เซลล์เชื้อเพลิงเเบคทีเรีย (Microbial Fuel Cell)
ตอบแล้ว:
5
อีกไม่นานนี้ การกำเนิดไฟฟ้าอาจทำได้ง่ายมาก ง่ายถึงขั้นที่เเค่เราเอาท่อพลาสติกธรรมดากับเเปรงที่มีเเบคทีเรียเกาะอยู่จุ่มลงไปในถังน้ำเสีย ก็ได้ไฟฟ้ามาใช้
เซลล์เชื้อเพลิงเเบคทีเรียรูปเเบบใหม่ที่มหาวิทยาลัย Penn State ได้พัฒนาขึ้นนี้ ใช้เเปรงที่มีขนทำจากเส้นใยคาร์บอนเป็นขั้วAnode (carbon fiber, bottle-brush anode) เพื่อเพิ่มพื้นผิวในการเกาะติดของ biofilmของเเบคทีเรีย (biofilm คือการรวมกลุ่มของเเบคทีเรีย ซึ่งทำให้มันมีความสามารถในการทำอะไรสักอย่างมากขึ้น) ทำให้มีความเป็นไปได้ที่จะนำเซลล์เชื้อเพลิงจากเเบคทีเรียมาผลิตกระเเสไฟฟ้าในอัตราที่สูงได้ สำหรับ ขั้วCathode ทางทีมงานได้ใช้ท่ออากาศที่มีเยื่อบุผิว (membrane-tube air cathode)
ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับ Microbial Fuel Cell กันก่อน หลักการทำงานของมันคล้ายๆกับ Fuel Cell ทั่วๆไปที่ใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ต่างที่ว่ามันใช้เเบคทีเรียทำงานเเละใช้น้ำทิ้งเป็นเชื้อเพลิง เเบคทีเรียจะย่อยสารอินทรีย์ในน้ำเสียไหลทิ้ง การที่เเบคทีเรียดึงเอาพลังงานจากสารอินทรย์มาใช้ เราจะได้อิเล็คตรอนออกมา อิเล็คตรอนจะถูกส่งไปที่ Anode โดยไหลผ่านสายไฟที่อยู่นอกเซลล์เชื้อเพลิงไปที่Cathode ก่อให้เกิดกระเเสไฟฟ้า ที่Cathodeจะมีออกซิเจนมาคอยรับอิเล็คตรอนไปรวมกับโปรตอน เกิดเป็นน้ำขึ้นมา โดยสายพันธุ์เเบคที่เรียที่ทางมหาวิทยาลัย Penn State ใช้นั้นเป็นสายพันธุ์ที่มีอยู่ทั่วๆไปในท่อน้ำทิ้ง ทำให้ไม่ต้องปรับเปลี่ยนสภาพเเวดล้อมเมื่อทำการทดลอง
ก่อนหน้านี้ ศาสตราจารย์โลเเกนเเห่งมหาวิทยาลัย Penn State ได้พิสูจน์ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจากเเบคทีเรียรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าสามารถผลิตกระเเสไฟฟ้าได้ โดยเซลล์ดังกล่าวมีขั้วAnode เป็นกระดาษเส้นใยคาร์บอน เเละมีCathode เป็นกระดาษเล้นใยคาร์บอนกับเเพลตทินัม (Platinum) การทดลองประสบผลสำเร็จ เเต่การที่จะพัฒนาเเบบจำลองเซลล์เชื้อเพลิงนี้ไปสู่ธุรกิจนั้น เป็นไปได้ยาก
การใช้ขั้ว Anodeที่เป็นขนเเปรงทำให้พื้นผิวในการจับเกาะมีมากขึ้นถึง 300-1500 เท่าเมื่อเทียบกับกระดาษเส้นใยคาร์บอน เซลล์รูปเเบบใหม่นี้ให้พลังงานมากกว่าถึงสองเท่า “ขั้วAnode ไม่ใช่ข้อจำกัดอีกต่อไป” ศ.โลเเกนกล่าว ขั้วAnode รูปแบบอื่นมีปัญหามากมาย เนื่องจากรูเเละช่องว่างถูกอุดตันด้วย biofilm ทำให้ประสิทธิภาพในการกำเนิดพลังงานลดลง เเต่พอมาใช้รูปเเบบเเปรงเเล้ว เส้นใยคาร์บอนที่ละเอียดทำให้มีพื้นที่ในการไหลเวียนเเละถ่ายเทมาก เเบคทีเรียที่ตายเเล้วจะไม่อุดตันเเปรง Anode
