Тема: Микробные топливные элементы (МТЭЛы)
advertisement
Автор: Сащенко Игорь Тема: Микробные топливные элементы (МТЭЛы) Калуга 2015 СОДЕРЖАНИЕ 1.1 Микробные топливные элементы (МТЭЛы) 6 1.2 Механизм передачи электронов на электрод 7 1.3 Основы конструирования МТЭЛ 10 1.4 Преимущества топливных элементов 11 1.5 Недостатки топливных элементов: 12 1.6 Материалы для топливных элементов 12 1.7 Водород – идеальное топливо для ТЭ 13 1.8 Метанол 13 1.9 Этанол 14 1.10 Работы по совершенствованию МТЭЛов 1.11 Микроорганизмы работающие в 14 МТЭЛах, использующих открытые системы 17 1.12 Производство водорода с помощью МТЭЛов 18 1.13 Бактерии как акцепторы электронов в электробиохимических процессах 19 1.14 Функции протонообменных мембран 1.15 Основные требования, предъявляемые 20 к материалам полимерных электролитов 1.16 Наиболее подходящие мембраны и их особенности для 20 21 Список использованных источников ................................................................ 24 1.1 Микробные топливные элементы (МТЭЛы) Производство электричества, сопряженное с анаэробным окислением органических субстратов, микробиологическими осуществляется топливными в устройствах элементами – названных МТЭЛами (microbialfuelcells). Схема МТЭЛа, где в качестве окисляемого органического вещества взята уксусная кислота. В МТЭЛах органическое вещество и бактерии находятся в анодной камере в анаэробных условиях. Катод, напротив, находится в аэробных условиях (аэрируется). Анодная и катодная камеры разделены ионоселективной мембраной, которая способна пропускать протоны, и препятствует попаданию кислорода в анодную камеру. Единственный путь электронов к конечному акцептору проходит через анод и электрическую цепь. Важным моментом в этой технологии является процесс передачи электронов на электрод. С 60-х годов прошлого века и до недавнего времени считалось, что для эффективной работы МТЭЛов необходимо присутствие в анодной камере экзогенных низкомолекулярных переносчиков электронов, т.е. веществ которые могли бы получать электроны в клетке или на ее поверхности и отдавать их на электродах. Такие вещества называют экзогенными медиаторами (exogenous mediators) или короче челноками (shuttle). Тем не менее, консорциумы микроорганизмов могут эффективно генерировать электричество без добавления экзогенных медиаторов [1]. Но оставался неясным вопрос, могут ли бактерии передавать электроны путем прямого контакта с электродом или они синтезируют какие-то вещества, служащие для переноса электронов от клетки к электроду, т.е. эндогенные медиаторы. Сегодня ясно, что в природе реализуются все три варианта транспорта электронов: 1) через экзогенные медиаторы; 2) через эндогенные медиаторы 3) прямым контактом бактерий с электродами. Важнейшим этапом в развитии данного направления явилось открытие бактерий способных полностью окислять органические соединения и с большой эффективностью передавать электроны на электроды с помощью прямого контакта, такие бактерии получили название «электрогенов». На базе электрогенов можно создать топливные элементы – источники постоянного тока, которые работают за счет окисления органических субстратов. Эффективность этого процесса, т.е. доля электронов преобразуемых в ток во внешней цепи от общего числа образуемых электронов, велика, но для широкого практического применения МТЭЛов нужно их дальнейшее совершенствование. 1.2 Механизм передачи электронов на электрод Процесс передачи электронов от дыхательной цепи микроорганизма к электродам является критическим для работы МТЭЛов. Эти механизмы изучены до сих пор недостаточно. Следует обратить внимание на родство процессов восстановления микроорганизмами нерастворимых окислов металлов и процессов производства тока в МТЭЛах. И в том и в другом случаях электроны должны транспортироваться на твердый субстрат вне клетки. Этот транспорт может осуществляться либо при прямом контакте поверхности клетки с твердым субстратом или на расстоянии, опосредовано с помощью эндогенных или экзогенных медиаторов. Механизмы передачи электронов изучаются на примере наиболее исследованных бактерий семейства Geobacteraceae и рода Shewanella. Для представителей этих бактерий известна полная нуклеотидная последовательность геномов. Для Shewanella oneidensisс 2002 г., а для Geobacter sulfurreducensс 2003 г. Кроме того, для них разработаны методы генетического