Мир стоит перед проблемой постоянно растущего спроса на энергию наряду с растущим давлением на окружающую среду, которую можно решить за счет сокращения энергопотребления.
По мере роста населения и ускорения урбанизации ожидается не только рост качества городского обслуживания, но и его постоянное улучшение. Этот рост должен быть достигнут при одновременном снижении их энергетического следа и обеспечении выгод для экономики. Хотя такие поляризованные требования редко совпадают, новые подходы к очистке органических отходов и сточных вод открывают широкие возможности. Многие виды органических отходов характеризуются значительным содержанием энергии.
- Эта энергия остается неиспользованной в традиционных технологиях удаления отходов, которые, как правило, потребляют относительно большие объемы энергии для обработки.
Очистка 1 кубометра муниципальных сточных вод (при загрязнённости 300 мг/л) требует от 0,21 до 0,6 кВт-ч энергии, однако сами сточные воды содержат 1,35 кВт-ч химической энергии, с дополнительным потенциалом для восстановления биогенных веществ.
Существует широкий спектр технологий, предназначенных для валоризации энергии отходов. Большинство из них являются зрелыми технологиями (например, сжигание и анаэробное сбраживание (AD)), которые широко доказали свою экономическую и техническую осуществимость. Однако они очень часто являются слишком жесткими, при этом рекуперация энергии ограничивается лишь одним продуктом, а исходное сырье для отходов должно отвечать строгим спецификациям.
- В частности, низкая концентрация органических материалов в городских сточных водах делает эти методы непригодными. Например, AD требует, чтобы температура очистки составляла около 35°C, что подразумевает, что для нагрева 1 кубометра сточных вод (при начальной температуре 10°C) потребовалось бы 35 кВт⋅ч энергии, что в 26 раз превышает объем рекуперируемой энергии.
Сжигание является еще менее приемлемым, поскольку в сточных водах, как правило, содержание воды составляет 99%.
Микробные электрохимические технологии (МЭТ) значительно эволюционировали за последние 15 лет, став перспективной и более гибкой альтернативой как в отношении исходного сырья для органических отходов (валоризация потоков твердых, жидких и газовых отходов при различных разбавлениях), так и в отношении производимых энергоносителей (электричество, жидкое или газообразное топливо).
Однако эти сложные и разнообразные технологии еще не доказали свою экономическую и техническую осуществимость. Все статьи этого номера предлагают полезное понимание того, как МЭТ могут быть применены в реальных условиях.
Успех будущих внедрений МЭТ будет во многом зависеть от разработки подходящих электродов, которые могут обеспечить большую плотность тока, быть биологически, физически и химически стабильными, экономически жизнеспособными и обладать высокой удельной площадью поверхности и проводимостью.
Первая статья этого специального выпуска направлена на разработку новых конструкций анодов, которые могут соответствовать нескольким из этих требований. Здесь мы узнаем, что медь не является идеальным анодным материалом, однако использование 3D-печати оказалось весьма успешным в создании анодной базы материала с желаемой пористостью для максимизации микробной активности.
Авторы предлагают контролировать анодный потенциал как средство предотвращения коррозии меди и, таким образом, извлекать выгоду из ее высокой проводимости.
В микробных топливных элементах (МТЭ) максимальная достижимая плотность тока, как правило, ограничивается вязкостью реакции кислородного восстановления, поэтому для ограничения избыточных потенциалов катода часто требуются соответствующие катализаторы.
- Однако пересечение субстрата с анодом может привести к образованию слоя биологической плёнки, что обычно приводит к препятствованию переносу кислорода и OH-передаче, что приводит к резкому снижению эффективности МТЭ. Чен и др. изучили влияние субстратного кроссовера на МТЭ, оснащенный вращающимся трехмерным воздушным катодом.
Авторы отмечали, что очень низкие концентрации ацетата на католите могут существенно ограничивать плотности тока из-за биологического обрастания. Однако они обнаружили, что при коротком импульсе высокоскоростного вращения можно восстановить до 85% первоначальной производительности катода.
Продолжение следует...