In den letzten Jahren ist das Interesse an der Nutzbarmachung von Mikroorganismen zur gleichzeitigen Abwasserreinigung und erneuerbaren Biostromerzeugung gewachsen. Die Technologie der mikrobiellen Brennstoffzelle (MFC) kann die in organischen Stoffen im Abwasser gespeicherte chemische Energie unter Verwendung von Bakterien als Katalysator in Elektrizität umwandeln. Forscher im Iran haben untersucht, wie die Modifikation der Elektroden die Leistung dieser Technologie verbessern kann.
In einer neuen Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift für Chemische Technologie und Biotechnologiehaben Forscher einen neuartigen und kostengünstigen Anodenkatalysator (TiO2-HX@MWCNT-COOH-Al2O3) entwickelt, der die Stromerzeugungsleistung von MFCs verbessern und stabilisieren kann, die das Abwasser der Pflanzenölindustrie behandeln.
Die Wahl des Anodenmaterials ist entscheidend für die Effizienz und Kosteneffizienz von MFCs, da es der Ort ist, an dem Bakterien wachsen und einen Biofilm bilden. Dr. Hossein Jafari Mansoorian, Hamadan University of Medical Sciences, Iran, erklärt: „Das Elektrodendesign ist die größte Herausforderung, um MFCs zu einer kostengünstigen und skalierbaren Technologie zu machen. Die Anode von MFCs […] spielt eine wichtige Rolle beim extrazellulären Elektronentransfer zwischen den elektroaktiven Bakterien und der festen Elektrodenoberfläche. Dabei ist es von entscheidender Bedeutung, ein neuartiges Anodenmaterial mit synergistischen Effekten zwischen den Eigenschaften der Anodenoberfläche und Mikroorganismen zu entwickeln.“
Dr. Mansoorian stellt fest, dass eine wünschenswerte Anode die folgenden Eigenschaften bieten sollte:
„Um die Bakterienadhäsion und einen effizienten Elektronentransfer zwischen Bakterien und der Elektrodenoberfläche zu verbessern, sollte die Elektrode modifiziert und ihre Oberfläche vergrößert werden, um eine effiziente Stromabnahme und Stromausbeute durch den Abbau organischer Verbindungen im Abwasser zu gewährleisten […] Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie ist die TiO2-HX@MWCNT-COOH-Al2O3-Struktur dieses Verbundwerkstoffs ein geeigneter Kandidat für die Modifizierung der Anodenelektrode und verbessert die Elektroaktivität erheblich“, erklärt Dr. Mansoorian.
Das Team untersuchte auch die Modifizierung der Kathode, um eine kostengünstige Alternative zu Platin zu finden. Es wurde festgestellt, dass Kohlefilz, modifiziert mit pulverisierter Aktivkohle (PAC), die aus Bambuseae (einer Familie von Bambuspflanzen) stammt, wirksam ist.
Die Ergebnisse dieser Studie sind die neuesten in den fortlaufenden Bemühungen zur Verbesserung der MFC-Leistung. Dr. Mansoorian bemerkte, dass in den letzten Jahren „ein enormer Durchbruch in Bezug auf die Ausgangsleistung in MFCs von wenigen mW⋅cm-2 oder mW⋅cm-3 bis zu mehreren W⋅cm-2 oder W⋅cm-3 erzielt wurde, an Verbesserung um drei Größenordnungen dank kontinuierlicher Bemühungen der Forscher.“
Da der weltweite Energiebedarf steigt und die Konzentration fossiler Brennstoffe zurückgeht, richtet sich die Aufmerksamkeit auf neue Energiequellen. „Energieerzeugung, -speicherung und -verbrauch sind Themen, die in modernen Forschungsbereichen immer mehr an Bedeutung gewinnen und von globalem Interesse und Bedeutung sind. Die Nutzung fossiler Brennstoffe, insbesondere von Öl und Gas, hat sich in den letzten Jahren beschleunigt und löst eine globale Energiekrise aus. Erneuerbare Bioenergie wird als eine der Möglichkeiten zur Linderung der aktuellen globalen Erwärmungskrise angesehen“, stellt Dr. Mansoorian fest.
Die großen Abwassermengen der Pflanzenölindustrie machen den hohen Energiebedarf der konventionellen Abwasserbehandlung nicht tragbar. Dr. Mansoorian merkt an: „Da die traditionelle Abwasserbehandlung verschiedene Einschränkungen hat, könnten nachhaltige Implementierungen von MFCs eine praktikable Option in der Abwasserbehandlung sowie bei der Erzeugung von grünem Strom, der Biowasserstoffsynthese, der Kohlenstoffbindung und der umweltverträglichen Abwasserbehandlung sein.“
Auf die Frage nach der Skalierbarkeit von MFCs erklärt Dr. Mansoorian, dass „obwohl in der MFC-Forschung einige grundlegende Kenntnisse erworben wurden, bei der Aufskalierung der MFC-Technologie für großtechnische Anwendungen noch viel zu lernen ist“.
„Damit MFCs eine praktikable Option für die Abwasserbehandlung darstellen, müssen sie vergrößert werden, um große Mengen an ankommendem Abwasser aufnehmen zu können, was sich aus mehreren Gründen als schwierig erwiesen hat, einschließlich der Minimierung des Abstands zwischen Anode und Kathode, um elektrische Verluste und Kosten zu reduzieren -konkurrenzfähig mit anderen Behandlungstechnologien.
„Die verwendeten Materialien sind teuer, darunter Membranen zur Trennung der Elektroden, die anfällig für Verschmutzungen sind, und ein Katalysator, um genügend Strom zu erzeugen. Nachdem man überlegene Anodenelektroden erhalten hat, ist es schließlich notwendig, ihre Langzeitleistung in echtem Abwasser zu untersuchen Behandlung, um ihre Stabilität, Haltbarkeit, mechanischen Eigenschaften und sekundären Verschmutzungseffekte zu untersuchen“, führt er aus.
Dennoch stellt Dr. Mansoorian fest, dass „MFCs zweifellos Potenzial in Bezug auf die Energierückgewinnung bei der Abwasserbehandlung haben und eine Marktnische in Bezug auf eine eigenständige Energiequelle und auch bei der direkten Behandlung von Abwasser besetzen.“
Mehr Informationen:
Kamyar Yaghmaeian et al, Behandlung von Abwässern aus der Pflanzenölindustrie und Erzeugung von Bioelektrizität unter Verwendung einer mikrobiellen Brennstoffzelle durch Modifikation und Oberflächenerweiterung von Elektroden, Zeitschrift für Chemische Technologie und Biotechnologie (2022). DOI: 10.1002/jctb.7301
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