微生物燃料电池：处理污水发电两不误

自工业革命以来，污水处理一直是困扰发达国家和发展中国家的一大难题，因为它耗费巨大，完全是个只投入、不产出的行业。而新型微生物燃料电池不仅可以净化水质，还可以发电，它的出现有望把污水处理变成一个有利可图的产业。虽然目前该产品还在不断改进，尚未投入商业化生产，但我们完全有理由相信它拥有广阔的发展前景。
    张运贵　编译
    近日，由美国宾夕法尼亚州立大学的科学家洛根率领的一个研发小组宣布，他们研制出一种新型的微生物燃料电池，可以把未经处理的污水转变成干净用水和电源。
    微生物燃料电池（MicrobiologicalFuelCells）并非刚刚出现的一项技术。早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，把它放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池；1984年，美国制造了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，它的燃料为宇航员的尿液和活细菌，不过它的放电率极低；近几年，利用微生物发电的技术出现了更大的突破，宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授布鲁斯·洛根是新型微生物燃料电池研制小组的负责人，他说，“传统的燃料电池是利用氢气发电，但从来没有人尝试使用富含有机物的污水来发电。”
    重大创新：单一槽设计
    洛根所设计的电池装置和氢燃料电池有点相似，是一个圆柱形的树脂玻璃密闭槽，看上去好像一个汽水瓶子。不过和氢燃料电池不同的是，微生物燃料电池是单一反应槽，里面装有8条阳极石墨棒，它们围绕着一个阴极棒，密闭槽中间以质子交换膜间隔。密闭槽外部以铜线组成的闭合电路，用作电子流通的路径。当污水被注入反应槽后，细菌酶将污水中的有机物分解，在此过程中释放出电子和质子。其中，电子流向阳极，而质子则通过槽内的质子交换膜流向负极，并在那里与空气中的氧以及电子结合生成干净的水。从而完成对污水的处理。与此同时，反应槽内正负极之间的电子交换产生了电压，使该设备能够给外部电路供电。
    单一反应槽是微生物燃料电池设计的创新。洛根指出，大部分燃料电池的设计以两反应槽为主———分别为阳极槽和阴极槽，在阳极槽中以厌氧方式维持微生物生长；阴极槽中则需维持在有氧环境下，使电子与氧结合并且与质子形成水分子。而单一反应槽以质子交换膜连接两槽，其功能不仅可分开两槽水溶液，还可以避免氧气扩散至另一槽内。两槽式的电解槽，需以外力方式提供溶氧至阴极，而单一槽微生物燃料电池可以以连续注水方式将空气带入阴极，从而减少通氧设备的花费。
    样品将在6个月后完成
    在发电量方面，据洛根称，在实验室里，该设备能产生72瓦的电流，可以驱动一个小风扇。虽然目前产生的电流不多，但该设备改进的空间很大。从提交发明报告到现在，洛根的研发小组已经把该燃料电池的发电能力提高到了350瓦，不过，洛根希望这一数值最终能达到500－1000瓦。等技术成熟后，可以批量生产的微生物燃料电池的发电能力将获得很大提高，洛根认为它可以产生500千瓦的稳定电流，大约是300户家庭的用电量。洛根计划建造一个大型的微生物燃料电池样品，预计将在6个月之后完成。
    应用前景广阔
    尽管目前该设备的能量输出相对较低，但洛根称，他们正在不断改进该技术，相信最终它能够应用在小型污水处理厂里。据称，该设备还可以用来处理畜牧厂的废水和废物，也可以用在食品加工厂甚至载人航天器内。
    洛根指出，只要是富含有机物的地方都可以使用这种电池。不过，微生物燃料电池最好的用途还是处理污水，假如污水处理厂使用此类设备，那么它们可以一边处理废水一边发电，从而大大降低污水处理成本。维持废水处理厂的正常运作是一件花费相当高的事情。无论对对发展中国家还是工业化国家来说，处理废水同时又能发电的新燃料电池技术都相当诱人。根据美国国家发展委员会统计，美国每年需要处理330亿加仑的生活污水，处理费用大约为250亿美金。而大部分的成本几乎都花在维持处理厂运转所需的能源上，因此，若微生物燃料电池能降低成本和提高发电效率，将会为废水处理节省庞大的开支。
    对于广大污染严重的发展中国家来说，这项技术尤为实用，因为它不仅能净化水质、处理垃圾，同时又能产生电源。单独从发电这一方面来说，政府就有足够的理由建设和保留污水处理厂。如果该技术能进行商业化推广，废弃物或污水处理将成为国家的摇钱树而非沉重负担。
    戴维·伯格雷是多伦多大学的一名科学家，他估计废水中潜在的电能是其处理成本的10倍。洛根认为，只要能利用潜在电能的1/20，污水处理厂就可以解决污水处理成本了。
    微生物燃料电池还可以用来处理食品加工厂和农场，尤其是猪场的废水，以往，处理这些恶臭难闻的污水耗费巨大。美国航空航天局也正在开发一项类似的技术，在载人航天飞行中把宇航员的生活垃圾转化为能量。（金羊网—民营经济报）