обмена и генно-инженерных манипуляций [2]. Для прямой передачи электронов между поверхностями электрода или частичками окислов металлов и бактериями электроны должны, так или иначе, достигать внешней мембраны клетки. Еще в 1992 г. было показано, что в процессе анаэробного роста бактерии Shewanella putrefaciens MR-1 накапливают во внешней мембране необычно много цитохрома с-типа. Обычно грамотрицательные бактерии при аэробном росте содержат в 10-30 раз больше цитохромов в цитоплазматической мембране, чем во внешней мембране. В случае использования в качестве конечного акцептора электронов растворимых соединений Fe3+ (например, солей лимонной кислоты), мутации в генах omcB и mtrB не снижают заметно восстановления этого субстрата, так как в этом случае соединения железа могут достигать переплазматического пространства клетки. Shewanella oneidensis MR-1 обладает способностью восстанавливать нерастворимые окислы металлов как при непосредственном контакте, так и на расстоянии. Для дискриминации этих двух способностей была изобретена система мобилизации нерастворимых окислов в пористые шарики. В таких системах окислы металлов осаждаются как на поверхности шарика, так и во внутренних порах. Окислы во внутренних порах не доступны для прямого контакта с бактериями и их восстановление опосредовано эндогенными или экзогенными переносчиками электронов. Первоначально шарики изготовляли из альгината, но удобнее их делать из пористого стекла. Исследования в этой системе показали, что бактерии Shewanella, дефектные по генам mtrB и omcB теряют способность к восстановлению методом прямого контакта, а дефектные по генам menF и cymA не могут восстанавливать Fe3+ [3] ни на расстоянии, ни при прямом контакте. Из выше изложенного следует, что у Shewanella oneidensis MR-1 транспортная цепь электронов заканчивается в цитоплазматической мембране цитохромом с-типа (cymА), который функционирует совместно с менахиноном. Далее по неясному механизму электроны могут через переплазматическое пространство передаваться на цитохром внешней мембраны (OmcB), который ответственен за восстановление окислов железа прямым контактом. У бактерий рода Shewanella geothrix восстановление нерастворимых окислов осуществляется как прямым контактом, так и на расстоянии, а у Geobacteraceae преимущественно прямым контактом. Чрезвычайно интересно, что электропроводящие пили обнаружены не только у бактерий, восстанавливающих нерастворимые окислы железа, но и у других типов бактерий: фотосинтетической цианобактерии Synechocystis штамм РСС6803, и у ферментативной бактерии Pelotomaculum thermopropionicum. Открытие «нанопроволок» - нового класса органелл у бактерий требует дальнейшего изучения, предположения. Для но уже бактерий, сегодня можно сделать восстанавливающих некоторые нерастворимые субстраты «нанопроволоки» расширяют объем внешней среды доступной для метаболической активности бактерии (длина «нанопроволок» в десятки раз больше размеров самой бактерии). Кроме того, пили толщиной в 100 nm могут проникать в поры почвы не доступные для прямого контакта с поверхностью бактерий. Наиболее интригующие с общебиологической точки зрения результаты – это обнаружение факта, что «нанопроволоки» могут объединять бактерии разных видов. Так было показано, что такие электропроводящие пили соединяют бактерии родов Pelotomaculum thermopropionicum и Methanothermobacter thermoantotropicus при совместном культивировании на пропионате. Хотя показано, что бактерии могут восстанавливать нерастворимые окислы металлов на расстоянии и без прямого контакта механизмы этого процесса и природа эндогенных посредников изучена недостаточно. Экзогенные посредники, добавляемые в системы не представляют интереса для целей практического получения электричества. В некоторых исследованиях предполагалось, что роль эндогенных посредников могут выполнять хиноны или феназины. Однако детальное исследование системы Shewanella oneidensis MR-1 не выявило реальных эндогенных предшественников и вопрос об их природе остается открытым. 