Hur kan MDC-teknologi förbättra avsaltning och energiproduktion samtidigt?

MDC-teknologin, eller membran-dioxideringscellteknologi, är en innovativ metod för att kombinera avsaltning med produktion av elektrisk energi. Denna teknik bygger på principen om elektrolytisk migration av joner från en saltlösning till elektroderna i systemet. Vid anoden oxiderar exoelectrogena bakterier (EAB) organiskt material och producerar elektroner som rör sig genom systemet, vilket i sin tur genererar elektrisk ström. Cationer som natrium (Na+) och kalium (K+) rör sig över membranet mot katoden, vilket underlättar avsaltningen av lösningen i mittenkammaren. Detta resulterar i att salterna avlägsnas från vattnet och en effektiv avsaltningsprocess uppnås samtidigt som energi produceras.

En av de främsta fördelarna med MDC-teknologi är dess förmåga att samtidigt producera elektrisk energi och genomföra avsaltning. I och med att joner migrerar från den salta lösningen till elektroderna, ökar ledningsförmågan i anolyten och katolyten, vilket höjer effektiviteten i energiutvinningen från MDC-systemet. Denna förbättrade ledningsförmåga gör att massöverföring blir mer effektiv, vilket gör MDC-teknologin mer energieffektiv än traditionella mikrobiska bränsleceller (MFC). Dock finns det en nackdel i form av ökad salthalt i både anolyten och katolyten, vilket kan påverka de bakteriepopulationer som finns på båda elektroderna och eventuellt försämra systemets övergripande prestanda och vattenkvalitet (Luo et al., 2012).

MDC:er erbjuder även flexibilitet i deras användning, då de inte bara kan avsalta vatten utan även bryta ned organiskt material samtidigt som de producerar elektricitet. De kan också integreras med konventionella avsaltningsprocesser som omvänd osmos (RO). När MDC används som ett förbehandlingssteg kan de sänka salthalten i tilloppvattnet avsevärt, vilket minskar energiförbrukningen för den efterföljande RO-processen. Studier har visat att MDC kan generera upp till 58 % av den energi som krävs för att driva RO-systemet, vilket gör detta till en mycket energieffektiv lösning.

Enligt Jacobson et al. (2011) kan traditionella RO-system kräva cirka 2,2 kWh energi för att avsalta 1 m3 havsvatten. I jämförelse med detta producerar MDC-teknologi inte bara avsaltat vatten utan även omkring 1,8 kWh elektricitet under behandlingen av samma volym havsvatten. Detta resulterar i ett nettoenergiutbyte på omkring 4 kWh per kubikmeter behandlat vatten, vilket belyser den potentiella fördelen MDC-teknologin har för att minska den totala energiåtgången i avsaltningsprocesser.

MDC kan även opereras i elektrolys-läge för att producera vätgas vid katoden, vilket ger ytterligare värde utöver avsaltning och energiproduktion. När MDC är i elektrolys-läge har man rapporterat att systemet kan återvinna mellan 180 och 231 % av den elektriska energi som tillförts i form av vätgas (H2), vilket erbjuder en mycket effektiv metod för energiåtervinning samtidigt som vattnet avsalts. Denna dubbla funktion gör MDC till en lovande teknologi för hållbar vattenrening och energiproduktion, vilket potentiellt kan erbjuda lösningar på både den globala vattenbristen och energiutmaningar (Jacobson et al., 2011; Luo et al., 2011; Mehanna et al., 2010).

Det är också viktigt att förstå att det finns flera parametrar som påverkar prestandan hos dessa system, särskilt elektrodens potential och den elektriska effekten som produceras. För att optimera energiproduktionen i en MDC måste både den interna och externa resistansen balanseras korrekt. Detta innebär att högsta effekt uppnås när den externa resistansen (Rext) är lika med den interna resistansen (Rint).

I laboratoriemiljöer beräknas effektens densitet genom att upprätthålla en konstant extern resistans eller tillämpa en konstant potential och sedan samla in polariseringsdata genom att variera Rext vid definierade intervall. Trots att bioelektrokemiska system (BES) och mikrobiska bränsleceller (MFC) i allmänhet producerar lägre effektnivåer än konventionella alternativa energiteknologier, beror detta på termodynamiska begränsningar. Till exempel är anodenpotentialen i MFCs vanligtvis runt −0,3 V, vilket påverkas av de bakteriespecifika enzymerna och elektronmottagarvägarna.

