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自工業革命以來，污水處理一直是困擾發達國家和發展中國家的一大難題，因為它耗費巨大，完全是個只投入、不產出的行業。而新型微生物燃料電池不僅可以凈化水質，還可以發電，它的出現有望把污水處理變成一個有利可圖的產業。雖然目前該產品還在不斷改進，尚未投入商業化生產，但我們完全有理由相信它擁有廣闊的發展前景。
張運貴 編譯
近日，由美國賓夕法尼亞州立大學的科學家洛根率領的一個研發小組宣布，他們研制出一種新型的微生物燃料電池，可以把未經處理的污水轉變成干凈用水和電源。
微生物燃料電池（MicrobiologicalFuelCells）并非剛剛出現的一項技術。早在1910年，英國植物學家馬克·比特首次發現了細菌的培養液能夠產生電流，于是，他用鉑作電極，把它放進大腸桿菌和普通酵母菌培養液里，成功制造出了世界第一個微生物燃料電池；1984年，美國制造了一種能在外太空使用的微生物燃料電池，它的燃料為宇航員的尿液和活細菌，不過它的放電率極低；近幾年，利用微生物發電的技術出現了更大的突破，賓夕法尼亞州立大學環境工程系教授布魯斯·洛根是新型微生物燃料電池研制小組的負責人，他說，“傳統的燃料電池是利用氫氣發電，但從來沒有人嘗試使用富含有機物的污水來發電。”
重大創新：單一槽設計
洛根所設計的電池裝置和氫燃料電池有點相似，是一個圓柱形的樹脂玻璃密閉槽，看上去好像一個汽水瓶子。不過和氫燃料電池不同的是，微生物燃料電池是單一反應槽，里面裝有8條陽極石墨棒，它們圍繞著一個陰極棒，密閉槽中間以質子交換膜間隔。密閉槽外部以銅線組成的閉合電路，用作電子流通的路徑。當污水被注入反應槽后，細菌酶將污水中的有機物分解，在此過程中釋放出電子和質子。其中，電子流向陽極，而質子則通過槽內的質子交換膜流向負極，并在那里與空氣中的氧以及電子結合生成干凈的水。從而完成對污水的處理。與此同時，反應槽內正負極之間的電子交換產生了電壓，使該設備能夠給外部電路供電。
單一反應槽是微生物燃料電池設計的創新。洛根指出，大部分燃料電池的設計以兩反應槽為主———分別為陽極槽和陰極槽，在陽極槽中以厭氧方式維持微生物生長；陰極槽中則需維持在有氧環境下，使電子與氧結合并且與質子形成水分子。而單一反應槽以質子交換膜連接兩槽，其功能不僅可分開兩槽水溶液，還可以避免氧氣擴散至另一槽內。兩槽式的電解槽，需以外力方式提供溶氧至陰極，而單一槽微生物燃料電池可以以連續注水方式將空氣帶入陰極，從而減少通氧設備的花費。
樣品將在6個月后完成
在發電量方面，據洛根稱，在實驗室里，該設備能產生72瓦的電流，可以驅動一個小風扇。雖然目前產生的電流不多，但該設備改進的空間很大。從提交發明報告到現在，洛根的研發小組已經把該燃料電池的發電能力提高到了350瓦，不過，洛根希望這一數值最終能達到500－1000瓦。等技術成熟后，可以批量生產的微生物燃料電池的發電能力將獲得很大提高，洛根認為它可以產生500千瓦的穩定電流，大約是300戶家庭的用電量。洛根計劃建造一個大型的微生物燃料電池樣品，預計將在6個月之后完成。
應用前景廣闊
盡管目前該設備的能量輸出相對較低，但洛根稱，他們正在不斷改進該技術，相信最終它能夠應用在小型污水處理廠里。據稱，該設備還可以用來處理畜牧廠的廢水和廢物，也可以用在食品加工廠甚至載人航天器內。
洛根指出，只要是富含有機物的地方都可以使用這種電池。不過，微生物燃料電池最好的用途還是處理污水，假如污水處理廠使用此類設備，那么它們可以一邊處理廢水一邊發電，從而大大降低污水處理成本。維持廢水處理廠的正常運作是一件花費相當高的事情。無論對對發展中國家還是工業化國家來說，處理廢水同時又能發電的新燃料電池技術都相當誘人。根據美國國家發展委員會統計，美國每年需要處理330億加侖的生活污水，處理費用大約為250億美金。而大部分的成本幾乎都花在維持處理廠運轉所需的能源上，因此，若微生物燃料電池能降低成本和提高發電效率，將會為廢水處理節省龐大的開支。
對于廣大污染嚴重的發展中國家來說，這項技術尤為實用，因為它不僅能凈化水質、處理垃圾，同時又能產生電源。單獨從發電這一方面來說，政府就有足夠的理由建設和保留污水處理廠。如果該技術能進行商業化推廣，廢棄物或污水處理將成為國家的搖錢樹而非沉重負擔。
戴維·伯格雷是多倫多大學的一名科學家，他估計廢水中潛在的電能是其處理成本的10倍。洛根認為，只要能利用潛在電能的1/20，污水處理廠就可以解決污水處理成本了。
微生物燃料電池還可以用來處理食品加工廠和農場，尤其是豬場的廢水，以往，處理這些惡臭難聞的污水耗費巨大。美國航空航天局也正在開發一項類似的技術，在載人航天飛行中把宇航員的生活垃圾轉化為能量。（曉健／編制）（來源：金羊網）
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