1.3 Основы конструирования МТЭЛ Топливная ячейка (FuelCell) - это устройство, превращающее химическую энергию в электрическую. Она похожа по принципу действия на обычную батарейку, но отличается тем, что для ее работы необходима постоянная подача извне веществ для протекания электрохимической реакции. В топливные элементы подаются водород и кислород, а на выходе получают электричество, воду и тепло. К их достоинствам относится экологическая чистота, надёжность, долговечность и простота эксплуатации. В отличие от обычных аккумуляторов электрохимические преобразователи могут работать практически неограниченное время, пока поступает топливо. Их не надо часами заряжать до полной зарядки. Более того, сами ячейки могут заряжать АКБ во время стоянки автомобиля с выключенным мотором. Наибольшее распространение в водородомобилях получили топливные ячейки с протонной мембраной (PEMFC) и твердооксидные топливные ячейки (SOFC). В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива, такого как природный газ" бензин или метанол. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. Этот процесс называется "реформингом". Водород можно также получить из аммиака, альтернативных ресурсов, таких как газ из городских свалок и от станций очистки сточных вод, а также путем электролиза воды, при котором для разложения воды на водород и кислород используется электроэнергия. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, применяемых на транспорте, используют метанол. Принцип действия низкотемпературных топливного топливных элемента элементах следующий. используются: В водород, поступающий со стороны анода и кислород, находящийся со стороны катода. На катоде происходит реакция вида: 2H2 → 4H++4eДанная реакция осуществляется либо при помощи платинового или палладиевого катализатора, либо при весьма высокой температуре. Далее мембрана разделяет продукты реакции: протоны (ионы водорода) проходят к аноду сквозь нее, а электроны достигают анода через внешнюю электрическую цепь (топливный элемент создает электрический ток во внешней цепи). На анодеводород реагирует с кислородом: O2+4H++4e- → 2H2O Как мы видим, что электроны пришедшие из внешней цепи от катода также участвуют в реакции, поэтому отрицательный заряд на аноде не накапливается, и в цепи течет ток пока в элемент подается топливо. Последняя реакция также требует наличия катализатора. 1.4 Преимущества топливных элементов • Это бесшумные источники энергии (топливный элемент сам по себе не имеет движущихся частей); • Возможность использования различных видов топлива; • Широкий диапазон мощностей от >1 до 10000 кВт; • Быстрая реакция на переменные нагрузки; • Высокая надежность и безопасность низкотемпературных устройств; • Экологическая чистота; • Модульная конструкция, позволяющая относительно легко наращивать мощность уже имеющихся энергетических установок с ТЭ. • Возможность параллельной генерации тепла • При необходимости можно использовать воду, которая является продуктом химической реакции 1.5 Недостатки топливных элементов: • Требуют дорогостоящих катализаторов (платина), либо нагрева свыше 500ºC. • Необходимо дальнейшее развитие водородной энергетики (объем промышленного производства водорода должен быть сравнимым с производством бензина) и технологии производства топливных элементов. • Наиболее распространенный на сегодняшний день топливный элемент использует чрезвычайно ядовитый метанол в качестве топлива. 1.6 Материалы для топливных элементов В качестве топлива для топливной ячейки применяется водород, метанол и этанол. 1.7 Водород – идеальное топливо для ТЭ Преимущество: • Химически активный • Экологически чистый – при его окислении образуется вода • Удовлетворяет условию легкого подвода в топливный элемент и отвода продуктов реакции из ТЭ • Оптимальный источник – вода, электролизом которой чистый Н2 может быть получен (процесс энергоемкий) • сейчасводородполучаютзасчетболеедешевойпереработкиприродн огогаза, основным компонентом которого • являетсяметанСН4 + Н2О(пар) = 3Н2 + СО Недостатки: • при низких температурах необходим чистый водород • проблемы с хранением и подачей его в ТЭ • Очистка водорода от оксидов углерода при получении его из углеводородов 1.8 Метанол Преимущество: • Метанол поступает в топливный элемент напрямую, каталитический риформинг (разложение метанола) не нужен • Хранить метанол гораздо проще, чем водород, поскольку нет необходимости поддерживать высокое давление, так как метанол при атмосферном давлении является жидкостью. • Энергетическая ёмкость (количество энергии в данном объеме) у метанола выше, чем в таком же объеме сильно сжатого водорода (современные баллоны высокого давления, позволяющие