污水尿液能发电——微生物燃料电池技术获突破

      微生物燃料电池并不是一个新概念。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，他用铂作为电极成功制造出了世界第一块微生物燃料电池。最近，美国宾夕法尼亚州立大学环境工程系教授Bruce Logan的研究组尝试开发微生物燃料电池，试图将未经处理的污水转变成干净的水，同时发电。该项技术未来还可能实现海水淡化。
科技的发展能令许多尘封的梦想照进现实。一块看上去如此“微小”的电池，究竟隐含了怎样“巨大”的能量?
污水中蕴含电能价值
       目前，污水处理费时、费钱，还消耗大量能量，基本是个隻投入不产出的行业，成为各国***头疼的一大难题。有数据称，5%的电力消费被用于污水处理。因此，又能净化水质、又能发电的微生物燃料电池一旦出现，将有望把污水处理变成一个有利可图的产业。Bruce Logan教授认为，未来污水处理厂通过使用微生物燃料电池不仅可以满足自身用电，还能向外输电。虽然目前还没有商业产品问世，但多伦多大学的科学家戴维·伯格雷曾估计，污水中潜在的电能价值是其处理成本的10倍。Bruce Logan教授则认为，隻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。不过他估计，微生物燃料电池实现工业应用还需5~10年。在现阶段，突破工业应用的关键问题仍然是如何继续降低成本、提高电池性价比。据悉，在早期的研究中，Bruce Logan所在的研究小组使用了大量昂贵的材料，如昂贵的石墨电极、聚合物以及铂等贵金属。但其最新的电池系统已经使用了更便宜并且更环保的材料。“我们现在已经可以不用任何贵金属了。”Bruce Logan教授说。
尚处于实验室阶段 但应用前景广阔
       中国科学院广州能源所研究员孔晓英在接受采访时表示，微生物燃料电池目前还处于实验室研究阶段。但经过科研工作者的不懈努力，它在各个方面都取得了显着突破。微生物燃料电池的应用范围相当广泛，塬料已由简单的葡萄糖、乙酸发展到各种废水、农业和畜牧废弃物、城市生活有机垃圾、海水河水沉积物等復杂的材料。在功能上，也由单纯的产电拓展到处理废水、辅助产氢、海水淡化、土壤修復及CO2的捕获等。“微生物燃料电池有很多不同的‘模样’，从两室到阴极和质子膜压合在一起的单室，从有膜到无膜，从电池单体到电池组，小到纽扣电池，大到大型柱状电池，无不体现了科研人员丰富的想象力及创造力。”孔老师说。
       据孔老师介绍，微生物燃料电池与其他电池相比，具有燃料来源多样化、操作条件温和、无需能量输入、能量利用的高效性、生物相容性等独有特点。但是与化学燃料电池相比，微生物燃料电池的功率输出大约低4个数量级。“虽然微生物燃料电池在电能输出方面没有竞争优势，但是在很多方面有很好的应用前景，可以发展为廉价、长效的电能系统。将废水中的有机污染物转变成电能，能为边远地区或无人的地方提供微能源，修復土壤，淡化盐水，协助产氢，它还可以成为新型的人体起搏器、生物传感器等。”孔老师说，“然而，如何集成各方面的优势技术，使微生物燃料电池得到广泛应用是亟待解决的问题。另外，利用復杂有机物产电的机制、微生物群落代谢网络等问题仍需深入研究。”
优势：将有机物“变废为宝”       英国布裡斯托尔机器人实验室的研究人员克裡斯·梅尔赫什表示，从理论上来说，隻需要找到合适的微生物，微生物燃料电池可由任何有机物质来驱动。孔老师对此观点表示认同。“‘合适’的微生物要满足两个条件：一是能够很好地利用塬料﹔二是将代谢塬料产生的电子传递到电池电极上。”孔老师举例说，例如想利用富含纤维素的废纸、木头、玉米叶、玉米秆等制作微生物燃料电池，首先要找到纤维素降解微生物。牛的胃液是不错的选择，可从活奶牛胃裡获取瘤胃胃液，通过置入到奶牛瘤胃上的套管提取胃液，然后将含纤维素的塬料及含纤维素降解微生物的胃液混合后加入到燃料电池装置中，经过反復“驯化”，使微生物适应电极的电子传递，就可能得到一种利用废弃有机质的微生物燃料电池。美国俄亥俄州立大学就是利用奶牛胃液制作了降解纤维素的燃料电池。孔老师告诉记者，微生物燃料电池的塬料很广泛，不同类型的电池塬料也不同，如处理废水的微生物燃料电池的主要塬料就是废水，土壤修復的微生物燃料电池塬料是土壤。那些新奇的微生物“发电”新技术       可以说，几乎任何类型的有机废物材料都可作为微生物燃料电池的产电塬料，如麦草秸秆、动物粪便以及葡萄酒、啤酒或奶制品行业的废水等。但不管什么类型的微生物燃料电池，所採用的塬料本质上都是糖类、醇类、蛋白质等有机物。专家评析：    利用尿液或者乳清来制造微生物燃料电池在实验室进行基础研究是可行的，以上两个发现都是在特定的条件下实现的。在尿液制作微生物燃料电池的实验中，研究人员利用了无疾病人员正常代谢产生的尿液作为培养液，对来自污水处理厂的活性污泥进行“驯化”，以此构建的微生物燃料电池得到了极小的电能。由于微生物在低浓度的情况下对有机塬料是可以正常启动的，但在高浓度下，则要进行稀释。同时，如果在实际运行中找到合适的产电微生物及高效的电池配置，也能广泛地利用各种成分的尿液或乳清，并提高电能。“血糖发电”：日本东北大学开发出了一种利用血液中的糖分发电的燃料电池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足的电量，为心臟起搏器提供能量。“尿液发电”：为处理密闭的宇宙飞船裡宇航员排出的尿液，美国宇航局设计了一种巧妙的方案：用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，它会产生氨气，以氨气作为微生物电池的电极活性物质，这样既处理了尿液，又得到了电能。一般在航天条件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦电力。“乳清发电”：希腊研究人员研发出了以乳清为塬料的微生物燃料电池。研究人员表示，乳清是制造奶酪的副产品，该研究可让工厂从乳清等有机废物中回收能源。乳清富含乳糖，微生物燃料电池中的微生物通过消耗乳糖来产生电流。这种新型燃料电池虽然最近几年才走进大众的视野，但它正在吸引越来越多人的关注，人们希望它在处理废物的同时产生电力。