Бактерии для очистки воды: нет соли, зато есть электричество

Применение бактерий в процессе очистки сточных вод – в общем-то, не новая идея. Но сейчас ученые стремятся «обучить» их не просто очищать воду, но также и опреснять ее.

Чистая питьевая вода, а также вода для хозяйственных и промышленных нужд в отдельных частях света буквально стала дефицитом, а в будущем степень ее доступности находится под большим вопросом. Значительная часть технологий опреснения воды применяет процесс обратного осмоса: вода под давлением проходит сквозь специальные мембраны, пропускающие её, но не пропускающие соль; либо вода проходит процесс электродиализа, в котором для того, чтобы «извлечь» из воды ионы задействовано электричество. Для обоих названных способов необходимо много электричества.

«Опреснение воды можно осуществлять и без применения электрической энергии либо высокого давления, а вместо топлива будут активно использоваться различные органические материалы», - говорится в недавнем отчете ученых, занимающихся специальными исследованиями в сфере окружающей среды и экологических технологии.

«Применяя микробные топливные элементы для опреснения воды, мы получаем возможность производить электричество и опреснять воду, параллельно извлекая из сточных вод органику», - рассказал Брюс Логан, профессор природообустройства в Институте штата Пенн.

Группа исследователей видоизменила микробные топливные элементы – специальные устройства, очисткой сточных вод в которых занимаются бактерии, параллельно вырабатывая электричество. Процесс происходит таким образом, что после этого в них может применяться соленая вода.

«Нашей главной целью было продемонстрировать, что применение бактерий способно оказаться в плане получения электрического тока достаточно эффективным, - говорит профессор Логан. – Однако пока для опреснения всего 3 миллилитров соленой воды необходимо около 200 миллилитров искусственным образом полученных сточных вод (являющихся просто раствором уксусной кислоты). Система пока еще не готова к масштабному применению, она еще нуждается в оптимизации, однако уже сейчас наглядно продемонстрировано, что наша идея работает».

Типичный топливный микробный элемент включает в себя два отделения. Одно из них наполнено сточными водами или прочими питательными веществами, в другом находится чистая вода, причем в обоих отделениях помещено по электроду. Бактерии, которые находятся в сточных водах, постепенно потребляют органические вещества, вырабатывая таким образом электричество.

Ученые, работающие в университете Цинхуа в Пекине, изменили традиционную конструкцию, внедрив между двумя существующими отделениями третье. Были также добавлены дополнительные мембраны, способные пропускать определенный вид ионов – или только положительные, или только отрицательные, а не сразу оба их вида; эти мембраны располагаются между основным отделением и электродами. Предназначенная для опреснения соленая вода направляется непосредственно в эту основную секцию.

Морская вода в своем составе содержит приблизительно 35 граммов соли на литр, а что касается состава слабоминерализированной воды, то она содержит примерно 5 граммов соли. Соль не только растворяется в воде, она разделяется на ионы, положительные и отрицательные. Когда бактерия, находящаяся в ячейке, расходует загрязненную воду, она выпускает в воду заряженную частицу – протон. Данные протоны никак не могут проскочить анионную мембрану, и по этой причине отрицательно заряженные ионы из центральной камеры постепенно транспортируются в отсек, где находится сточная вода. Параллельно этому процессу положительно заряженные ионы транспортируются ко второму электроду, в результате чего вода, которая находится в среднем отсеке, постепенно опресняется.

«Когда мы попробовали применять микробные топливные элементы для того, чтобы получать электричество, то степень электропроводимости сточных вод не давала надежд на успех. Если бы мы имели возможность добавить некоторое количество соли, то дело пошло бы значительно лучше. Однако если уже есть в избытке соленая вода – то отчего бы не применять именно ее, параллельно очищая загрязненную воду и получая опресненную воду».