close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Попова DOKLAD

код для вставкиСкачать
КРАТКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Биотопливный элемент – устройство, которое непосредственно преобразует
энергию химических связей субстрата в электричество путем биокаталитического
окисления органических или неорганических веществ. Одним из важнейших
достоинств биотопливных элементов является то, что они представляют собой
экологически чистые источники электрической энергии. Основой БТЭ является
биокатализатор, в качестве которого могут выступать либо ферменты, либо целые
клетки микроорганизмов.
ИСТОРИЯ И ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ
Идея получения электричества от бактерий родилась еще в 19 веке, а в 1931 году
Барни Кохан создал первые микробиологические ячейки, дававшие ток в 2 мА.
Но первые эффективные биотопливные элементы появились только в начале
этого тысячелетия. Стюарта Вилкинсона из Университета Южной Флориды,
пожалуй, можно назвать вдохновителем этого течения, ведь он создал первого
робота, успешно работающего на сахаре.
Позднее, в 2002 году, основываясь на достижениях Вилкинсона, Крис Мелхуиш,
Тони Пайп и Иоанис Иеропулос из лаборатории автономных интеллектуальных
систем университета Западной Англии в Бристоле разработали батарею EcoBot-I,
работающую изначально на чистом сахаре (поскольку он растворялся без остатка)
и вырабатывающую всего несколько нановатт и 15 мА. К 2004 году ученые
перевели устройство EcoBot-II на гнилые фрукты и мертвых мух. Такие
топливные элементы по эффективности и цене сильно уступали щелочным
батарейкам, зато могли работать неограниченно долго, пока были мухи и фрукты.
В 2007 году появился EcoBot-III, который уже генерировал несколько милливатт.
Сегодня ученые продолжают совершенствовать свое изобретение.
Неэффективными микробиологические источники энергии в первую очередь
делала реакция металлических электродов с продуктами ферментации. Прорывом
в этом вопросе можно назвать 2003 год. Уве Шредер и его коллеги из
Университета им. Эрнста Морица Арндта в городе Грейфсвальд повысили
количество вырабатываемого электричества в десять раз – их бактерия, которая
питалась сахаром, производила ток в 150 мА. Добиться этого немецким ученым
помогло покрытие платинового анода электропроводящим полимером
(полианилином). Такая пленка изолировала металл от продуктов брожения.
Каждые 20 минут электрические импульсы очищали оболочку, благодаря чему
источник энергии работал несколько часов.
В 2006 году Вилли Верстрет и его коллеги из бельгийского университета Гента
добились тока в 255 мА от переработки сточных вод. Переработка отходов стала
немаловажным дополнительным стимулом для ученых в этой сфере.
ЭЛЕКТРОДЫ И ЭЛЕКТРОЛИТ
К материалу анода предъявляются два требования, ограничивающие его выбор:
он должен хорошо проводить, но вместе с тем не взаимодействовать с продуктами
брожения и бактериями (не отравлять их). Углеродные аноды обеспечивают
отличную адгезию бактерий на своей поверхности, но им не хватает
электопроводности. В связи с этим полагают самым многообещающим вариантом
металлический сердечник в графитовой оболочке.
Принципиально различных вариантов катода два. Первый, самый привычный - из
проводящего материала, который не расходуется и выступает как катализатор.
Второй гораздо интереснее – это просто кислород, содержащийся в воздухе или
воде.
Для увеличения производительности реакции с кислородом, как правило,
используют платиновый катализатор. Многие ученые пытаются найти
эффективный катализатор из неблагородных металлов, что уменьшило бы
стоимость биоэлектричества.
В качестве топлива могут использовать углеводы, органические кислоты и
спирты, а также многие органические отходы. Последний фактор позволяет убить
двух зайцев: решить энергетическую и экологическую проблемы.
ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
Схематическое представление структуры и процессов в БТЭ микробного типа.
