Тесты на сточных водах подтвердили: прототип показывает высокую результативность уже спустя несколько часов.
Ирина Петрова
Графическая аннотация мембранного биореактора. Источник: Journal of Power Sources
Создан цельный электрод, обходящийся без связующих компонентов. Благодаря ему микробный топливный элемент (МТЭ) превращается в систему с несколькими функциями. Бактерии, обитающие в городских стоках, обеспечивают выработку электричества — и параллельно идёт разложение устойчивого антибиотика вместе с получением востребованного в промышленности химиката.
Органику из сточных вод поглощают голодные бактерии, а результатом их жизнедеятельности становится высвобождение электронов. За 2 дня при участии этих электронов расщепляется 99,99 % антибиотика.
Обычная вода на противоэлектроде не образуется — химические реакции перенаправлены так, что начинается синтез перекиси водорода, причём ток расходуется в небольшом количестве. Перекись водорода выступает и окислителем, и дезинфицирующим средством; её применяют в медицине, в природоохранной сфере, в бытовой химии и в промышленном производстве.
Подход, решающий сразу несколько задач, наглядно показывает: из непростых городских стоков можно в одно и то же время получать воду надлежащего качества, химикаты для индустрии и энергию из возобновляемых источников.
В научной публикации исследователи пояснили, что созданный мембранный биореактор задумывался не только как средство очистки стоков — его задачей было ещё и удаление антибиотиков с одновременной наработкой перекиси водорода.
Получение перекиси водорода
В сточных водах присутствуют органические соединения, а также устойчивые к разложению фармацевтические загрязнители — например, хлорамфеникол, который плохо поддаётся очистке.
Команда учёных из Индии обратила эту экологическую проблему в пользу: был задействован новый микробный топливный элемент, у которого есть особый электрод — углеродное нановолокно, покрытое железом и никелем. Микробные топливные элементы позволяют и стоки очищать, и биоэнергию получать параллельно.
Как правило, в микробном топливном элементе бактерии потребляют органические отходы и выделяют электроны; те соединяются с кислородом на втором электроде, и в итоге образуется обычная вода.
Стандартную схему авторы переработали: применён специальный электрод без связующего, выполненный из углеродных нановолокон с оксидом железа и никеля на гибкой углеродной ткани. Подобное устройство заставляет поступающие электроны идти укороченным двухэлектронным маршрутом — восстановление прекращается на промежуточной стадии.
В результате клетка производит не обычную воду, а ценную перекись водорода. Так появляется промышленное дезинфицирующее средство, и при этом можно обойтись без традиционных энергоёмких способов производства.
Стоит отметить, что перекись водорода, полученная электрохимическим путём, требует дальнейшей обработки: её концентрация в 0,74 мМ невысока, и для промышленного применения потребуется концентрирование или хотя бы накопление до рабочих значений.
Тем не менее даже разбавленные растворы могут найти применение непосредственно на месте — в окислительных стадиях очистки, обеззараживании и подавлении запахов. Такой подход укладывается в логику замкнутых циклов, когда отходы одного процесса становятся сырьём для другого.
Удаление антибиотиков
Прототип проверили на неочищенных стоках, куда добавили 50 миллиграммов хлорамфеникола на литр; высокая эффективность проявилась за несколько часов.
Электрифицированная биологическая система дала тройной результат: хлорамфеникол удалён на 99,99 %, а химическая потребность в кислороде снизилась на 94 %.
Высокую очистку обеспечили бактерии, перерабатывающие органику, — они заметно обошли показатели пассивного контроля. Одновременно система наработала 0,74 мМ перекиси водорода, а электрический ток оставался стабильным; потенциал разомкнутой цепи при этом был выше 0,6 В.
В научной статье исследователи указали: эксперимент показал, что микробный топливный элемент, опирающийся на унифицированный электрокатализатор FeNiO-CNF/ACF, представляет собой перспективную систему — экономически выгодную, энергоэффективную и экологичную. Она пригодна для очистки стоков, удаления трудноразлагаемых загрязнителей и выработки топлива в сложных условиях.
