變廢為寶，加點銀

廢水處理不會耗能卻能產(chǎn)能，這是真的嗎？近日，發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》的一篇論文仿佛讓我們看到了這個美麗新世界的曙光。來自斯坦福大學(xué)的研究者們聲稱，他們這項基于微生物技術(shù)的新型電池在可見的未來將有能力把一直作為電力“消費者”的污水處理轉(zhuǎn)化為能源“生產(chǎn)者”。

廢水電池的興衰

新型廢水電池的循環(huán)方式與普通充電電池并無二致。位于陽極的微生物群落經(jīng)由外部電路將自由電子運輸給陰極的固態(tài)氧化銀，后者接收電子后被還原為固態(tài)的金屬銀——這一步驟相當(dāng)于電池的放電。之后，陰極的還原產(chǎn)物被置于富含氧氣、水等的環(huán)境中，再次轉(zhuǎn)換為氧化銀，完成 “充電”的過程。

不過，雖然看似毫無新意，這種生物電池的革命性在于其能量的來源主要是污水中的有機(jī)物。那些散發(fā)著不太宜人的氣味，卻富含乙酸、葡萄糖等各種有機(jī)物的食品廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水、城市生活廢水都是極為理想的原料。同時，作為電子受體的陰極始終保持固態(tài)，只需周期性地替換這些氧化銀，并在外部重新氧化“充能”后循環(huán)利用，就能避免氧氣直接進(jìn)入到“電池”中。相比于早先由賓夕法尼亞大學(xué)的Bruce E.Logen教授所提出的離子交換膜法，該種方式具有更高的效率。

其實這種生物電池并非什么新鮮產(chǎn)物，早在1911年英國植物學(xué)家M. C. Potter教授的酵母和大腸桿菌發(fā)電實驗就已奠定了生物燃料電池的基礎(chǔ)，之后以葡萄糖為陽極燃料，用氧氣作為氧化劑的酶燃料電池一度成為了開發(fā)熱點。但這種電池低下的輸出功率一直讓人頭疼，到了1983年鋰電池陽極材料的突破性進(jìn)展使得那一波“生物電池?zé)帷斌E然消退。

畢竟，在對電力來源未見憂慮的30年前，傳統(tǒng)電池基本占領(lǐng)了主流市場，新型儲電設(shè)備更多地是被當(dāng)作理論概念或者玩物來處理。好在進(jìn)入21世紀(jì)后，化石燃料面臨枯竭的局面又再次賦予這種有機(jī)電池一個證明自己的機(jī)會，特別是扛著“廢物利用”的旗號后令其增色不少。

成本壓力來自貴金屬

一直被視為工業(yè)負(fù)擔(dān)的廢水循環(huán)問題現(xiàn)下看起來似乎擁有巨大的盈利潛力。發(fā)達(dá)國家平均每年需要使用其3%的電力負(fù)載用于污水處理，而根據(jù)理論測算，以美國為例，若將這些廢水通過微生物燃料電池合理地應(yīng)用于發(fā)電，其每年產(chǎn)生的電力則是直接處理所需能量的3～4倍。同時，利用產(chǎn)電量和污物濃度的函數(shù)關(guān)系也可將微生物燃料電池制作成環(huán)境監(jiān)測的傳感器。

此外，考慮到人體內(nèi)豐富的葡萄糖和氧氣資源，擁有良好生物相容性的微生物燃料電池亦可作為諸如心臟起搏器這樣的人造器官的可靠電源；在航天領(lǐng)域中，假使航員的身體排遺產(chǎn)物和實驗廢液同樣能被這些微生物轉(zhuǎn)換為電力，對于負(fù)重配額及其珍貴的長時間航天飛行而言，無疑也是一大利好消息。甚至由此提出的以天然食物為材料能夠“自給自足”的機(jī)器人理論也有了更為充足的研究底氣。

相比于傳統(tǒng)化石燃料技術(shù)成熟的46%的電力轉(zhuǎn)換能力，這種新型微生物燃料電池30%的發(fā)電效率已算突出，它幾乎不遜于這幾年飛速發(fā)展的風(fēng)力和光伏發(fā)電。同時其穩(wěn)定的供電能力、不產(chǎn)生噪音、受氣候影響小、無需特定發(fā)電場所等長處更是克服了后者常為人詬病的缺點。在采用新原料“開源”的同時，又將其他產(chǎn)業(yè)鏈上留下的廢物再利用以達(dá)到“節(jié)流”的目的，難怪此番理論一經(jīng)提出就又受到熱烈關(guān)注。

不過，廢水電池所面臨的麻煩與它的優(yōu)點同樣突出——阻礙該理論實現(xiàn)的主要問題在于能否找到替代銀/氧化銀的陰極組合，這也是作者在論文中不得不承認(rèn)的一點——為了滿足這種充電方式不被氧氣影響的條件，陰極材料必須保證譬如“在反應(yīng)池和氧化劑中都保持穩(wěn)定的固態(tài)”、“抑菌性能好，不會被陽極微生物污染”、“足以產(chǎn)生供人類使用的電勢”等嚴(yán)苛要求，從而選擇了銀。然而，若是要大規(guī)模商業(yè)實現(xiàn)該技術(shù)的話，“貴重金屬對于成本控制必定會造成巨大的壓力”，而培養(yǎng)能適應(yīng)繁多種類廢水的菌種并提高功率密度也是另外一個亟待解決的目標(biāo)。