Создана улучшенная модель микробного топливного элемента

Российские и итальянские ученые оптимизировали математическую модель микробной батареи, ее работоспособность подтверждена экспериментами. Подобные микробные топливные элементы можно будет использовать для очистки сточных вод и синхронной генерации электроэнергии. Статья опубликована в журнале Energies.

Некоторые микроорганизмы могут питаться в бескислородной среде, окисляя органические соединения, в этих реакциях во внешнюю среду выделяются электроны. Такие экзоэлектрогенные механизмы можно использовать для создания микробных топливных элементов (МТЭ).

Работоспособность МТЭ определяется совокупностью факторов – материалами электродов, концентрацией и скоростью подачи питательного органического субстрата, рН среды, геометрическими размерами системы. Для подбора оптимального устройства и режима работы необходимы точные математические модели, усовершенствованием которых занимаются исследователи из РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИФХЭ РАН совместно с итальянскими учеными.

«Существующие математические модели МТЭ можно разделить на два типа: одни представляют собой батареи в виде черного ящика и рассматривают лишь входные и выходные потоки сигналов. А вторые уже акцентируются на сути процессов, протекающих внутри системы, но часто они бывают очень сильно упрощены и подходят только для каких-то конкретных систем, – рассказывает первый автор работы Виолетта Василенко. – Мы же создали комплексную модель второго типа, в которой одновременно учли рост микробной популяции, темпы потребления/образования окисляемой органики, электромиграцию протонов между электродами, диффузию органических компонентов и кинетику электрохимических реакций. С применением этой модели мы рассчитали некоторые фундаментальные закономерности и после оптимизировали одну из ключевых характеристик – концентрацию органического субстрата».

Исследователи сделали несколько версий МТЭ, отличающихся материалами электродов. Субстратом во всех батареях был раствор глюкозы в смеси солей, а источником токогенерирующих микроорганизмов – активный ил, который применяется для биологической очистки сточных вод. В качестве катода использовали углеродный материал с железо-кобальтовым катализатором, а анодом была слоистая структура по типу пирога из углеродной ткани с нанесенной на нее смесью биомассы и углеродных нанотрубок.

Удельная мощность такого МТЭ составила 2 мкВт/см². Это совсем немного по сравнению с накопителями энергии вроде литий-ионных аккумуляторов, но находится на одном уровне с другими МТЭ схожей конструкции.

По результатам экспериментов ученые уточнили значения параметров модели так, чтобы результаты расчетов и данные экспериментов совпадали с максимальной точностью. Теперь ученые планируют использовать модель для разработки гибридной системы очистки сточных вод и синхронной генерации электроэнергии.