Основа нового метода производства энергии из сточной воды и соли – так называемый реверсивный электродиализ (RED), где электрический ток получается из-за разницы между ионными составами пресной и соленой воды. Суть его проста: в такой энергетической ячейке слои пресной и соленой воды разделены мембранами, которые воду сквозь себя не пропускают, но прозрачны для положительно или отрицательно заряженных ионов. Метод хорошо разработан, но у него есть ряд недостатков, главный из которых – большое количество мембран, необходимых для работы такого накопителя: модуль ячейки RED мощностью в 250 киловатт имеет размеры корабельного контейнера.
Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания под руководством профессора Брюса Логана усовершенствовала эту технологию методом, который используется в микробных топливных элементах (MFC). Их работа опубликована в свежем выпуске журнала Science.
Это устройство, в котором работают колонии так называемых экзоэлектрогенных бактерий, которые способны очищать воду от органических веществ и при этом производить электрический ток.
Пару лет назад группа дополнила RED-накопитель микробным топливным элементом, и это привело к существенному сокращению числа мембран и увеличило его электрическую мощность.
Микробная реверсно-диализная энергетическая ячейка MRC, созданная ими, работала на разнице между морской и пресной водой. Бактерии, используемые в таких ячейках, широко распространены и живут там, где много промышленных и бытовых органических отходов, то есть в сточных водах. Использование сточных вод вблизи морских городов делало этот источник энергии практически неисчерпаемым и, по расчетам, давало доступ к 17 гигаваттам энергии отходов, теряющимся на побережьях США.
«Отходы могут дать нам от 7% до 17% всей электроэнергии, потребляемой в США», — говорит Логан.
Однако у таких ячеек MRC, работающих на морской воде, есть существенный недостаток: органические отходы быстро портят мембраны — их приходится постоянно чистить и соответствующим образом обрабатывать воду, что сильно затрудняет практическое использование этого метода. Тогда ученые решили морскую соль заменить другой – бикарбонатом аммония. Растворы бикарбоната аммония действуют в ячейках MRC точно так же, как и морская вода, но, в отличие от нее, не приводят к порче мембран.
Более того,
протестировав энергетическую ячейку с бикарбонатом аммония, исследователи обнаружили, что она производит больше энергии, чем при работе с морской водой.
По словам Логана, это происходит потому, что в присутствии этой соли бактерии начинают активнее потреблять растворенную в воде органику, причем именно ту фракцию органики, которую обычно труднее всего удалять из воды и которую удаляют, применяя систему сложных фильтров. Логан заявляет, что, заменив очистку сточных вод от органических отходов микробными топливными ячейками, можно сэкономить около 60 гигаватт энергии.
Дополнительным и не менее важным плюсом созданных его группой энергетических ячеек является то обстоятельство, что, производя электроэнергию (или, в качестве варианта, водород), они не приводят к выбросу двуокиси углерода, парникового газа, с эмиссией которого сегодня в мире, как мы знаем, идет активнейшая борьба.