พอปริศนาเเห่งขั้ว Anode ถูกไขเเล้ว ก็ถึงตาของขั้ว Cathode บ้าง “เราต้องการ cathode ที่มีพื้นที่พื้นผิวสูง หลายระบบใช้แพลทตินัม เเต่เเพลตทินัมนั้นเเพงไป” ศ.โลเเกนกล่าว
ในขณะที่เเปรง Anode สามารถถูกจุ่มลงไปในน้ำทิ้งได้ทั้งเเปรง ขั้ว cathode จะต้องมีด้านที่สัมผัสกับอากาศโดยตรงเพราะต้องใช้ออกซิเจน นักวิจัยได้หันไปใช้ท่อ membrane ที่ใช้ในการบำบัดน้ำเสีย “ท่อmembraneที่ใช้ไม่ใช่ตัวน้ำไฟฟ้า เราเลยทาเเกรไฟท์เเละใส่สารเร่งปฏิกิริยาโคบอลท์ (cobalt) ลงไป” ศ.โลเเกนกล่าว ท่อนี้สามารถใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงได้ เเต่ก็ไม่ดีเท่ากระดาษเส้นใยคาร์บอนชุบเเพลตทินัม
หลังจากทดลองเซลล์เชื้อเพลิงหลากหลายรูปเเบบ รูปเเบบที่มีประสิทธิภาพที่สุด คือ เมื่อใช้ขั้ว Anode ที่เป็นเเปรงเส้นใยคาร์บอน พร้อมกับท่อ cathode สองท่อที่ทาเเกรไฟท์กับโคบอลท์ไว้ผิวด้านใน เซลล์รูปเเบบนี้ผลิตไฟฟ้าได้ 18 วัตต์ต่อน้ำ 260 เเกลลอน
นอกจากได้ไฟฟ้าเเล้ว เซลล์เชื้อเพลิงนี้ยังทำความสะอาดน้ำทิ้งได้ด้วย ซึ่งโดยปกติการบำบัดน้ำทิ้งเป็นกระบวนการที่ต้องใช้พลังงาน
โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation เเละ US Department of Agriculture
เซลล์เชื้อเพลิงเเบคทีเรียรูปเเบบใหม่ที่มหาวิทยาลัย Penn State ได้พัฒนาขึ้นนี้ ใช้เเปรงที่มีขนทำจากเส้นใยคาร์บอนเป็นขั้วAnode (carbon fiber, bottle-brush anode) เพื่อเพิ่มพื้นผิวในการเกาะติดของ biofilmของเเบคทีเรีย (biofilm คือการรวมกลุ่มของเเบคทีเรีย ซึ่งทำให้มันมีความสามารถในการทำอะไรสักอย่างมากขึ้น) ทำให้มีความเป็นไปได้ที่จะนำเซลล์เชื้อเพลิงจากเเบคทีเรียมาผลิตกระเเสไฟฟ้าในอัตราที่สูงได้ สำหรับ ขั้วCathode ทางทีมงานได้ใช้ท่ออากาศที่มีเยื่อบุผิว (membrane-tube air cathode)
ก่อนอื่นเรามาทำความรู้จักกับ Microbial Fuel Cell กันก่อน หลักการทำงานของมันคล้ายๆกับ Fuel Cell ทั่วๆไปที่ใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง ต่างที่ว่ามันใช้เเบคทีเรียทำงานเเละใช้น้ำทิ้งเป็นเชื้อเพลิง เเบคทีเรียจะย่อยสารอินทรีย์ในน้ำเสียไหลทิ้ง การที่เเบคทีเรียดึงเอาพลังงานจากสารอินทรย์มาใช้ เราจะได้อิเล็คตรอนออกมา อิเล็คตรอนจะถูกส่งไปที่ Anode โดยไหลผ่านสายไฟที่อยู่นอกเซลล์เชื้อเพลิงไปที่Cathode ก่อให้เกิดกระเเสไฟฟ้า ที่Cathodeจะมีออกซิเจนมาคอยรับอิเล็คตรอนไปรวมกับโปรตอน เกิดเป็นน้ำขึ้นมา โดยสายพันธุ์เเบคที่เรียที่ทางมหาวิทยาลัย Penn State ใช้นั้นเป็นสายพันธุ์ที่มีอยู่ทั่วๆไปในท่อน้ำทิ้ง ทำให้ไม่ต้องปรับเปลี่ยนสภาพเเวดล้อมเมื่อทำการทดลอง
