paradigm-changing approaches are needed to enable substantial energy recovery. In theory, the direct generation of electricity in METs can be similar to conventional fuel cells and lead to very high energy efficiencies because they do not have Carnot cycle limitations inherent in combustion processes. The maximum power densities produced in MFCs using domestic wastewater alone (without other energy sources) have reached 12 W m–3, equivalent to 0.07 kWh m–3. This energy recovery is low considering that domestic wastewater contains ~2 kWh m–3. Globally, up to 980 GW of power could be harvested from salinity gradient energy where freshwater flows into the sea.

What Are the Prospects for Scaling Up and Commercialization?

MFCs and MECs are exciting but nascent technologies, with many opportunities and challenges for successful applications. One key factor for commercial success of these technologies will likely be lowering the cost of electrodes and associated materials to enable recovery of capital costs within only a few years.

Rising costs for producing electrical power coupled with incentives for carbon-neutral processes could bring these systems into practice, with sufficient investment, in the near future. Several companies are now in the process of commercializing MFCs and MECs for various applications, including wastewater treatment and the production of biochemicals, caustic solutions, and hydrogen peroxide solutions. The main challenge of using MFCs as a stand-alone method for electrical power generation is the low value of electricity. For the same reason, it may be difficult to realize a profit on investment by using MFCs as a stand-alone method of wastewater treatment because of little profit that can be made from producing electricity.

Отходы биомассы являются дешевым и относительно обильным источником электронов для микробов, способных производить электрический ток вне клетки. Быстро развиваются микробные электрохимические технологии, такие как микробные топливные элементы, являющиеся частью разнообразных платформ будущего устойчивого развития энергетики и химической продукции данных технологий. Мы рассмотрим основные достижения, которые позволят использование микроорганизмов «exoelectrogenic» для получения биотоплива, водорода, метана и других ценных неорганических и органических химических веществ. Использование отходов органических веществ будет обеспечивать новый источник электроэнергии. Кроме того, методы ведения сельского хозяйства могут быть изменены, чтобы ежегодно производить дополнительно 1340 млн. тонн биомассы для производства энергии, без ущерба для производства продуктов питания, что эквивалентно более чем 600 ГВт непрерывной мощности. Эти различные источники отходов органических веществ могут быть богатым источником для производства энергии, если мы можем разработать экономически эффективные методы для освоения этой энергии.

Как микроорганизмы вырабатывают электроэнергию из органического вещества?

Использование микроорганизмов «exoelectrogenic» в микробных топливных элементах (МFС) позволяет выработать электроэнергию из практически любого источника биоразлагаемых органических или неорганических веществ в воде, которые непосредственно не нуждаются в кислороде, как в части процесса деградации. Эти органические источники включают в себя простые молекулы такие, как ацетат, этанол, глюкозу и водорода; полимеры такие, как полисахариды, белки и клетчатку, а также многих видов сточных вод от бытовых, пищевых продуктов и животного происхождения.

Технологии очистки сточных вод.

Текущие процессы очистки сточных вод имеют свои базы в процессах, разработанных более ста лет назад, но новая парадигма меняющихся подходов необходима для обеспечения существенного восстановления энергии. В теории, прямая генерация электроэнергии в микробных электрохимических технологиях (МЕТ) может быть похожа на обычные топливные элементы и привести к очень высокой эффективности получения энергии, потому что не является ограничением цикла Карно, присущим в процессах горения. Максимальная мощность производится в МFС с использованием сточных вод в одиночку (без других источников энергии), достигает 12 Вт, что эквивалентно 0,07 кВтч/м. Эта энергия восстановлена не полностью, учитывая, что в бытовых сточных воды содержится ~ 2 кВт/м³ энергии. Во всем мире до 980 ГВт мощности может быть выработано из градиента солености, где пресная вода впадает в море.

Каковы перспективы для расширения масштабов и коммерциализации?

МFC и МЕТ являются зарождающимися технологиями с большим количеством возможностей для успешного применения. Одним из ключевых факторов для коммерческого успеха этих технологий, вероятно, будет снижение стоимости электродов и связанных с ними материалов, чтобы обеспечить восстановление капитальных затрат в течение всего лишь нескольких лет. Рост затрат на производство электроэнергии может привести эти системы в производство, с достаточными инвестициями, в ближайшем будущем. Некоторые компании сейчас находятся в процессе МFC и коммерциализации МЕТ для различных приложений, включая очистку сточных вод и производство биохимических веществ, щелочных растворов, и растворы пероксида водорода. Основной проблемой использования МFC в качестве отдельного метода для выработки электроэнергии является низкое значение электроэнергии.

ЭлектронныЕ ресурсЫ

1. http://www.awmc.uq.edu.au