Однокамерный воздушно-катодный микробный топливный элемент
|
Даты проведения с 2018-01-01 по 2018-12-01 |
Введение
На данный момент бурно развивающейся отраслью экономики является альтернативная энергетика, одним из перспективных направлений которой являются микробные топливные элементы (МТЭ) [1].
Наша команда сформировала гипотезу о возможности создания МТЭ в лабораторных условиях из недорогостоящих материалов (диапазон стоимости расходных материалов до 400 руб.), с поиском наиболее подходящих для конструкции элементов и условий и использованием в качестве органической составляющей готовой среды из среднестатистического водоёма средней полосы России. Элемент должен вырабатывать достаточное количество энергии для работы полезной нагрузки в виде светодиода. Исследование проводится для привнесения вклада в развитие МТЭ как отрасли альтернативной энергетики.
Цель работы - изготовление собственного варианта МТЭ, способного отдавать электроэнергию.
Задачи:
1) Проанализировать литературу по темеисследования,выбратьтипМТЭдляразработки.
2)Спроектировать и собрать МТЭ.
3)Провести испытания.
4)Провести анализ результатов испытаний и сделать вывод.
Анализ литературы
В ходе исследования мы изучили принципы действия и варианты строения различных типов МТЭ (двухкамерных мембранные, бентосные, твердофазные и т.д [2]. Так же были затронуты основы энергетического обмена живых существ, в частности бактерий, являющихся объектом интереса при разработке МТЭ. На основе проанализированной теории для проектирования, сборки и испытания мы выбрали однокамерный воздушно-катодный МТЭ [3]. Его строение отличается от классического лабораторного двухкамерного мембранного варианта, однако принципы действия являются похожими – анод принимает электроны, выделившиеся в результате жизнедеятельности бактерий, а затем передаёт их катоду, находящемуся в кислородсодержащей среде, на котором происходит реакция соединения между электронами, протонами (так же продуктами жизнедеятельности) и кислородом [4]. В результате получается вода, а в цепи появляется электрический ток, который мы можем использовать.
Проектирование и сборка.
Мы выдвинули решение привязать МТЭ к определённому стандарту. Им стала распространённая лабораторная плоскодонная колба ёмкостью в 250ml. Именно для этого сосуда, которому была отведена роль хранения органической среды, и разрабатывалась конструкция МТЭ. В качестве основы элемента была выбрана окружность из акрилового стекла, подходящая для формата
«крышки» колбы по размерам (69 мм). Далее в неё вставляются резиновые держатели с прорезями для надёжной фиксации и возможности регулировки положения электродов.
Лабораторные испытания
Первым требованием для проведения лабораторных испытаний было подготовить органическую среду-наполнитель, в которой вели бы свою жизнедеятельность бактерии. Для этого в колбы были помещены речной ил и вода с живыми водорослями. Микробиологическое содержание наполнителя можно описать как среднестатистическое для реки средней полосы России.
В итоге, после настаивания в течение трёх дней в сосуде сложилась экосистема, которую теоретически можно поделить на две части – нижние слои, представленные илом и водой –представляли собой бескислородную среду, место обитания бактерий различных видов и верхние кислородсодержащие за счёт жизнедеятельности водорослей слои.
Всего для проведения испытаний было взято три сосуда и изготовлено три экземпляра МТЭ, которые были объединены в электрическую цепь (рис. 2).
Был произведён замер показателей с подключением в цепь полезной нагрузки в виде резистора (5,1 кОм). Построение графика в режиме реального времени производилось в течение 999 минут (16,65ч). По результатам замера вольтажа были рассчитаны графики мощности и силы тока (рис. 3-5). Так же по имеющимся данным мы вывели зависимость силы тока от напряжения (рис 6).
Согласно графику, с возрастающим напряжением прямо пропорционально возрастает сила тока, однако в нашем случае процесс происходит наоборот, так как происходит разрядка МТЭ. Можно заметить, что закон Ома для участка цепи работает.
Анализируя показатели, полученные при проведении эксперимента, была рассчитана плотность тока. Удельная сила тока на единицу площади анода в момент замыкания цепи нагрузкой R=5.1 кОм рассчитывается по формуле (1)
jI(1) , где j-плотность тока А/ мм 2 , I - сила тока (А), S- площадь п/п сечения анода(
S
мм 2 ). В процессе подключения последовательной нагрузки в цепь в виде резистора номиналом R=5,1 кОм зарегистрирована сила ток I=0,3 мА. Измерив диаметр сечения анода d=4,88 мм вычислим плотность тока:
|
j
18.69mm
1.6 *10 5 A / mm2
Согласно графику (5) рассчитана площадь, что соответствует показателю 1Вт/16ч.
В результате эксперимента по саморазряду МТЭ замечено что разница напряжений между началом эксперимента и его окончанием соответствует 0,4В, так же, как и при подключении нагрузки.
Заключение.
Мы спроектировали и изготовили собственный вариант однокамерного воздушно-катодного МТЭ, способного отдавать электроэнергию. Для этого была проделана работа по выявлению оптимальных материалов (в частности материалов катода и анода) для составляющих нашей конструкции. В итоге мы получили МТЭ-батарею, с напряжением 2,9 вольт без нагрузки. Были проведены испытания цепи с полезной нагрузкой в виде или резистора 5.1 кОм. Условия эксперимента являлись контролируемыми (н.у.), испытания проводились в течение ~17ч. Выведенные в результате анализа данных графики можно использовать для исследования природы принципов действия МТЭ.
Библиография
1) Дебабов В.Г. Производство электричества микроорганизмами (обзор) / В.Г. Дебабов // Микробиология. - 2008. - Т.77, № 2. - С.149-157.
2)Самков А. А., Волченко Н. Н., Худокормов А. А., Калашников А. А., Веселовская М.В. Анаэробная биодеградация органических соединений в микробных топливных элементах // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2014. - №101. - С. 1-15.
3) Калюжный, С.В. Микробные топливные элементы /С.В. Калюжный, В.В. Федорович // Химия и жизнь. –2007. – №5. – С. 36–39.
4) Лев М. Биоэлектричество: бактерии как альтернативный источник энергии // Воздушно- космическая сфера. - 2016. - №2. - С. 44-49.
Проект опубликовал