хранить водород при 800 атм., содержат 5-7 весовых % водорода по отношению к общей массе баллона). Для метанола 13% и является максимальной из всех известных систем хранения топлива для топливных элементов Недостатки: • Метанол ядовит. • Использование в качестве катализаторов драгоценных металлов (платиноидов), что ведет к дороговизне как собственно установок, так и получаемого электричества 1.9 Этанол Преимущества: • Те же преимущества, что и у метанола • Низкая токсичность и возможность производства из биомассы. • Создание катриджного питания электротехнических устройств Недостатки: • Низкая активность как катодных так и анодных систем для ТЭ спирт-воздух • Увеличение количества катализаторов и толщины МЭБ • Использование в качестве катализаторов драгоценных металлов (платиноидов), что ведет к дороговизне как собственно установок, так, и получаемого электричества 1.10 Работы по совершенствованию МТЭЛов В настоящее время в связи с поиском альтернативных возобновляемых источников энергии много внимания уделяется возможностям использовать МТЭЛов для получения электричества в процессе обработки органических отходов пищевой промышленности, сельского хозяйства, муниципальных сточных вод. Различным аспектом изучения и применения МТЭЛов посвящен ряд обзоров. Такой интерес связан с тем, что теоретически МТЭЛы способны осуществлять генерацию энергии из органических веществ с очень высокой эффективностью (~80%), гораздо большей, чем традиционные процессы метаногенеза. На практике, особенно в промышленных процессах обработки сточных вод такая эффективность, конечно, не достигнута и вряд ли когда-нибудь будет достигнута. МТЭЛы, работающие на отходах, это открытые проточные системы не использующие экзогенных медиаторов передачи электронов. В таких системах работают сложные ассоциации природных микрорганизмов. Прототипом всех систем послужили устройства извлекающие электричество из донных осадков океана и известные сегодня под названием BUG (BenthicUnattachedGenerators) [4]. Эффективность МТЭЛов – это кулоновская эффективность (СЕ), т.е. процент электронов, идущих на производство тока от всех электронов производимых в процессе окисления органического субстрата. Кулоновская эффективность всегда ниже 100%, так как часть энергии идет на поддержание и развитие популяции бактерий, работающих в МТЭЛе. Кроме того, часть энергии может расходоваться на восстановление других акцепторов электронов (не электрода) присутствующих в таких сложных субстратах как сточные воды. В случае попадания кислорода в анодную камеру он может выступать как акцептор электронов и снижать СЕ. Результатом всех этих и ряда других причин является то, что реальная СЕ в МТЭлах работающих на сточных водах составляет от 0,7 до 8,1% [5]. В настоящее время запатентован ряд конструкций МТЭЛов работающих на сточных водах. Так сконструирован МТЭЛ, где анодная камера расположена под катодной камерой и они разделены слоем стеклянной ваты для предотвращения смешения аэрируемой жидкости в катодной камере с анаэробной жидкостью анодной. Устройство не требует перемешивания. Жидкость движется снизу вверх. В таком устройстве располагаются множественные электроды, соединенные таким образом, чтобы поднять напряжение производимого тока. Электроды в этом устройстве состоят из пористого графита покрытого платиной, что увеличивает скорость процесса окисления субстрата. В таком устройстве сила тока составляет от 0,3 до 0,8 мА [6]. Преимуществом данного устройства является отсутствие ионоселективной мембраны, такие мембраны дороги и могут засоряться в процессе работы со сложными субстратами. Другое промышленное устройство предлагает использовать цилиндрическую катодную камеру и расположенную вокруг нее анодную камеру. Две камеры разделяются ионоселективной мембраной. Этот МТЭЛ также не требует специального механического перемешивания. Общим недостатком МТЭЛов является высокое внутреннее сопротивление и не достаточно эффективное окисление протонов на катоде. За последние 10 лет различные усовершенствования привели к увеличению плотности тока в МТЭЛах на несколько порядков от 0,1мВт/м2 до 4,3 Вт/м2. Правда, в последнем случае использовался не проточный МТЭЛ, а в катодной камере находился феррицианид, т.