För att åstadkomma förbättringar i energiproduktion och effektivitet måste det utvecklas nya systemkonfigurationer och elektrodmaterial. Denna forskning fortsätter att utvecklas och har potential att förbättra BES-teknologiers prestanda för både energiutvinning och vattenbehandling.

I sammanhanget av MDC och MFC-system är det också värt att påpeka att hur man mäter och utvärderar effektens densitet är av största vikt. När man jämför olika system kan det vara mer rättvist att använda volymetrisk effekt densitet istället för yteffekt densitet, eftersom denna ger en mer omfattande bild av systemets kapacitet att generera elektricitet och behandla vatten. Detta beror på att större elektrodytor generellt resulterar i högre volymetrisk effekt densitet tack vare det ökade tillgängliga ytområdet för elektrolytreaktioner.

Hur sker elektronöverföring mellan mikroorganismer och elektroder i bioelektrokemiska system?

Elektronöverföring mellan mikroorganismer och elektroder, en process som kallas extracellular electron transfer (EET), är central för funktionaliteten i mikrobiella elektrokemiska system. Denna process omfattar flödet av elektroner från en elektronkälla med låg redoxpotential till en acceptor med högre redoxpotential. Det är genom denna rörelse som energi kan extraheras eller omvandlas till kemiska produkter i system som mikrobiella bränsleceller eller mikrobiella elektrosyntessystem.

I gramnegativa bakterier har man identifierat multiheme c-type cytochromer som de huvudsakliga proteinerna för elektrontransport. Dessa komplexa proteiner sitter ofta i den yttre membranstrukturen och möjliggör elektronflöde från intracellulära bärare såsom NAD+/NADH till den extracellulära miljön. Därutöver används filamentösa strukturer som kallas pili eller nanowires för att leda elektroner, antingen direkt till elektroden eller till elektronbärarproteiner. Dessa strukturer kan uppvisa metalliskt beteende, vilket gör att de leder elektroner effektivt, men kan även leda till ackumulering av celler i biofilmer, något som i sin tur påverkar konduktivitet och termiska egenskaper i systemet.

Det finns tre huvudsakliga mekanismer för EET: direkt elektronöverföring (DET), indirekt elektronöverföring (IET) via lösliga mediatorer, samt konduktiv överföring via biologiska projektioner. Direkt överföring anses vara den mest effektiva, särskilt i bioanoder och biokatoder där mikroorganismer som betaproteobakterier etablerar direktkontakt med elektroden. Denna process sker utan mediatorer och involverar yttre membrancytochromer och nanostrukturer såsom pili.

Indirekt överföring bygger på användning av elektronshuttles – lösliga molekyler som transporterar elektroner mellan cellen och elektroden. Denna strategi har potential att förbättra EET-effektiviteten, men lider av begränsningar som diffusiva hinder och otillräcklig elektrodytarea, vilket kan hindra uppbyggnad av hög strömtäthet.

Konduktiv överföring representerar ett alternativ där mikroorganismerna använder biofilmstrukturer eller elektronhoppning genom redoxaktiva komponenter som en ledande matris. I detta sammanhang blir Geobacter och Shewanella särskilt intressanta, då dessa bakterier har demonstrerat dubbelriktad elektronöverföring – både från mikrob till katod och från katod till mikrob. Dessa bakterier har också förmågan att reducera metaller såsom sexvärt krom, vilket ger dem potential inom miljöteknologiska tillämpningar.

Vidare är multiheme c-type cytochromer uppbyggda av polypeptidkedjor som kovalent binder till varandra, vilket möjliggör elektronflöde mellan enskilda hemgrupper separerade av endast 1–2 nanometer. Denna unika struktur bidrar till en effektiv transport av elektroner genom bakteriens yttre skikt och ut i omgivningen eller till en elektrod.

I den katodmedierade elektronöverföringsprocessen är katoden inte bara en passiv elektronacceptor utan också en plats där icke-spontana reduktionsreaktioner katalyseras med hjälp av de elektroner som genererats i anodkammaren. Elektronerna används bland annat för att producera väte, vilket i sin tur reducerar koldioxid till metan genom metanogenes. För att optimera denna process används ofta kolbaserade material som grafit och kolstavar tack vare deras förmåga att stödja biofilmväxt och möjliggöra högre strömuttag. Modifiering av dessa ytor med nanomaterial såsom MWCNT (multi-walled carbon nanotubes) och metallkatalysatorer som koboltporyfyriner eller manganoxider kan ytterligare förbättra effektiviteten.

Användningen av ädelmetaller som plati