Субстрат (топливо)– окисляемое органическое соединение. Микроорганизмы –
используемый тип биокатализатора. Медиатор (М) – низкомолекулярное
соединение, обеспечивающее транспорт электронов от ферментов, содержащихся
в клетках, к электроду. Ионообменная мембрана позволяет продуктам реакции
(протонам), диффундировать из анодного отсека в катодный и предотвращает
смешивание растворов анодного и катодного отсеков. Генерируемое напряжение
возникает на электродах «анод» и «катод». (В соответствии с принятыми в
данной области электрохимии обозначениями «анодом» является электрод,
имеющий отрицательный потенциал относительно противоэлектрода)
На рисунке схематически показаны структура и процессы, происходящие в БТЭ.
Анодное отделение содержит биокатализатор (микробные клетки, ферменты),
медиатор и субстрат (окисляемую органику – спирты, сахара и т.д.). Окисление
субстрата (топлива) приводит к появлению заряженного состояния анода и
генерации разности потенциалов между анодом и катодом. По внешней цепи
электроны под действием ЭДС переносятся на катод. Все описанные процессы
происходят в водной фазе – в анодном отсеке находится физиологический буфер,
обеспечивающий жизнедеятельность микробных клеток, в катодном – буфер,
стабилизирующий рН.
Медиатор должен обладать рядом необходимых качеств. Так, медиатор:
- должен обеспечивать быстрый и обратимый перенос электронов от
биокатализатора на электрод;
- иметь окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), близкий к
потенциалу биокатализатора;
- должен быть химически стабильным.
ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА
Рассмотрим немножко подробнее работу органической батарейки.
Колония бактерий, живущая на аноде, расщепляет углеводы до углекислого газа
(СО2), протонов (Н+) и электронов. В природе в аэробных условиях бактерии
используют кислород или нитраты в качестве акцепторов электронов, так что
окончательным продуктом реакции становится вода. В микробиологической
топливной установке условия анаэробные, поэтому бактерии вынуждены
передавать электроны доступному акцептору, то есть аноду.
Далее электроны текут по электрической цепи через нагрузку к катоду. В это же
время протоны из анодной камеры через катионную мембрану попадают в
катодную камеру, содержащую кислород. На катоде из кислорода и протонов
восстанавливается вода.
По описанной схеме можно собрать «живой генератор» даже у себя дома.
Некоторые современные экспериментальные разработки биотопливных элементов
продемонстрировали довольно высокую частоту тока на электроде (до 50 м/см2) и
мощность (более 1кВт), хотя они еще не доведены до того состояния, чтобы их
можно было широко внедрять в производство.
Рассмотрим систему, в которой фермент равномерно распределен по поверхности
электрода. Обозначим поверхностную концентрацию фермента Es (моль/см2).
Лимитирующей стадией процесса является ферментативная реакция
где ES — фермент-субстратный комплекс; Е(ne) — фермент, получивший (или
передавший) электроны.
С учетом существования на границе раздела фаз твердое тело движущаяся
жидкость диффузионного слоя толщиной δ решение уравнения диффузии в
стационарном режиме приводит к следующей зависимости удельного тока:
где F — число Фарадея; п — число переносимых электронов на молекулу
субстрата; Sδ — концентрация субстрата в объеме; θ —безразмерный параметр; D
— коэффициент диффузии субстрата. Параметр θ рассчитывают по уравнению θ =
kкатEs δ/(KMD). Параметр θ и отношение Sδ/KM регулируют, в какой области —
кинетической (θ « 1) или диффузионной (θ » 1) — функционирует система.
Предполагается, что коэффициент диффузии субстрата или продукта реакции
постоянен во всем слое фермента. Практически это не всегда выполняется и
зависит от однороднрости слоя фермента, а также граничащих поверхностей
ферментсодержащей мембраны.
Определение субстратов. При прочих равных условиях скорость образования
продукта или убыли субстрата в ферментативной реакции, т.е. изменение
концентрации потенциалопределяющих ионов, зависит от концентрации
субстрата. Для потенциометрических индикаторных электродов зависимость
отклика электрода от концентрации субстрата логарифмическая, для
амперометрических - линейная.
