Португальские исследователи из Университета Бейра Интериор и Центра биотехнологий сельского хозяйства и агропищевой промышленности CEBAL совместно с коллегами из Технического университета Дании испытали технологию получения водорода из сточных вод винодельческой промышленности. Им удалось объединить процессы очистки загрязненных сточных вод с одновременным производством чистого водорода.
В основе этой технологии лежит микробная электролизная ячейка, в которой микроорганизмы разлагают органические вещества в бескислородной среде, выделяя электроны. Эти электроны создают электрический ток, который затем используется для разложения воды и выделения водорода на катоде.
Для эксперимента были использованы сточные воды винодельни, насыщенные органическими соединениями — спиртами, кислотами, фенолами и другими веществами, затрудняющими биологическую очистку. Чтобы система могла эффективно работать с таким сложным составом, исследователи подготовили специальную микробную культуру. В нее вошли бактерии, собранные со свалок, шахтных вод и городских очистных сооружений. Эти микроорганизмы предварительно «приучали» к тяжелым условиям, добавив органические вещества и тяжелые металлы. Также в состав культуры добавили бактерию Geobacter sulfurreducens, способную эффективно передавать электроны на электрод, тем самым усиливая электрохимическую активность системы.
Эксперимент длился более 5000 часов. На начальном этапе микроорганизмы выращивали в простых питательных средах, чтобы дать им возможность сформировать устойчивую биоэлектрически активную пленку на поверхности электрода. Затем в систему постепенно добавляли сточные воды винодельни, оценивая, как она справляется с реальной нагрузкой. Результаты оказались хорошими: степень удаления органических загрязнений превысила 55% по показателю химического потребления кислорода (ХПК), а средняя скорость производства водорода составила около 0,7 литра на литр объема установки в сутки. Причем таких результатов удалось достичь при добавлении всего 5% настоящих сточных вод, что говорит о высокой устойчивости и способности микробной культуры адаптироваться даже к сложной и потенциально токсичной среде.
Для оценки результатов ученые применили электрохимическую импедансную спектроскопию — метод, позволяющий в реальном времени отслеживать развитие микробной пленки и эффективность переноса заряда. Это позволило выявить, как меняется структура биопленки с течением времени, где возникают электрические потери и как состав сточных вод влияет на стабильность процесса.
В перспективе исследователи планируют масштабировать технологию до пилотных и промышленных установок. Однако на данном этапе они сосредоточены на нескольких ключевых направлениях: улучшении материалов катода для снижения энергетических потерь, изучении возможности добавления специализированных бактерий, устойчивых к ингибирующим соединениям, а также использовании электрохимической импедансной спектроскопии как инструмента для оперативного контроля и управления электролизной ячейкой в реальных производственных условиях.