е. это не коммерческое устройство. Тем не менее, и при использовании кислорода в катодной камере в проточной системе получены величина плотности тока порядка 1-1,5 Вт/м2 [7]. Увеличению плотности тока способствует улучшение контакта микроорганизмов с электродом (пористые электроды) и максимальное снижение внутреннего сопротивления путем сближения электродов. Одним из принципиальных достижений в конструировании МТЭЛов явилась замена катода погруженного в жидкость и аэрируемого, на катод использующий кислород воздуха, т.е. это пористый катод, экспонированный одной стороной в жидкость, другой на воздух. Эффективность такихМТЭЛов существенно выше традиционных. 1.11 Микроорганизмы работающие в МТЭЛах, использующих открытые системы Реально разрабатываемые МТЭЛы используют органическое вещество донных осадков (BUG) или сточных вод различного происхождения. Это открытые системы, где в той или иной степени происходит селекция электрогенных сообществ. В принципе такие сообщества в анодной камере должны иметь функции сходные с сообществами метаногенных анаэробных дайджестеров, за исключением того, что микроорганизмы способные передавать электроны к электроду заменяют метаногены. Такие сообщества называют анодофильными (Anodophilic consortia). В BUG-системах от 50 до 90% микроорганизмов на аноде относились к δ-Proteobacteria [8]. В меньшей мере были представлены Cytophagales (максимально 33%), Firmicutes (11,6%), γ- Proteobacteria (9-10%) [9]. В МТЭЛах, работающих на сточных водах и других сложных субстратах на аноде обычно образуется биопленка, содержащая кроме хорошо известных электрогенов (Geobacter, сложную Shewanella) ассоциацию микроорганизмов. При этом было показано, что достаточно широкий круг микроорганизмов может передавать электроны на электрод, включая Geobacteriaceae, Alteromonadaceae, Clostridiaceae. Часть обнаруживаемых в ассоциации микроорганизмов может не участвовать в непосредственной передаче электронов на электрод, а быть симбиотамиэлектрогенов в данной ассоциации. Ассоциации микроорганизмов в анодной камере инокулированной сточными водами могут изменяться в зависимости от многих факторов: используемого субстрата; способа культивирования (периодический или проточный); строгости анаэробных условий и даже от условий в катодной камере. Максимальная плотность тока достигнутая до сих пор 4,3 Вт/м2 получена смешанной культурой в периодическом режиме. При этом было показано, что популяция обогащена факультативными анаэробами (Alcaligenesfaecalis, Enterocjccus gallinarum) способными к продукции водорода и содержит сложную смесь бактерий: Fermicutes, γ,β, и αпротеобактерий. Кроме того, в системе присутствовали окрашенные переносчики электронов типа пиоцианинов, вырабатываемых Pseudomonas aerugenosa. Состав ассоциации бактерий в анодной камере зависит от сложного состава субстратов взаимоотношений в (сточные воды) популяции. Не и сложных все бактерии симбиотических в популяции непосредственно участвуют в передаче электронов на электрод. При работе МТЭЛов на аноде наблюдают образование биопленок толщиной в несколько десятков микрон. Даже в биопленке не все бактерии имеют возможность прямого контакта с электродом. Такой контакт может быть опосредован эндогенными переносчиками электронов. Локализация таких переносчиков в пределах биопленки может повысить их локальную концентрацию и предотвратить разбавление в объеме анодной камеры, особенно при проточном культивировании. Другой механизм – это нанопроволоки, который может обеспечить транспорт электронов на расстоянии, как к электроду, так и между различными бактериями. Более подробный обзор микробных сообществ найденных в МТЭЛах приведен в обзоре. 1.12 Производство водорода с помощью МТЭЛов В настоящее время много говорят о водородной энергетике, хотя на самом деле под этим подразумевают лишь то, что водород это чистый энергоноситель, при сжигании которого образуется только вода. Для получения водорода все равно энергию где-то нужно брать. Естественным источником водорода, казалось бы, могла быть вода, но электролиз энергоемок и поэтому дорог. Затраты энергии при этом превышают энергию запасенную в водороде. В настоящее время наиболее дешевый водород получают при высокотемпературной обработке ископаемых топлив. Интересной альтернативой этим процессам может быть получение водорода с помощью модифицированных МТЭЛов, работающих на органических отходах. В таких устройствах катодная камера поддерживается в анаэробных условиях и на катод подается дополнительное напряжение ~0,25В. В этих условиях на катоде протоны восстанавливаются в водород. Такие модифицированные МТЭЛы называют BEAMR- реакторами (bio-electrochemically assisted microbiareactor). BEAMR-реакторы требуют затраты дополнительный энергии для производства водорода, но эти затраты не велики и составляют менее 20% от энергии запасаемой в виде водорода. Так, выход водорода в BEAMR- процессе, работающем на ацетате, составляет ~2,9 mol/mol (теоретически 4.0 mol/mol), а затраты энергии эквивалентны сжиганию ~0,5 mol водорода, т.