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细菌发电,废水变能源

2014年11月04日 来源: 浙江日报 作者:曾福泉 周炜点击次数:929
简介: 成少安的实验室里,成千上万受了“驯化”的细菌正在利用污水进行发电,这是全球科学家的研究热点之一。也许不久的将来,处理污水将有一个更酷的选项—发电!
在汤森路透日前发布的《2014世界最具影响力的科研精英》报告中,现任职于浙江大学能源工程学院的著名科学家成少安入选环境与生态学科的“高被引科学家”。成少安的实验室里,成千上万受了“驯化”的细菌正在利用污水进行发电,这是全球科学家的研究热点之一。也许不久的将来,处理污水将有一个更酷的选项—发电! 细菌变电池 成少安的实验室摆放着几十个比火柴盒略大的透明“盒子”,这便是细菌电池的原型。仔细看,盒子上方有两个小孔,一个孔注入污水,一个孔则排出被细菌“消化”过后变清的水。盒子的两侧是两块圆形的材料,一个是阴极,一个是阳极。细菌在阳极表面生长,靠消耗废水中的有机物新陈代谢,产生的电子则传递到电极上。在上面加一个载荷,就形成了电流。成少安解释说:“细菌经过‘驯化’,就能持续地消耗废水中的有机物,既清洁了废水,又能发电。而且对环境来说‘零负担’。” 实际上,人类很早就发现了细菌发电的原理。1910年,英国植物学家马克·皮特以铂作电极,放入大肠杆菌的溶液里,竟测到了微弱的电流,这便是全世界第一“块”细菌电池。 科学家很快认识到,电流来自细菌体内新陈代谢产生的电子。但是,细菌电池电量十分微弱。如何让细菌体内的电子尽可能多地跑到电极上去,这个问题长期找不到理想的答案。开发细菌电池成为一项“孤独的研究”。 成少安在美国宾夕法尼亚州州立大学期间参与的科研团队聚焦在这项研究上,并相信其具有广阔应用前景,提出了利用细菌电池原理,用废水发电的设想。 课题组从污水处理站取来污水,成少安负责实验装置的搭建和电极材料的研发。“在最初的可行性验证阶段,电量只有几毫瓦,但我看到浑浊的废水慢慢变得清澈,说明细菌在工作啦!”成少安说,那是细菌第一次带给他“感动与信心”。 通过科学家的不断开掘,现在,细菌电池每平方米电极材料产生电量已达数千毫瓦,提高了5个数量级。“当发电量噌噌噌往上涨,越来越多的科学家看到了细菌燃料电池的曙光。2005年前后,这一领域的研究热度在全世界延伸开来。” 巧建“发电厂” 细菌电池的难点之一,是让尽可能多的微生物附着在电极的表面,而不是在污水中自由游泳。“我们要给细菌一个舒适的环境,让它们高效工作。”于是,电极材料的研发就成为一个重要攻关方向。 成少安在宾州州立大学微生物电化学实验室工作时,发明了碳纤维阳极。从微观看,这些碳纤维的表面非常粗糙,形成了广阔的表面积,可供许多细菌栖息。阴极也是一个巧妙的设计:既可以滴水不漏,而空气则可来去无阻,自由流通,提供好氧细菌所需的氧气。这项“空气阴极”技术的相关论文,被美国电化学通讯杂志评为该杂志最有影响的论文之一。这些实验装置和材料,也被全世界很多实验室所沿用。 “细菌比我们想象的聪明得多。”成少安说,随着研究的深入,生命世界的奇妙带给了他很多的乐趣。比如,一开始课题组用一层薄膜把污水中的细菌分成厌氧、好氧两个“房间”,但“墙壁”会令电池内部的电阻增大,影响发电效率。拆掉“墙壁”会怎样呢?课题组发现,当细菌进入反应器一段时间之后,无需人为干预,就会自动“站队”,形成两个区域,好氧的细菌紧贴在空气阴极一侧,而厌氧的细菌则舒舒服服地附着在另一头的碳材料阳极上工作。“这样,我们的反应结构就可以简化不少!” 治污前景广 目前被广泛应用的废水处理技术本身是以消耗电能为代价的。科学家认为,细菌发电的技术一旦成熟走向应用,将改写这种局面。 成少安说,就世界来看,当前的水污染处理成本所消耗的能源占到了总发电量的3%至4%。在我国,这个量就是1600亿度电,相当于5000万吨标煤。 “垃圾是放错地方的资源。”成少安说,“我们通过计算得出,一个10万人小城市的生活产生的污水用来发电的话,可以供给一千户人家的用电量。” 这项技术拥有广阔的应用前景。比如太空飞船上可以利用细菌来把尿液等转变成可饮用的水,海洋中的潜水艇也是一样道理。因为这是用一个高效低成本的方法解决能源问题的路径之一。 成少安表示,要让细菌发电技术走出实验室,还需要不同领域科学家的共同努力。生物学背景的科学家从微生物角度去研究,有望通过基因改造,带来产电活性更高的细菌类型。而从工程材料的角度,可以去研究怎样的电极材料才能产生更大的功率。 作者:曾福泉 周炜
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