Naukowcy z Indii zbudowali laboratoryjne ogniwo paliwowe zasilane bakteriami ze ścieków. W dwie doby usunęło ono z wody antybiotyk chloramfenikol, a przy okazji wytworzyło nadtlenek wodoru i niewielką ilość energii elektrycznej. Całość opiera się na jednej, specjalnie wyhodowanej elektrodzie.

Jak działa mikrobiologiczne ogniwo paliwowe

Bakterie w ściekach rozkładają związki organiczne i uwalniają przy tym elektrony. Jeśli mają do dyspozycji elektrodę, na której mogą osiąść, elektrony płyną przewodem do drugiej elektrody i powstaje prąd. Problem w tym, że jest on bardzo słaby. Dlatego badacze zadali inne pytanie: co jeszcze można zrobić z tymi elektronami po drugiej stronie obwodu?

Na drugiej elektrodzie elektrony zwykle łączą się z tlenem i dają wodę, co wymaga czterech elektronów. Jeśli reakcja zatrzyma się na dwóch, powstaje nadtlenek wodoru, czyli czysty środek utleniający stosowany do dezynfekcji, bielenia i w przemyśle chemicznym. Przemysłowa produkcja tego związku jest energochłonna, więc wytwarzanie go w ogniwie na ściekach brzmi kusząco.

Elektroda wyhodowana z nanowłókien

Zespół nasączył elastyczną tkaninę węglową solami żelaza i niklu, wypiekł ją, aby powstały tlenki, a następnie poddał działaniu acetylenu w temperaturze 800°C. Z tkaniny wyrosły nanowłókna węglowe, a cząstki metali powędrowały na ich końcówki i pełnią rolę katalizatora. Elektroda nie potrzebuje kleju ani spoiwa. Jej chropowata, przypominająca las powierzchnia pozwala bakteriom utworzyć gęsty biofilm.

Taką samą elektrodę umieszczono po obu stronach ogniwa dwukomorowego. W jednej komorze znalazły się ścieki z Bhopalu w Indiach, do których dodano 50 miligramów chloramfenikolu na litr. W drugiej był roztwór siarczanu sodu.

Wyniki po 48 godzinach

• Antybiotyk: sygnał chloramfenikolu w analizie chromatograficznej spadł praktycznie do zera. Przy otwartym obwodzie zniknęło tylko ok. 5%, więc elektroda nie działała jak zwykła gąbka.
• Zanieczyszczenie organiczne: chemiczne zapotrzebowanie tlenu spadło o 94%.
• Nadtlenek wodoru: jego stężenie osiągnęło 0,74 milimola na litr, a większość elektronów płynących przewodem trafiła właśnie do tej reakcji.
• Energia: napięcie wyniosło ok. 0,6 V, a szczytowa gęstość mocy 24,7 mW na metr kwadratowy.

Znaczenie miało połączenie obu metali. Elektrody tylko z żelazem albo tylko z niklem wypadły gorzej, a mieszana przewodziła najlepiej i miała najmniejszy opór. Autorzy sądzą, że oba metale wzajemnie dostrajają swoje właściwości.

Ograniczenia i znaczenie dla Polski

Badacze podkreślają, że to eksperyment stołowy, a nie oczyszczalnia. Komory miały po 250 mililitrów, a moc jest niewielka, jak w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych w ogóle. Antybiotyk został rozłożony, ale nie całkowicie zlikwidowany: ogólny węgiel organiczny spadł o ok. połowy. Spektrometria mas wykryła osiem produktów rozpadu, w kilku z nich atomy chloru zostały usunięte. Nie wiadomo jeszcze, jak szkodliwe są te fragmenty. Dalsze plany obejmują dłuższe testy, inne leki, badanie toksyczności produktów rozpadu i łączenie ogniw szeregowo, aby zwiększyć moc.

Dla polskiego czytelnika to na razie ciekawostka naukowa, a nie technologia, która trafi do oczyszczalni w najbliższych latach. Problem jest jednak realny: pozostałości leków, w tym antybiotyków, przedostają się do ścieków, a tradycyjne oczyszczanie nie zawsze sobie z nimi radzi. Wiąże się to z obawami o rozprzestrzenianie się oporności bakterii na antybiotyki. W Unii Europejskiej zaostrzane są przepisy dotyczące oczyszczania ścieków komunalnych, w tym usuwania mikrozanieczyszczeń, więc zainteresowanie tanimi metodami ich usuwania będzie rosło.

Praca ukazała się w czasopiśmie „Journal of Power Sources”. Czy ścieki mogą w pełni sfinansować własne oczyszczanie, jeszcze nie wiadomo, ale pierwszy krok pokazuje, że jedna elektroda może jednocześnie oczyszczać wodę, wytwarzać użyteczny związek chemiczny i produkować prąd.

Źródło: Tech Xplore – „One system, three solutions: Tackling antibiotic pollution while generating hydrogen peroxide and electricity”