е. общий выигрыш энергии составляет более 5 раз. Следует напомнить, что электролиз воды – это энергозатратный процесс. Топливом для BEAMR могут служить сточные воды и любые растворимые органические субстраты. Электричество необходимое для производства водорода в BEAMRреакторах выгодно получать в топливных элементах, работающих на водороде, как наиболее эффективных устройствах (преобразование энергии окисления водорода в электричество) свыше 60%. В последние годы в водородных топливных элементах вместо дорогостоящей и дефицитной платины стали с успехом применять бактериальные ферменты. 1.13 Бактерии как акцепторы электронов в электробиохимических процессах Все вышеперечисленные процессы были основаны на способности бактерий передавать электроны, возникающие в процессе окисления органических веществ, на электрод. Таким образом, внутренние биохимические процессы клетки связаны с внешними электрическими системами. Возможен ли обратный процесс закачивания электронов в клетку? Оказывается да. В 2004 году было показано, что графитовые электроды могут быть донорами электронов для анаэробного дыхания бактерий, в частности для восстановления нитратов. Была описана также система регенерации пиридиновых кофакторов NADH и NADPH в системах типа МТЭЛ. Сегодня трудно оценить практические возможности, открывающиеся при эксплуатации процесса передачи электронов бактериям, но наиболее очевидные области – это биокатализ окислительно-восстановительных реакций в химии и изменение метаболизма бактериальных клеток. 1.14 Функции протонообменных мембран • Перенос протона • Разделение электродных областей • Конструкционный материал 1.15 Основные требования, предъявляемые к материалам для полимерных электролитов Основными требованиями для катионообменных мембран являются: • высокая ионная (протонная) проводимость; • устойчивость в окислительно-восстановительных средах, в том числе при повышенных температурах; • индифферентность по отношению к применяемому катализатору, носителем для которого служит материал; • низкая проницаемая способность по отношению к используемому топливу или его компонентам и окислителю (водороду, метанолу, кислороду и др.); • механическая прочность; • способность удерживать воду в условиях эксплуатации, поскольку перенос протонов происходит в гидратированной форме мембраны; • стабильность характеристик в условиях длительной эксплуатации (десятки тысяч часов); • Электроизолирующие свойства; • Относительно низкая стоимость (может составлять до 90% стоимости МТЭЛ) • Важное условие работы МТЭЛ – создание анаэробных условий в камере анода 1.16 Наиболее подходящие мембраны и их особенности В качестве наиболее перспективных рассматриваются работы, связанные с получением объемно модифицированных гибридных материалов типа органика/неорганика, широко используемых в альтернативной энергетике. Работы, связанные с модификацией высокомолекулярных мембран наноразмерными присадками, оказались более перспективными, и число исследований в этом направлении крайне быстро нарастает в течение последних лет. Таблица 1 – Основные характеристики катионообменных мембран [9,10,11,12] Мембрана Фирма производитель Тип мембраны Ионообменная емкость, мг-экв/г Набухание, % Nafion-117 Du Pont, США гомогенная 0.9-1.0 <20 Ионная проводимость, Ом-1см-1 0.012 (0.5 M NaCl), 0.03 (0.5 M HCl) «Пластполимер», Россия Mega, Чехия «Щекиноазот», Россия MФ-4СК Ralex CM МК-40 Чаще всего гомогенная 0.9-1.0 20 гетероген. 2,2 <50 гетероген. 