1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (811210), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Росту этих водорослей благоприятствует солнечный свет. В таких ТЭ кислород воздуха, а также кислород, выделяемый бактериями или водорослями, восстанавливается на катоде до ионов гидроксила: '!гОг+НгО+2е=г-20Н-. На аноде образуется кислород: 20Н=г-О+НгО+ 2е-, который поглощается аэробными бактериями. Если кислород удаляется в молекулярном, а неватомарном состоянии, то процесс будет соответствовать ТЭ с газовой концентрационной поляризацией. Кислород присутствует на обоих электродах с различными парциальными давлениями Ог1рг) ) море) Ог(рг), где рг и рг — парциальные давления кислорода на поверхностях обоих электродов. Элементы, работающие как концентрационные водородные, сходны с концентрационными кислородными.
На катоде используются организмы, поглощающие водород, например ОезцИочгЬНо безпИпг!сапа, Нудгодепогпопаз. На анод наносят бактерии типа КЬодозр1г!!!шп гпЬгшп, эффективно выделяющие водород. Кроме того, для генерации энергии можно сочетать два нерастворимых электрода с различными прогекаю- 347 шими на них микробиологическими процессами.
Инте- , в которых на аноде окисляст- ся водород, выделяемый микроорганизмамн, а г де восстанав. мн, а на казо- рослей С1з!огеПа геп 'д ливается кислород, образующийся и' й из водо- ны Э,в кото ом т... з ге а ругепоЫоза. Это водородно-кислородр опливо (водород) выделяется из электролита под влиянием бакте ий, окис, тор й, окислнтелсм может >, род воздуха. Элементы описанных выше типов с мо ской р лита работали с плотностью тока —,, ) 10-' А/см' при напряжении 0,8 — 0,95 В. Биохимические ЭХГ на морской во е б ются для пита з й воде разра затыватания электроэнергией маяков, морс б '- , д гателей подводных лодок, торпе, рпед, судов. Фирма «Мобил ойл корпорейшн» (США) аз а , в которых электрическая энер- гия получается за счет окисления углеводородов и неко- торых других органических соединений й с участием В ся качестве топлива в биохимиче ТЭ ских ' используют- тве дом я различные углеводороды в газооб , > о разном, жидком и рдом состояниях: метан, этан, пропан, б т, б циклонентан,, им диметилциклогексан, амилциклогексан, различные окисленные н неокисле дру~ие соединения.
нные глево о В простейшем случае электролит р . представляет собс4 — 3 -ный водный раствор (чуаС1 с Н=б —:8, П ство значени Н я рН достигается с помощью буфе ных растворов, например смеси КгНРО4 и КН РО . р дой, в которой хорошо размножаются микробы. В качестве акцептора ионов во о о, зован метиленовый синий. водорода иснольсследовангя разлнчныс типы ' бактерий, такие к ше ~ап!са и др, гч а . г, )>)осагб!а сагойгна, Рзенногпопз Окисление углеводородов проводипи в биохимиче р д " ия. Элемент представляет собой соском суд, разделенный двумя мембранам анодный и катодный полуэлеме и на три части: -нты и сепараторную ка- ме А , .
ся анаэробной ячей- меру. Анодный полуэлемент является которой расположены три вво а: .у. ур кробов, питательной среды для них, акцсп- тора водорода и других необходимых добавок. Катодный полуэлемент имеет ввод для кислорода и катод. Сепараторное отделение содержит электролит, через который пропускают пузырьки азота, очищенного от кислорода. Он предотвращает попадание кислорода из катодного пространстна в анаэробный анодный полуэлемент, содержащий культуру бактерий. Анод изготовлен из никеля и платины, катод — воздушный.
Окисление углеводородов в биохимических ТЭ происходит через дегидрогенизацию углеводородного топлива. В качестве примера можно привести след)чощие реакции; на аноде 2Н вЂ” »2! 1++2а— или 2Н+2ОН=»2НзО+2а-; на катоде '/>Ог -!" НзО+2в — — — 2ОН Дегидрогенизация углеводородов является биохимической реакцией, катализируемой бактериями типа Жосагйа. Образующийся в результате метаболичсских превращений водород окисляется на аноде до ионного состояния или воды (в зависимости от рН электролита). Образу'ющиеся на катоде гидроксильные ионы мигрируют из аэробного полуэлемента к аноду через электролит.
Таким образом, токообразующая реакция в этом ТЭ аналогична электрохимическому процессу н водороднокислородпом ТЭ. В зависимости от используемых в биохимическом элементе углеводородов продукты их окисления могут представлять собои различные соединения, например, триглицериды пальмитиновой, стеариновой или олеиновой кислот, цетилпальмитаты, стеарилстеараты, полимеры типа полибетаокснбутирата и другие соединения.
При окислении н-бутана в ТЭ с помощью бактерий 1>осагйа «а1шоп!со!ог получен полимер полигидрооксибутират. Окисление этапа с участием этих бактерий сопровождается образованием (1-каротена. Напряжение ТЭ при токе 0,5 мА составляло 0,2 В. Характеристики ТЭ значительно улучшались при добавлении в оба по- зш азуэлемента раствора феррицианида калия.
Напряжение ТЭ при этом возрастало до 0,6 В прн токе 4,5 мЛ. Окисление углсводородон проводили гакже в две стадии с участием двух различпбях видов бактерий. Так, этан первоначально был окислеп в метанол под влиянием бактерий Рзепдошопаз п1е1)зап(са. Дальнейшее окисление метанола до СОе происходило с участием бактерий Езс11ег(с1з)а со!1. Таким образо ц степень окисления органических вшцеств зависела от типа использованных бактерий. Разработанные за рубежом биохимические ТЭ на углеводородах имеют электроды с высоким содержанием благородных металлов (платина, палладий, золото).
