پژوهشگران دانشگاه McGill در کانادا فرایندی را بهینهسازی کردهاند که ادرار انسان را به برق قابل استفاده تبدیل میکند. این پژوهشگران با بهرهگیری از سلولهای سوختی میکروبی یا MFCs، روشی کمهزینه برای تصفیه فاضلاب و در عین حال تولید انرژی ارائه دادهاند.
با گرمتر شدن سیاره زمین، کشورها با چالشی دوگانه مواجه هستند: تأمین امنیت انرژی و در عین حال کاهش انتشار کربن. منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و انرژی خورشیدی به گزینههایی قابل اتکا تبدیل شدهاند، اما همچنان نیازمند توسعه گستردهتری هستند تا وابستگی به سوختهای فسیلی را به شکل معناداری کاهش دهند.
پژوهشگران در حال توسعه رویکردهای نوآورانه برای تولید انرژی پاکتر هستند. یکی از این رویکردها استفاده از پسماندهای فراوان برای تولید برق است. سلولهای سوختی میکروبی یا MFCs روشی با ظرفیت بسیار بالا محسوب میشوند که میتوانند همزمان با پاسخگویی به تقاضای انرژی، پسماند را نیز پردازش کنند.
سلولهای سوختی میکروبی دستگاههای زیستالکتروشیمیایی هستند که از میکروارگانیسمها برای اکسیداسیون مواد آلی و تولید برق استفاده میکنند. ماده آلی مورد استفاده معمولاً نوعی پسماند است که در آند اکسید میشود و الکترونهایی تولید میکند که از طریق مدار جریان یافته و برق تولید میکنند.
این سلولها در طیف گستردهای از کاربردها، از نمکزدایی آب گرفته تا تصفیه فاضلاب، مورد استفاده قرار میگیرند، زیرا علاوه بر کارکرد اصلی خود، تولید برق را نیز به عنوان محصول جانبی فراهم میکنند.
ویجایا راغاوان، استاد مهندسی منابع زیستی در دانشگاه McGill، به همراه تیم پژوهشی خود علاقهمند بود بررسی کند که آیا این سلولها میتوانند از ادرار انسان به عنوان بستر نیز استفاده کنند یا خیر. بنابراین، آنها آزمایشهایی را برای ارزیابی تأثیر غلظتهای مختلف ادرار بر میزان تولید برق آغاز کردند.
راغاوان در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد: «اگرچه سلولهای سوختی میکروبی برای تصفیه فاضلاب و تولید برق شناخته شدهاند، اما اثرات دقیق غلظتهای مختلف ادرار بر عملکرد الکتروشیمیایی آنها، کارایی حذف آلایندهها و رفتار جامعه میکروبی هنوز بهطور کامل درک نشده است.»
در این پژوهش، دانشمندان ۴ سلول سوختی میکروبی دو محفظهای ساختند و از مخلوطی از فاضلاب مصنوعی و ادرار انسان با غلظتهای افزایشی ۲۰ درصد، ۵۰ درصد و ۷۰ درصد استفاده کردند.
در طول ۲ هفته، پژوهشگران میزان حذف آلایندهها، عملکرد تصفیه آب و خروجی انرژی این سلولها را اندازهگیری کردند و دریافتند که با افزایش غلظت ادرار، تولید انرژی نیز بهبود مییابد.
راغاوان گفت: «ادرار حاوی یونهای ضروری و ترکیبات آلی است که فعالیت سریع میکروبی را پشتیبانی میکند و این امر موجب بهبود تولید توان و تجزیه آلایندهها میشود.»
اگرچه این سلولها شامل چندین سویه باکتریایی هستند، پژوهشگران دریافتند که دو جنس Sediminibacterium و Comamonas در میان آنها غالبتر شدند. در حالی که Sediminibacterium در سامانههایی با غلظت ادرار تا ۵۰ درصد غالب بود، در غلظتهای بالاتر، Comamonas به گونه غالب تبدیل شد.
این موضوع اهمیت دارد، زیرا غالب شدن گونههای باکتریایی میتواند تغییرات در تولید برق را توضیح دهد و به پژوهشگران کمک کند تا نحوه عملکرد و پایداری سامانه را بهتر درک کنند.
راغاوان گفت: «این مطالعه این خلأ دانشی را با بررسی نظاممند تأثیر نسبتهای مختلف ادرار بر عملکرد الکتروشیمیایی و زیستی سلولهای سوختی میکروبی برطرف میکند.»
راغاوان همچنین پیشنهاد میکند که این سامانه میتواند در مناطق روستایی یا مناطق آسیبدیده از بلایای طبیعی به کار گرفته شود تا ضمن تصفیه پسماند، برق نیز تأمین کند. همچنین میتواند به عنوان یک زیستحسگر کمهزینه عمل کند، بدون آنکه به تجهیزات پیچیده نیاز داشته باشد.
نتایج این پژوهش در نشریه Results in Chemistry منتشر شده است.