2,2 30 ± 5 рассматривается наиболее простой путь 0.008 (0.5 M NaCl) >0.0062 0.007 (0.5 M NaCl) введения нанодисперсных частиц в раствор, из которого производится отливка мембраны. Однако этот способ не всегда оказывается успешным, поскольку мелкодисперсные частицы склонны к формированию агрегатов, которые далеко не всегда разрушаются при переходе в раствор. Это существенным образом снижает эффективность модификации. В связи с этим в некоторых случаях рассматривается под-ход, связанный со стабилизацией их поверхности различными поверхностно-активными веществами. В случае мембран и этот подход не всегда оказывается целесообразным, поскольку сорбированные на поверхности частиц поверхностно-активные соединения сложно удалить из уже сформированной мембраны. С другой стороны, имеющиеся в мембранах нанопоры могут эффективно сорбировать исходные реагенты и ограничивают реакционный объем. Стенки мембран могут эффективно изолировать сформированные частицы друг от друга и снижать силы поверхностного натяжения, обеспечивая термодинамическую стабильность формирующихся наночастиц. Таким образом, еще одним перспективным методом получения гибридных материалов является синтез наночастиц непосредственно в порах мембран. В этом случае поры выступают в роли своеобразных нанореакторов. К преимуществам гибридных мембран можно отнести улучшение механических свойств, селективности ионной проводимости. Принципиально иные результаты достигаются в случае допирования неорганическими присадками гомогенных ионообменных мембран МФ-4СК. В данном случае, наряду с увеличением ионной проводимости мембран удалось добиться улучшения селективности транс-портных процессов. В случае гетерогенных мембран крупные частицы, образующиеся в макропорах, локализованных между ионообменной смолой и инертным связующим, имеют существенно меньшую удельную поверхность и создают сравнительно небольшую площадь новых границ раздела с фазой ионита, за счет которых происходит изменение процессов переноса. Это существенно снижает эффективность допирования. Кроме того, высокие температуры синтеза кислого фосфата циркония могут приводить к деградации структуры мембраны МК-40, которая по сравнению с МФ-4СК является менее термостабильной. Об этом могут свидетельствовать, в частности, некоторое понижение механической прочности и увеличение доли фазы раствора, локализованного в порах мембран. В научно-исследовательской части были рассмотрены основные принципы конструирования МТЭЛ. Проведено сравнение видов топлива для топливных ячеек, рассмотрены микроорганимы используемые в МТЭЛ, а также приведены сравнительные характеристики катионообменных мембран. Список использованных источников 1. (Дата обращения: 05.04.15) 2. 7. Kim B.H., Chang Y.S., Park D.H. et al. Enrichment of microbial community generating electricity using fuel-cell-type electrochemical сеll // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2006. V. 63. P. 672-681. 3. Reimers C.E., Tender L.M., Fertig S., Wang W. Harvesting energy from the marine sediment-water interface // Environ. Sci. Technol. 2007. V. 35. P. 192-195. 4. 29. Lovley D.R. Microbial fuel cells: novel microbial physiologies and engineering approaches // Current Opinion in Biotechnology. 2006. V. 17. P. 327-332. 5. He Z., Minteer S.D., Angenent L.T. Electricity generation from artificial wastewater using an up flow microbial fuel сеlls // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. P. 5262-5267. 6. Kim B.H., Chang J., Jang J.K. et al. Membraneless and mediatorless microbial fuel gell // US Patent Appliation 20050208343. 7. Lin H., Cheng S.L., Logan B.E. Power generation in fedbatch microbial fuel cells as function of ionic strength, temperature and reactor configuration // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. P.5488-5493. 8. Ishii S., Kosaka T., Hori K. et al. Coaggregation facilitates interspecies hydrogen transfer between Pelotomaculum thermopropionicum and Methanothermobacter thermoautotrophicus // Appl. Environ. Microbiol. 2006. V. 71. P. 7838-7845. 9. Характеристики [Электронный мембраны Nafion // Товарный ресурс] http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/ 274674?lang=en&region=RU (Дата обращения: 15.04.15) ресурс URL: 10.Характеристики мембраны MФ-4СК // Сайт завода-изготовителя [Электронный ресурс] URL: http://www.plastpolymer.com (Дата обращения: 15.04.15) 11.Характеристики мембраны Ralex CM // Сайт распространителя [Электронный ресурс] URL: http://www.mega.cz/geterogennye- ionoobmennye-membrany-ralex.html (Дата обращения: 15.04.15) 12.Характеристики мембраны МК-40// Сайт завода-изготовителя [Электронный ресурс] URL: http://n-azot.ru (Дата обращения: 15.04.15)