Когда ил станет ценнее нефти
29.12.2021
Сегодня самые распространенные ресурсы – уголь и нефть – дают колоссальные выбросы опасных веществ и парниковых газов. Поэтому развитие на их основе «зеленой экономики» является очень проблематичным. А какие у нас есть альтернативные источники энергии? Тепла для солнечных электростанций в наших краях маловато, силы ветра тоже недостаточно…
ИЗ ДОСЬЕ
Мария Сафронова окончила 9-й лицей в Калуге, сейчас учится на 2-м курсе магистратуры в КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Экология и промышленная безопасность». Начала заниматься научной работой еще в школе. Соавтор патента на полезную модель «Биоэлектрохимическое устройство». Лауреат стипендии им. Тимофеева-Ресовского 2018/19 учебного года, победитель областного конкурса «Студент года-2019», лауреат стипендии им. Дашковой в 2021 г., пятикратный призер и победитель Всероссийской молодежной инновационной выставки «Политехника» 2017-21 гг. Автор и соавтор более 30 научных публикаций, в том числе посвященных оптимизации технологии получения биоэлектричества и повышению производительности микробных топливных элементов.
Мария Сафронова окончила 9-й лицей в Калуге, сейчас учится на 2-м курсе магистратуры в КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Экология и промышленная безопасность». Начала заниматься научной работой еще в школе. Соавтор патента на полезную модель «Биоэлектрохимическое устройство». Лауреат стипендии им. Тимофеева-Ресовского 2018/19 учебного года, победитель областного конкурса «Студент года-2019», лауреат стипендии им. Дашковой в 2021 г., пятикратный призер и победитель Всероссийской молодежной инновационной выставки «Политехника» 2017-21 гг. Автор и соавтор более 30 научных публикаций, в том числе посвященных оптимизации технологии получения биоэлектричества и повышению производительности микробных топливных элементов.
Начало: пластиковая бутылка
Более двадцати лет экологи Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана изучают вопросы получения биоэлектричества, то есть пытаются задействовать процессы, происходящие в живой природе.Мировой науке уже давно известен целый ряд микроорганизмов, способных превращать химическую энергию в электрическую. К ним относятся и некоторые микробы, живущие в речном или прудовом иле. Они питаются разлагающейся органикой и химическую энергию связей преобразуют в электричество. Конечно, в воде нет электрического тока, просто появляются положительно и отрицательно заряженные ионы. Если их разделить, направив на катод и анод, то между ними возникнет разность потенциалов. Так можно получить электричество, причем напрямую, без генераторов и прочих шумных движущихся механизмов – это практически идеальный источник энергии!
Первый такой реактор был построен в лаборатории Бауманского из обычной бутылки из-под минералки. Внутри нее плавали бактерии, поглощающие органику. Энергии хватало, чтобы зажечь крохотную лампочку. Позже устройство облагородили, выполнив его в виде ящичка из оргстекла, и пять лет назад получили патент на полезную модель – «Биоэлектрохимическое устройство» – под номером 175 765, дата регистрации – 19 декабря 2017 г.
Приручение бактерий
Устройства, дающие электроэнергию в результате деятельности микроорганизмов, получили название МТЭЛов – микробных топливных элементов. Хотя в мире над ними работают еще с середины прошлого века, до масштабного промышленного применения дело пока не дошло, исследования в самом разгаре.В этом году Мария Сафронова подала в АИРКО, координирующее в нашем регионе программы Фонда поддержки инноваций, заявку «Разработка энергосберегающего микробного топливного элемента широкого применения» на участие в конкурсе «УМНИК».
Несколько лет занимаясь этой темой, студентка пришла к выводу, что имеющиеся аналоги, разработанные в России и других странах, малопривлекательны для потребителей, так как являются слишком дорогими при низкой эффективности. И решила доказать, что можно существенно упростить и удешевить аппарат.
В частности, в ряде известных МТЭЛов применяют селекционные штаммы микроорганизмов. Это дорого. Есть и бесплатный вариант – активный ил очистных сооружений, населенный бактериями. Поначалу бауманцы самостоятельно подбирали ассоциации из самых энергичных бактерий, но достоверного роста КПД установки не зафиксировали. Затем для исследований стали применять активный ил с очистного оборудования различных предприятий Калуги – он практически не уступает селекционному. А позже обнаружили, что ил, образованный в одном из прудов Ульяновского района, обладает такими же электрогенными свойствами. В итоге на конкурс представлен проект, основанный на использовании бесплатного и доступного ила с очистных сооружений или природного ила, взятого из некоторых прудов нашей области.
Многолетними опытами в лаборатории установлены эффективные и сравнительно дешевые материалы для электродов – латунь и графит, подобрана их оптимальная конфигурация, увеличена площадь рабочей поверхности. Сама емкость – пищевой пластик, который можно использовать повторно.
Для разделения катодной и анодной камер использована мембрана – тонкая пленка из ионообменных полимеров компании «Щекиноазот». Этот импортозамещающий материал дешевле, чем мембраны зарубежного производства, применяемые в большинстве аналогичных устройств. Благодаря уникальным конструкторским и технологическим решениям себестоимость разрабатываемой установки получилась достаточно низкая, по расчетам ее окупаемость составит три года.
На будущее
Полученной мощности сегодня хватает лишь для светодиода, а если потребности выше, нужна батарея таких устройств, и конструкция предусматривает это. Небольшая мощность обусловлена низким КПД установки, всего около 8 %. Зато она проста в эксплуатации и способна безотказно действовать годами.Использовать микробные топливные элементы можно не только в ЖКХ, быту или сельском хозяйстве, но и для электропитания любого маломощного оборудования, например, датчиков. А заодно для утилизации органических отходов или очистки воды. Особый интерес они представляют для труднодоступных районов Крайнего Севера и отдаленных территорий, где нет других источников энергии, а также на космических станциях.
Новая установка
Работа с биоэлектричеством продолжается, ученые стараются повысить эффективность установок и ищут, как заставить сообщества бактерий работать интенсивнее. Есть надежда, что через несколько лет МТЭЛы станут распространенным источником альтернативной (не углеводородной) энергии, параллельно решая экологические задачи.
НАША СПРАВКА
На кафедре «Экология и промышленная безопасность» начинается работа над идентификацией микроорганизмов, входящих в состав активного ила, методом ПЦР-диагностики. Наличие специализированной лаборатории также поможет впоследствии получать селекционные штаммы микроорганизмов силами ученых и студентов с использованием современных методик.
На кафедре «Экология и промышленная безопасность» начинается работа над идентификацией микроорганизмов, входящих в состав активного ила, методом ПЦР-диагностики. Наличие специализированной лаборатории также поможет впоследствии получать селекционные штаммы микроорганизмов силами ученых и студентов с использованием современных методик.