不遠的將來，也許你我家中都會有臺冰箱大小的機器，只要將生活污水灌進去，一番處理后，三口之家一天的燃氣就出來了，注意，我們說的燃氣不是沼氣，而是熱效能更高的氫氣，污水則變成了干凈的水安全排放到下水道。

　　近日，由工業(yè)大學市政工程學院的生物制氫科研團隊，利用微生物電解池技術(shù)，通過一種存在于生活污水中的耐寒產(chǎn)電細菌，實現(xiàn)了在４℃低溫物制氫，從而攻克了低溫制氫難題。這使實現(xiàn)家庭能源的自給又多了一條選擇徑。

　　微生物電解池技術(shù)還很“年輕”。工業(yè)大學市政工程學院邢德峰副教授告訴本報記者：“界范圍內(nèi)，這項技術(shù)問世只有5年多。”

　　對于一個可再生資源化技術(shù)來說，這么短的時間一般還處在技術(shù)成熟的初級階段。但從2009年開始，邢德峰及其團隊僅僅用了2年時間，就取得了突破性進展，這一低溫生物制氫技術(shù)已經(jīng)發(fā)表在英國皇家化學學會主辦的國際期刊《能源與科學》上。

　　微生物電解池由池體、陽極、陰極、外電及電源組成。在陽極上有一層由產(chǎn)電微生物形成的生物膜，這些微生物靠吃污水中的有機物為生。在這些微生物的代謝過程中，電子從細胞內(nèi)轉(zhuǎn)移到了細胞外的陽極，然后通過外電在電源提供的電勢差作用下到達陰極。在陰極，電子和質(zhì)子結(jié)合就產(chǎn)生了氫氣。

　　微生物的“吃喝拉撒”，為人所用，就產(chǎn)生了能源。有趣的是，在自然界中這個微生物電化學輔助產(chǎn)氫過程不是自發(fā)的。“因為在自然條件下，不存在這樣一個完善的電子轉(zhuǎn)移通。”邢德峰說。

　　據(jù)邢德峰介紹，微生物電解池技術(shù)有著明顯的優(yōu)點。首先，該技術(shù)的能量效率高，只需給電提供一個很小的電壓（0.2-0.6V）就能夠克服熱力學壁壘產(chǎn)生氫氣，而傳統(tǒng)水電解產(chǎn)氫需要1.8—2.0V的電壓。如果不計底物的能量，微生物電解池的這個特點使得其產(chǎn)生的氫氣的能量遠大于輸入其的電能。

　　再者，微生物電解池技術(shù)在一定程度上可以緩解水的有機物污染。因為對于該技術(shù)選用的微生物來說，底物范圍非常廣，幾乎可以利用絕大多數(shù)的有機物，不像傳統(tǒng)發(fā)酵法生物制氫底物那樣單一。“當?shù)孜餅橛袡C廢水時，我們常?？梢圆豢紤]其的成本，這樣，利用微生物電解池從廢水中產(chǎn)氫從經(jīng)濟上來講就變?yōu)橐粋€劃算的技術(shù)，可獲得氫氣帶來的凈收益。”邢德峰說，“同時處理了廢水，具有產(chǎn)能和治污相結(jié)合的特點。”

　　而且，產(chǎn)電菌可以將絕大多數(shù)的有機物完全降解，不會產(chǎn)生新的廢物。例如：發(fā)酵法只能利用碳水化合物制氫，同時產(chǎn)生代謝產(chǎn)物有機酸，而微生物電解池不僅能利用碳水化合物還能夠利用有機酸產(chǎn)氫。

　　更為重要的是，微生物電解池可以在低溫產(chǎn)氫，而傳統(tǒng)生物制氫和化制氫都很難在低溫下進行。“很多人都想做出在4℃條件下運行的微生物電解池，”邢德峰說，因為這一裝置通常要在25℃－30℃的中才能運行，在高緯度和高海拔地區(qū)應(yīng)用受限。此外，微生物電解池中常常存在產(chǎn)生甲烷的細菌，降低了氫氣的率，這也是科學家亟待攻克的難題。

　　邢德峰說：“很多菌在4℃的低溫中不愿意生長。”但該項目的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了該條件下仍具良好活性的耐寒產(chǎn)電細菌，并通過在低溫下的不斷接種成功富集到了這種，驅(qū)動微生物電解池制氫。“可以這么說，本研究中微生物電解池陽極上富集的產(chǎn)電菌和傳統(tǒng)發(fā)酵法生物制氫所利用的微生物截然不同，這些產(chǎn)電菌在很低的溫度下也能保持良好的活性，這就是微生物電解池能夠運行在低溫條件下的關(guān)鍵，我們獲得了富集的低溫產(chǎn)電細菌，目前正在進純菌分離培養(yǎng)。”

　　也正是突破了傳統(tǒng)制氫技術(shù)的溫度，使高緯度和高海拔地區(qū)使用生物制氫技術(shù)成為可能。邢德峰表示，即便是冬天的東北，只要是在室內(nèi)電解池就可以運行，無需另外加熱。同時，低溫有效地了甲烷的產(chǎn)生，從而提高了氫氣的效率。

　　由此，該論文在線發(fā)表同時，著名學術(shù)期刊《化學世界》也對其進行了報道，認為該研究發(fā)現(xiàn)的低溫產(chǎn)氫是生物制氫的重要突破性，同時指出低溫生物制氫技術(shù)，降低了維持運行的加熱成本。

　　就目前的實驗就過來看，這項技術(shù)產(chǎn)氫速度快，且穩(wěn)定性較好。邢德峰介紹說：“我們在4℃條件下的反應(yīng)器已穩(wěn)定運行1年多。以乙酸鈉為底物為例，氫氣的回收效率可達70—90%。”

　　“難以做大。”對于該技術(shù)的局限，邢德峰直言不諱，由于陰極需要貴金屬作為催化劑催化產(chǎn)氫，這就大大增加了其產(chǎn)氫的成本。其實，如不采用催化劑，也能實現(xiàn)制氫過程，但效率會下降一半以上。好在目前一些低廉的陰極材料正被開發(fā)出來，例如：不銹鋼，鎳合金，鉬合金，也具有良好的催化效果。

　　氫能是一種無污染、可再生、能量密度高的能源，不僅可以作為重要的化工和石油工業(yè)原料，也適用于廚房灶具、熱水器和家電。所以，在規(guī)模難以做大的現(xiàn)狀下，家庭燃氣就成為一個很好的選擇。一家一戶，一個單元或者幾戶為一個單位，建立一個電解池，都是比較理想的形式。根據(jù)氫氣的熱值和以天然氣作為參考，一個體積1m3的微生物電解池可完全滿足一個三口之家的耗氣量。

　　盡管目前的研究還停留在實驗室規(guī)模，但由于其具有種種優(yōu)點，對于微生物電解池的研究已經(jīng)成為世界能源與研究領(lǐng)域的熱點，有越來越多的國家加入到這項研究中。如果陰極催化劑的成本進一步降低，5—7年內(nèi)有可能實現(xiàn)家庭示范應(yīng)用。

　　“未來，這種制氫裝置可被制成微波爐大小，或者冰箱大小，看上去就像家中的一件電器。”邢德峰說。本報記者 滕繼濮

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