Микробные топливные элементы (МТЭ) производят электричество за счёт окисления разной органики и могут работать в тандеме с системами очистки сточных вод, синхронно генерируя энергию. В последнее время возможности микробных батарей значительно выросли, но для их дальнейшей оптимизации нужны не только многочисленные эксперименты, но и более совершенные математические модели. Одну из таких предложили исследователи из Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева и Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН в коллаборации с итальянскими учёными. Её работоспособность подтверждена экспериментами, а результаты работы опубликованы в журнале Energies, информирует «Тихоокеанская Россия», ТоРосс.

В природе есть микроорганизмы, которые научились питаться в бескислородной среде, окисляя органические соединения. Параллельно в этих реакциях во внешнюю среду выделяются электроны, и в начале XX века люди придумали использовать такие микроорганизмы (их называют экзоэлектрогенными) для создания микробных топливных элементов, генерирующих электричество из различной органики. Но долгое время мощности таких устройств были невысокими и только недавно они заметно подросли. Теперь микробная батарея, совмещённая с корнями папоротника, даёт достаточно энергии для фотокамеры, делающей селфи растения, а микробный топливный элемент, встроенный в ткани живого голубя, способен запитать имплантируемый нейростимулятор мозга. При этом микробная батарея может работать на самой разной органике – в том числе и сточных водах или отходах производств. Поэтому их пробуют совмещать с существующими системами водоочистки для синхронной генерации электричества.

В работающем микробном топливном элементе кроме окисления органики, протекающего на одном электроде (аноде), параллельно идёт парная реакция электровосстановления кислорода на другом электроде (катоде), а пространство между ними должно, c одной стороны обеспечивать хороший транспорт протонов, а с другой – изолировать анод от кислорода. Поэтому работоспособность микробных топливных элементов определяется смесью многих факторов: материалами электродов, концентрацией и скоростью подачи питательного органического субстрата, рН среды, геометрическими размерами системы. И для подбора оптимального устройства и режима работы микробной батареи необходимы её точные математические модели.

«Существующие математические модели МТЭ можно разделить на два типа: одни представляют батареи в качестве чёрного ящика и рассматривают лишь входные и выходные потоки сигналов. А вторые уже акцентируются на сути процессов, протекающих внутри системы, но часто они бывают очень сильно упрощены и подходят только для каких-то конкретных систем, — рассказывает первый автор работы, доцент Российского химико-технологического университета Виолетта Василенко. –Мы же создали комплексную модель второго типа, в которой одновременно учли рост микробной популяции, темпы потребления/образования окисляемой органики, электромиграцию протонов между электродами, диффузию органических компонентов и кинетику электрохимических реакций. С применением этой модели мы рассчитали некоторые фундаментальные закономерности и после оптимизировали одну из ключевых характеристик – концентрацию органического субстрата».

«Пирог» с начинкой из ила

Результаты моделирования сопоставляли с данными реальных экспериментов. Исследователи сделали несколько версий микробного топливного элемента, отличающихся материалами электродов. Субстратом во всех батареях был раствор глюкозы в смеси солей, а источником токогенерирующих микроорганизмов – активный ил, который используют для биологической очистки сточных вод. Это сообщество микроорганизмов, в том числе экзоэлектрогенных, микроскопических грибных культур и бактерий, способных жить в условиях продолжительного голода и отсутствия кислорода.

В ключевых экспериментах в качестве катода использовали углеродный материал с железо-кобальтовым катализатором, а анодом была слоистая структура по типу пирога из углеродной ткани с нанесённой на неё смесью биомассы (активного ила) и углеродных нанотрубок. Удельная мощность такого микробного топливного элемента была на уровне 2 мкВт/см2. Это совсем немного по сравнению с более привычными накопителями энергии вроде литий-ионных аккумуляторов, но находится на одном уровне с результатами других групп, разрабатывающих микробные топливные элементы схожей конструкции.

По результатам экспериментов учёные уточнили значения численных параметров, заложенных в модель микробного топливного элемента, так чтобы результаты расчётов и реальные данные экспериментов совпадали с максимальной точностью. А после этого с помощью модели рассчитали оптимальную концентрацию глюкозы в питательном растворе. Оказалось, что её увеличение приводит к росту мощности микробного топливного элемента только вплоть до концентрации 0.5 моль/л, выше которой подниматься уже не имеет смысла. Аналогичным образом с помощью предложенной модели могут быть оптимизированы и другие ключевые параметры, определяющие работу микробных топливных элементов.

Теперь учёные планируют использовать предложенную модель для разработки гибридной системы очистки сточных вод и синхронной генерации электроэнергии. Учитывая конструктивную совместимость микробных топливных элементов с системами водоочистки, а также непрерывный характер их работы, даже сравнительно небольшие мощности микробных топливных элементов в таком применении могут позволить генерировать большие объемы электричества, сообщает пресс-служба Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева.

Статья: Violetta Vasilenko et al, Glucose-Oxygen Biofuel Cell with biotic and abiotic catalysts: Experimental research and mathematical modeling, Energies (Q2), 2020. DOI: 10.3390/en13215630