從可再生能源發(fā)電將很快變得如同將刷子和管子放入一桶廢水中一樣容易。
由賓夕法尼亞州立大學研究人員開發(fā)的碳纖維，瓶刷陽極將為細菌提供足夠的表面定植，這是第一次使用微生物燃料電池進行大規(guī)模發(fā)電。此外，改編自現(xiàn)有廢水處理設備的膜管空氣陰極將完成該回路。
“碳纖維刷是導電的，生產(chǎn)成本非常低廉，并為細菌生物膜附著提供大的表面積，”Kappe環(huán)境工程教授Bruce E. Logan說。
“這些陽極可以由任何現(xiàn)有的刷子制造商制造，任何尺寸或形狀都可以。”
微生物燃料電池通過細菌的作用起作用，細菌可以將電子傳遞到燃料電池的陽極。電子從陽極通過導線流到陰極，產(chǎn)生電流。在此過程中，細菌消耗廢水中的有機物并清潔水。賓夕法尼亞州立方法使用廢水中天然存在的細菌，不需要特殊的細菌菌株或不尋常的環(huán)境要求。
此前，Logan和他的團隊表明，使用碳纖維紙作為陽極的小型矩形燃料電池和使用鉑催化劑作為陰極的碳纖維紙可以從廢水中產(chǎn)生電力和清潔水。然而，碳纖維紙電池的商業(yè)規(guī)模擴大是不實際的。
使用刷式陽極，其表面積比以前使用的碳紙陽極多300至1,500倍，燃料電池產(chǎn)生的能量是兩年前燃料電池產(chǎn)生的兩倍多。研究人員在3月21日的環(huán)境科學與技術(shù)網(wǎng)絡版上報告說，使用碳纖維陰極每使用260加侖水，使用直徑約1英寸，長1英寸的小刷子生產(chǎn)相當于2.4瓦的燃料電池。
“陽極不再是這些電池發(fā)電的限制因素，”Logan說。
其他碳陽極是有問題的，因為孔隙或空間被生物膜堵塞并且效率降低，但是因為刷子包含非常細的纖維并且周圍有足夠的循環(huán)空間，所以死菌不會堵塞刷子。
隨著陽極不再限制放大或細菌生長，研究人員轉(zhuǎn)向陰極。“我們需要一種能夠產(chǎn)生更多表面積的新型陰極，”Logan說，“許多系統(tǒng)使用鉑催化劑，但鉑金太貴了。
雖然刷陽極可以浸沒在廢水中，但陰極必須使一側(cè)暴露于空氣中的氧氣才能工作。研究人員研究了目前用于廢水處理應用的膜管，以尋求答案。這些膜管可商購，具有多達6至8英尺高的各種尺寸，不導電。
“我們用導電石墨涂料涂上管子并加入鈷基催化劑，”洛根說。
涂漆的管確實可以產(chǎn)生功率，但不如摻雜鉑的碳紙那么多。
“我們用這些管子展示了概念驗證，但現(xiàn)在我們必須提高效率并降低成本，”Logan說。
研究人員測試了兩種陰極配置，一種是在管外部使用催化劑，另一種是在管內(nèi)部使用催化劑。
在最好的測試案例中，研究人員使用碳纖維刷陽極和兩個直徑約0.6英寸的管狀陰極，內(nèi)部摻有鈷催化劑，燃料電池每260加侖水產(chǎn)生18瓦，并達到充電效率超過70%。
新配置的陽極和陰極還允許燃料電池的各種配置。“利用這些新的陽極和陰極，廢水處理反應堆的設計可以像一個大型水箱一樣簡單，刷子和管狀陰極插入同一個水箱，”洛根說。
微生物燃料電池的另一個好處是，它在發(fā)電時會清理廢水，這通常需要消耗能量。
在陽極研究方面，Logan，研究員Shaoan Cheng和研究生，土木與環(huán)境工程師Valerie Watson以及最近畢業(yè)于化學工程的Garett Estadt。Logan致力于陰極研究; 程; 和易佐和Doug Call，研究生，土木和環(huán)境工程。