Микробные топливные элементы (МТЭ) производят электричество за счет 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 РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИФХЭ РАН в коллаборации с итальянскими учеными. Ее работоспособность подтверждена экспериментами, а результаты работы опубликованы в журнале Energies.

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 МТЭ, генерирующих электричество из различной органики, но долгое время мощности таких устройств были невысокими и только недавно они заметно подросли. Теперь микробная батарея, совмещенная с корнями папоротника , дает достаточно энергии для фотокамеры, делающей селфи растения, а МТЭ, встроенный в ткани живого голубя, способен запитать имплантируемый нейростимулятор мозга. При этом микробная батарея может работать на самой разной органике — в том числе и муниципальных сточных водах или отходах производств. Поэтому их пробуют совмещать с существующими системами водоочистки для синхронной генерации электричества.

В работающем МТЭ кроме окисления органики, протекающего на одном электроде (аноде), параллельно идет 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 МТЭ 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 ее точные математические модели.

“Существующие математические модели МТЭ можно разделить на два типа: одни представляют батареи в качестве черного 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 РХТУ, 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 МТЭ, 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 нанесенной на нее смесью биомассы (активного ила) и углеродных нанотрубок. Удельная мощность такого МТЭ 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 МТЭ схожей конструкции.

По результатам экспериментов ученые уточнили значения численных параметров, заложенных в модель МТЭ, так чтобы результаты расчетов и реальные данные экспериментов совпадали с максимальной точностью. А после этого с помощью модели рассчитали оптимальную концентрацию глюкозы в питательном растворе. Оказалось, что ее увеличение приводит к росту мощности МТЭ 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 МТЭ.

Теперь ученые планируют использовать предложенную модель для разработки гибридной системы очистки сточных вод и синхронной генерации электроэнергии. Учитывая конструктивную совместимость МТЭ с системами водоочистки, а также непрерывный характер их работы даже сравнительно небольшие мощности МТЭ в таком применении могут позволить генерировать большие объемы электричества.

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры информационных компьютерных технологии и кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева в коллаборации с исследователями из ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина и Университета Генуи (Генуя, Италия) при финансовой поддержке Минобрнауки (Госзадание №13.10932.2018/10.11 от 02.03.2018 г.)

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