Трудности сохраняются. Выходная мощность в целом по-прежнему скромная, что типично для лабораторных микробных топливных элементов; кроме того, команда сейчас исследует токсичность продуктов, образующихся при распаде антибиотика. Ещё один вопрос — масштабирование: одна камера лабораторной ячейки вмещала лишь 250 миллилитров.
Ключевой проблемой при непрерывной очистке стоков остаётся долговечность металлооксидных катализаторов. При долгом контакте с неочищенными стоками катализатор сталкивается с агрессивными химическими соединениями и плотными биологическими отложениями — а те со временем способны перекрывать активные центры.
Наконец, важна и институциональная сторона: внедрение подобных систем требует пересмотра нормативов, поскольку действующие стандарты очистки не всегда учитывают остаточные концентрации фармацевтических препаратов.
Пока в мире не установлены единые предельно допустимые уровни для большинства антибиотиков в сбросах, стимулы для внедрения дорогостоящих технологий остаются ограниченными. Работа индийских исследователей, опубликованная в Journal of Power Sources, задаёт техническую основу, но её практическое продолжение будет зависеть от того, насколько быстро совпадут интересы науки, промышленности и регулирующих органов.
Голоса скептиков
Пока лабораторный прототип подтверждает работоспособность идеи, но перед выходом на реальные очистные сооружения конструкции предстоит пройти несколько этапов проверки. Первый из них связан с ресурсными испытаниями электрода: исследователям нужно понять, как долго катализатор сохраняет активность в непрерывном потоке необработанных стоков, где помимо хлорамфеникола присутствуют моющие средства, органические взвеси, соли тяжёлых металлов и другие компоненты.
Биообрастание, о котором говорилось выше, можно сдерживать за счёт периодической регенерации поверхности, однако такая процедура усложняет эксплуатацию и требует дополнительных затрат. Предстоит выяснить, насколько стабильно железо и никель удерживаются на углеродных нановолокнах и не вымываются ли они в воду, поскольку ионы металлов сами по себе способны стать вторичным загрязнителем.
Второй блок вопросов касается продуктов распада антибиотика. Полное исчезновение исходного вещества, зафиксированное на уровне 99,99 %, ещё не означает, что вода стала безопасной. При разрушении хлорамфеникола образуются промежуточные соединения, часть которых может сохранять антимикробную активность или проявлять токсичность.
Авторы работы прямо указывают, что исследование этих продуктов остаётся впереди, и до его завершения нельзя утверждать, что стоки полностью обезврежены. Перспективным направлением здесь выглядит сочетание биоэлектрохимической обработки с последующим контролем токсичности на тест-организмах, что позволит оценивать не только химический состав, но и реальную опасность очищенной воды.
Третий вопрос — экономика масштабирования. Лабораторная ячейка объёмом 250 миллилитров далека от реальных объёмов городских стоков, и при укрупнении неизбежно меняются условия перемешивания, массопереноса и распределения тока по площади электрода.
Выходная мощность МТЭ остаётся скромной даже по меркам альтернативной энергетики, поэтому вряд ли стоит рассчитывать, что такие установки станут самостоятельным источником электричества.
Более реалистичная модель — рассматривать их как дополнение к существующим очистным сооружениям, где основной выгодой становится очистка воды и попутное получение перекиси водорода, а не выработанные киловатт-часы. В этом случае экономический эффект складывается из снижения затрат на реагенты и утилизацию отходов. Публикация о результатах вышла в Journal of Power Sources.
Кстати, недавно мы рассказывали, что новая бактерия позволит добывать металлы в экстремальных условиях
А биогальванический элемент, встроенный непосредственно в канализационную трубу, способен одновременно утилизировать органику и вырабатывать электричество для питания датчиков мониторинга, клапанов или систем связи.