При достаточной активности фермента весь субстрат за время диффузии его через
иммобилизованный фермент может превратиться в продукты реакции. Эта
активность для ферментного электрода является оптимальной. Дальнейшее
увеличение активности фермента обычно снижает отклик электрода, т.к. субстрат
и продукт реакции в этом случае не доходят до поверхности индикаторного
электрода, и концентрация потенциалоопределяющих ионов в приэлектродном
слое уменьшается.
ПРЕИМУЩЕСТВА И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Получение электрической энергии с помощью БТЭ относится к перспективным
технологиям по ряду соображений. Во-первых, электрическая энергия
представляет собой один из универсальных видов, легко трансформируемый в
другие виды энергии с наименьшими потерями. Второе связано с общей
ситуацией, характеризующей положение с энергетическими ресурсами планеты, –
запасы нефти и газа сокращаются с катастрофической скоростью, и требуется
производить срочный поиск альтернативных видов топлива.
Далее, как отмечают многие исследователи в области создания БТЭ, этот
источник электрической энергии является в высшей степени «экологическим». В
БТЭ для выработки электроэнергии не требуются экстремальные условия.
Разделение зарядов происходит в результате биохимических реакций при
умеренных температурах и атмосферном давлении. Вместо платины
катализатором являются экологически чистые материалы – ферменты или клетки
микроорганизмов. Электрическая энергия генерируется при окислении
органических соединений – сахаров, спиртов и т.д.
Оценивая важность исследований в области создания БТЭ, следует упомянуть
еще об одной особенности современной жизни – широкомасштабном
использовании электрических источников питания (батареек) в портативных
устройствах: мобильных телефонах, плеерах и т.д. Время непрерывной работы
источников электрической энергии химического типа сравнительно невелико
и уже давно возникла проблема их утилизации.
ПРОБЛЕМЫ И НЕДОСТАТКИ
Первые публикации о возможном использовании микроорганизмов для
генерирования электричества появились еще в начале ХХ в. Однако 90% работ в
этой области относится к последним 10—15 годам, когда стали очевидными
уникальные перспективы таких биотопливных элементов. Но для их
практического применения надо решить ряд взаимосвязанных технологических
задач, требующих специфического подхода (микробиологического,
электрохимического, молекулярно-биологического, экологического,
геологического и др.).
Сегодня пока еще сравнительно немного моделей и реальных лабораторных
установок биотопливных элементов, которые генерируют электрическую энергию
длительное время и имеют параметры, удовлетворяющие техническим
требованиям практического использования. Для успешного применения таких
устройств прежде всего необходимы относительно высокое напряжение (порядка
1.5—2.0 В) и значительный запас энергии.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
В компании Sony создали глюкозный элемент (он генерировал ток в результате
ферментативного расщепления молекул залитого в батарею раствора глюкозы) с
максимальной мощностью 1.45 ± 0.24 Вт/см2 при перенапряжении 0.3 В, который
может обеспечить энергией небольшой радиоуправляемый автомобиль и
музыкальный плеер.
Одно из самых разработанных направлений —применение ферментных элементов
в медицине. Многие научные коллективы сосредоточены сегодня на создании
совместимых имплантируемых медицинских устройств, работающих за счет
энергии от переработки органических веществ, поступающих с пищей.
Американские исследователи из Университета Кларксон в свое время создали
гибридное устройство, помещенное в тело улитки, в котором для генерирования
электричества использовали глюкозу из крови моллюска. В настоящее время
ученые работают с ферментными элементами, вживленными одновременно двум
омарам. В результате удалось получить более эффективную систему,
генерирующую мощность, работающую в течение нескольких часов, а батарея из
пяти таких топливных элементов могла поддерживать функционирование
стимулятора сердца. Значит, уже в обозримом будущем можно рассчитывать на
разработку и практическое применение стимуляторов, не требующих операций
для замены источников питания.
Автор
Oleg Kozaderov
Документ
Категория
Химия
Просмотров
140
Размер файла
70 Кб
Теги
doklad, попова
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа