Một thiết bị mới chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời và nước thải để sản xuất khí hydro có thể cung cấp nguồn năng lượng bền vững.
Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Yat Li, phó giáo sư hóa học tại Đại học California, Santa Cruz, đã phát triển thiết bị vi sinh mặt trời và báo cáo kết quả của họ trong một bài báo được công bố trên tạp chí ACS Nano của Hiệp hội Hóa học Mỹ. Thiết bị lai kết hợp pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) và một loại pin mặt trời gọi là pin quang hóa (PEC). Trong thành phần MFC, vi khuẩn làm suy giảm chất hữu cơ trong nước thải, tạo ra điện trong quá trình này. Điện được tạo ra về mặt sinh học được chuyển đến thành phần PEC để hỗ trợ quá trình phân tách nước bằng năng lượng mặt trời (điện phân) tạo ra hydro và oxy.
Bình minh đầu tiên của mùa thu bởi người bạn Mary C. Cox của chúng tôi ở Bắc Carolina.
Thiết bị PEC hoặc MFC có thể được sử dụng một mình để sản xuất khí hydro. Tuy nhiên, cả hai đều yêu cầu một điện áp bổ sung nhỏ (một thiên lệch ngoài cơ bản) để vượt qua hàng rào năng lượng nhiệt động lực học để khử proton thành khí hydro. Sự cần thiết phải kết hợp một yếu tố năng lượng điện bổ sung làm tăng đáng kể chi phí và sự phức tạp của các loại thiết bị chuyển đổi năng lượng này, đặc biệt là ở quy mô lớn. So sánh, thiết bị vi sinh mặt trời lai Li Li là tự điều khiển và tự duy trì, bởi vì năng lượng kết hợp từ chất hữu cơ (được thu hoạch bởi MFC) và ánh sáng mặt trời (được PEC thu thập) là đủ để điều khiển điện phân nước.
Trên thực tế, thành phần MFC có thể được coi là một loại pin sinh học tự bảo vệ, cung cấp thêm điện áp và năng lượng cho PEC để tạo ra khí hydro. Các nguồn năng lượng duy nhất là nước thải và ánh sáng mặt trời, Li Li nói. Việc trình diễn thành công một thiết bị vi sinh bền vững, thiên vị như vậy để tạo ra hydro có thể cung cấp một giải pháp mới có thể giải quyết đồng thời nhu cầu xử lý nước thải và nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng.
Các tế bào nhiên liệu vi sinh vật dựa vào vi khuẩn bất thường, được gọi là vi khuẩn điện tử, có khả năng tạo ra điện bằng cách chuyển các điện tử được chuyển hóa qua màng tế bào của chúng sang điện cực bên ngoài. Li Li nhóm đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore (LLNL), những người đã nghiên cứu vi khuẩn điện và làm việc để tăng cường hiệu suất MFC. Các thử nghiệm ban đầu bằng chứng về các thiết bị ban đầu của thiết bị vi khuẩn năng lượng mặt trời (PEC-MFC) đã sử dụng một chủng vi khuẩn điện được nghiên cứu kỹ lưỡng được trồng trong phòng thí nghiệm trên môi trường phát triển nhân tạo. Các xét nghiệm sau đó đã sử dụng nước thải đô thị chưa được xử lý từ Nhà máy cải tạo nước Hepmore. Nước thải chứa cả chất dinh dưỡng hữu cơ phong phú và hỗn hợp vi khuẩn đa dạng ăn các chất dinh dưỡng đó, bao gồm cả các chủng vi khuẩn điện tự nhiên.
Thiết bị vi sinh năng lượng mặt trời mới để tạo ra nhiên liệu hydro. Ảnh của Song Dương
Khi được cho ăn bằng nước thải và được chiếu sáng trong thiết bị mô phỏng năng lượng mặt trời, thiết bị PEC-MFC cho thấy sản xuất khí hydro liên tục với tốc độ trung bình 0,05 m3 / ngày, theo nhà nghiên cứu LLNL và đồng tác giả Fang Qian. Đồng thời, nước thải màu đen đục trở nên rõ ràng hơn. Nhu cầu oxy hóa học hòa tan là một thước đo lượng hợp chất hữu cơ trong nước, được sử dụng rộng rãi như một thử nghiệm chất lượng nước đã giảm 67% trong 48 giờ.
Các nhà nghiên cứu cũng lưu ý rằng việc tạo ra hydro đã giảm theo thời gian do vi khuẩn sử dụng hết chất hữu cơ trong nước thải. Việc bổ sung nước thải trong mỗi chu kỳ cho ăn đã dẫn đến sự phục hồi hoàn toàn việc tạo ra dòng điện và sản xuất khí hydro.
Qian cho biết các nhà nghiên cứu rất lạc quan về tiềm năng thương mại cho phát minh của họ. Hiện tại họ đang lên kế hoạch mở rộng thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ để tạo ra một nguyên mẫu 40 lít lớn hơn liên tục được nuôi bằng nước thải đô thị. Nếu kết quả từ nguyên mẫu 40 lít có triển vọng, họ sẽ thử nghiệm thiết bị tại chỗ tại nhà máy xử lý nước thải.
MFC sẽ được tích hợp với các đường ống hiện có của nhà máy để cho nước thải liên tục và PEC sẽ được thiết lập ngoài trời để nhận được ánh sáng mặt trời tự nhiên, ông Qian Qian cho biết.
Càng may, Golden State được ban phước với ánh sáng mặt trời dồi dào có thể được sử dụng để thử nghiệm thực địa, ông Li nói thêm.
Qua UC Santa Cruz