Дальнейшее усовершенствование биохимических ТЭ на углеводородах позволит создать дешевьш источник энергии с использованием различных видов природных топлив. В биохимических ТЭ использукзтся активныс бнокатализаторы бслковой природы, образующиеся в живых телах, — ферменты. Фсрмснты оказывают специфическое действие на органические вещества, катализируя выделение пнзкомолекулярных электрохимически активных топлив.
Например, мочевина разлагается ферментом уреазой с выделением аммиака. Аналогичное действие оказывает аспарагпназа на амиды, гуасаза — на гуанины и т. д. Фермент формикгилрогснлиаза каталнзирует разложение муравьиной кислоты с выдслснием водорода. С помощью соответствующих ферментов в биохимических ТЭ могут быть окислены такие органические вещества, как сахар, крахмал, целлюлоза, аминокислоты, мочевина, углеводороды. Биокатализаторами окисления этих веществ служат организмы дрожжей, энзимы, амилазы, уреазы, диастазы. Исследован (патент С!11А) биохимический ТЭ, в котором электрическая энергия генерируется за счет окисления аммиака — продукта взаимодействия мочевины и фермента уреазы. Элемент состоит из анода, катода, пористого электролитоноситсля, пропитанного электролитом, и элсктрохимически активного генератора топлива, состоящего из никелевой сетки или медной пластины, покрытой индием.
Платинированпый угольный электрод служит воздушным катодом. Пористый элекгролитоноситель, помещенный между электродами, пропитан 350 " смесью: А С! и КС! илп ЛдС1 и КтН,ОН. б " ористу бума во ми мочсвины и уреазы и при- гу, пропитанную растворами мыкающую непоср д с е, ственпо к аноду. оном, а кислород в генера торе аммиак окисляется на аноде, станавливается па катоде. сиза ТЭ 0 92 В Э чемент работал 5 ч п и токе 12 мА и напряжении,, 'сл в течение, ч при веществ использовао ных о ганических вещ с влиянием у рсазы, то прн напряжении чпвался до 2 мА. ии ско яются под Н орые биохимические реакции уск р а нации.
С помощью таких ото- ТЭ о ну синтетических реакщ Г :,зй в биохимическом д белковой окисление некоторых р о ганических веществ а и тих со- ~ о ы типа экстракта протеина, пептона и дру патент СВ1Л). Биокатализатором окисления Рх(з бор.епб(опзог1зз зр!1 1 ферментами содержаь бакте ий типа о з гоЫаз, Д)зодозр 1ППгогп гн ргпш с й, Элект олнт содержал имися в экстракте дрожже, лектр, — ' С( 1000 см' воды. Для ускорения биохпми- 1 — 1О г КРа на е ез анолит пропускали электро- 400 780 нм магнитное нзлу ченне с длиной волны от 4 до од. В анолном ана- К ом служил воздушнряй электрод.
э о но °... т лед 'кпцпе процессы. э обном полуэлементе происходят с.. у р б е ий в среде экстракта дрожже выделяются такие про одукты метаболпческих превращльтате нпй, как С и и з . . . , льт .0 Н О. Из углекислого газа в результ микро иологиче б . ской фотоспнтетической реакц р..уи — о мальде- ется электр охимпческн активное топливо — ф р гид по уравнению СО + 2Н Р вЂ” (СНаО) + Н,О+ 2Р, 2 бактерии где к — остаток о органической белковой молекулы, из которой удалены два атома водорода, ~аким о разом, б м, исходньп.
белковые вещества поде ком меха- всргаются дегндрогенизацни по биохимическому м низму. Формалыгегид окпсляется на аноде '/хСНзО+20Н=и'/эСОр+б/зНрО+2е-, а на катоде прои происходит восстановление кислорода [7.2) '/40х+ НрО+2е--и20Н вЂ”. ,351 Суммарная электрохимическая реакция /«С11«О+ /«О««СО«+ /«Н«О. В результате электрохимического окисления формальдегида на аноде снова выделяется СОм т. е. данный биохимический ТЭ является аналогом регснеративного ТЭ. В исследованном биоэлементе получен ток до 30 мкА при напряжении !50 мВ, элемепт работал непрерывно в течение 23 дней. Изучалась также возможность окисления в биохимических ЭХГ некоторых природных топлив типа водорослей, грибков, различных отходов, а также чистых органических веществ.
В «прямом» биохимическом ТЭ испольэовали анод из платиновой сетки, покрытой платиповой чернью, и воздушный катод из графита, активировапнын окислами серебра, кобальта и алюминия. Электролит содержал смесь солей Еп504, МпС1м К«МоОь Сп504 Со(г)оз)«, М850м Ко)Ом КН«РОе, СаС1м Ре«(50~)«, СыНыЪ)гй)а«-2Н«О. Катализаторами биохимических реакций были бактерии Пезп)(оч!Ъг!о г)езп)(пг)- сапа в среде, содержащей экстракт дрожжей. Каталитическую смесь культуры бактерий и ферментов вносили в анолит. Принцип использования природных органических топлив в биохимическом ТЭ схематически показан на примере окисления формальдегида.
В результате деятельности бактерий ОеэпИоч!ЪПо с)езп!!пг)сапа формальдегид окпсляется до СО«и Н«О, сульфатные ионы восстанавливаются в сульфпдныс по уравнению 2СН,О+Н,50, ' - 2СО,+2Н,О+Н,Я. Образующийся прн биохимических процессах сероводород окисляется на аноде до серы, а на катоде происходит электровосстановление кислорода воздуха Н,5 2Н+ + 5'- 2Н+ + 5+ 2е; '/,О,+Н,О+2е 2ОН .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