ก่อนหน้านี้ ศาสตราจารย์โลเเกนเเห่งมหาวิทยาลัย Penn State ได้พิสูจน์ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจากเเบคทีเรียรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าสามารถผลิตกระเเสไฟฟ้าได้ โดยเซลล์ดังกล่าวมีขั้วAnode เป็นกระดาษเส้นใยคาร์บอน เเละมีCathode เป็นกระดาษเล้นใยคาร์บอนกับเเพลตทินัม (Platinum) การทดลองประสบผลสำเร็จ เเต่การที่จะพัฒนาเเบบจำลองเซลล์เชื้อเพลิงนี้ไปสู่ธุรกิจนั้น เป็นไปได้ยาก
การใช้ขั้ว Anodeที่เป็นขนเเปรงทำให้พื้นผิวในการจับเกาะมีมากขึ้นถึง 300-1500 เท่าเมื่อเทียบกับกระดาษเส้นใยคาร์บอน เซลล์รูปเเบบใหม่นี้ให้พลังงานมากกว่าถึงสองเท่า “ขั้วAnode ไม่ใช่ข้อจำกัดอีกต่อไป” ศ.โลเเกนกล่าว ขั้วAnode รูปแบบอื่นมีปัญหามากมาย เนื่องจากรูเเละช่องว่างถูกอุดตันด้วย biofilm ทำให้ประสิทธิภาพในการกำเนิดพลังงานลดลง เเต่พอมาใช้รูปเเบบเเปรงเเล้ว เส้นใยคาร์บอนที่ละเอียดทำให้มีพื้นที่ในการไหลเวียนเเละถ่ายเทมาก เเบคทีเรียที่ตายเเล้วจะไม่อุดตันเเปรง Anode
พอปริศนาเเห่งขั้ว Anode ถูกไขเเล้ว ก็ถึงตาของขั้ว Cathode บ้าง “เราต้องการ cathode ที่มีพื้นที่พื้นผิวสูง หลายระบบใช้แพลทตินัม เเต่เเพลตทินัมนั้นเเพงไป” ศ.โลเเกนกล่าว
ในขณะที่เเปรง Anode สามารถถูกจุ่มลงไปในน้ำทิ้งได้ทั้งเเปรง ขั้ว cathode จะต้องมีด้านที่สัมผัสกับอากาศโดยตรงเพราะต้องใช้ออกซิเจน นักวิจัยได้หันไปใช้ท่อ membrane ที่ใช้ในการบำบัดน้ำเสีย “ท่อmembraneที่ใช้ไม่ใช่ตัวน้ำไฟฟ้า เราเลยทาเเกรไฟท์เเละใส่สารเร่งปฏิกิริยาโคบอลท์ (cobalt) ลงไป” ศ.โลเเกนกล่าว ท่อนี้สามารถใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงได้ เเต่ก็ไม่ดีเท่ากระดาษเส้นใยคาร์บอนชุบเเพลตทินัม
หลังจากทดลองเซลล์เชื้อเพลิงหลากหลายรูปเเบบ รูปเเบบที่มีประสิทธิภาพที่สุด คือ เมื่อใช้ขั้ว Anode ที่เป็นเเปรงเส้นใยคาร์บอน พร้อมกับท่อ cathode สองท่อที่ทาเเกรไฟท์กับโคบอลท์ไว้ผิวด้านใน เซลล์รูปเเบบนี้ผลิตไฟฟ้าได้ 18 วัตต์ต่อน้ำ 260 เเกลลอน
นอกจากได้ไฟฟ้าเเล้ว เซลล์เชื้อเพลิงนี้ยังทำความสะอาดน้ำทิ้งได้ด้วย ซึ่งโดยปกติการบำบัดน้ำทิ้งเป็นกระบวนการที่ต้องใช้พลังงาน
โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation เเละ US Department of Agriculture
