Моделирование и экспериментальное исследование влияния источника углерода на работу трубчатого микробного топливного элемента

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11070 (2023) Цитировать эту статью

328 Доступов

Подробности о метриках

Микробные топливные элементы (МТЭ) служат двум основным целям: производству экологически чистой энергии и очистке сточных вод. В этом исследовании изучается влияние различных источников углерода на производительность MFC и разрабатывается математическая модель для воспроизведения кривой поляризации. В биологическом реакторе использовались три типа источников углерода: глюкоза в качестве простого сырья, микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) и суспензия органического компонента твердых бытовых отходов (ВТБО) в качестве комплексного сырья. МФЦ работали как в открытом, так и в закрытом режиме. Максимальные достигнутые напряжения разомкнутой цепи составили 695 мВ для глюкозы, 550 мВ для MCC и 520 мВ для SOMSW в качестве субстратов. Также было исследовано влияние подложки в режиме замкнутой цепи, в результате чего максимальные плотности мощности составили 172 мВт/м2, 55,5 мВт/м2 и 47,9 мВт/м2 для глюкозы, МКЦ и SOMSW в качестве подложек соответственно. Во втором разделе была разработана математическая модель для изображения поляризационной кривой с учетом потерь напряжения, а именно активационных, омических и концентрационных потерь, со средней относительной ошибкой (ARE) менее 10%. Математические модели показали, что активационные потери напряжения возрастают с увеличением сложности подложки и достигают максимального значения при использовании SOMSW в качестве подложки.

В последние десятилетия глобальный спрос на энергию значительно возрос, главным образом благодаря росту населения и промышленному прогрессу. В настоящее время большая часть энергетических потребностей удовлетворяется за счет использования ограниченных ресурсов ископаемого топлива, таких как газ, нефть и уголь. Поскольку потребление энергии продолжает расти, среди ученых растет конкуренция за поиск возобновляемой, экологически чистой и надежной альтернативы энергии. Крайне важно решить эти проблемы, поскольку источники ископаемого топлива не только ограничены, но и экологически неустойчивы. Помимо проблем, связанных с энергетикой, повышенное внимание вызывают растущие опасения по поводу выбросов парниковых газов, особенно CO21. Поэтому обширные исследовательские усилия были направлены на изучение альтернативных видов топлива, таких как ядерная и возобновляемая энергия, чтобы уменьшить зависимость мира от ископаемого топлива. Акцент делается на выявлении экологически чистых вариантов энергетики, основанных на возобновляемых источниках2,3,4. Хотя ядерная энергия рассматривается как альтернатива, доступность ее ресурсов ограничена, а эффективное удаление отходов остается серьезной проблемой5. В результате возобновляемые источники энергии, обеспечивающие минимальный или нулевой выброс отходов, привлекли значительное внимание научного сообщества.

Микробные топливные элементы (МТЭ) представляют собой особый тип топливных элементов, в которых микроорганизмы используются в качестве биокатализаторов, преобразующих органические вещества в электричество, облегчая перенос электронов и протонов. В отличие от обычных топливных элементов, в которых используются дорогостоящие катализаторы, МТЭ используют микроорганизмы внутри анодной камеры. Электроны, генерируемые этими микроорганизмами, достигают анодного электрода либо через посредника, либо путем прямой трансформации с использованием нанопроволок или биопленок, а затем переносятся на поверхность катода через внешнюю цепь. В случае безмембранных однокамерных МТЭ (SCMFC) протоны проникают через анолит и достигают катодного электрода. На катоде молекулы кислорода восстанавливаются, в результате чего образуется вода1. Однако, несмотря на потенциальные преимущества MFC, ряд серьезных проблем препятствует их широкому применению в реальных сценариях. Эти проблемы включают эффективность производства электроэнергии, материальные затраты, связанные с электродами и сепараторами, необходимость простоты и осуществимости конструкции и эксплуатации, а также затраты на техническое обслуживание и общую жизнеспособность. Чтобы преодолеть эти барьеры, внедрение МФЦ считается многообещающей альтернативой традиционному производству энергии на основе ископаемого топлива. Следовательно, за последние два десятилетия были предприняты значительные усилия для решения одной или нескольких из этих проблем и повышения практической применимости МФЦ. Для достижения высокого производства энергии были изучены различные рабочие условия6,7,8 и отдельные материалы анода и катода9,10, модифицированный анод или катодный электрод11, проточный процесс (периодический и непрерывный)2 и микробный тип12,13,14,15,16. в МФЦ. Для снижения первоначальной стоимости МТЭ использовались недорогой анодный электродный материал (например, сетка из нержавеющей стали17), сепаратор (например, ткань Canvas18) и биокатод (катодный электрод без металлического катализатора19). Различные структуры МФЦ20,21 были изучены для разработки МФЦ с простой структурой и легкостью обслуживания. До сих пор использовались два типа трубчатых MFC: восходящие (вертикальные)22 и горизонтальные20. Трубчатые MFC могут использоваться в реальных приложениях для производства электроэнергии и очистки сточных вод из-за простоты обслуживания и конструктивных особенностей (например, отсутствия тупиков в непрерывном режиме). Даже в трубчатых типах стоимость производства электроэнергии по-прежнему высока и неоправданна, что пока ограничивает их применение.