用尿發(fā)電?

呂 靜

去位于英國(guó)愛丁堡的赫瑞瓦特大學(xué)找陶善文博士的人,不用像通常那樣一見面就遞給他一張自己的名片,很多人遞上的是一瓶自己的尿。對(duì)此,這位華裔化學(xué)家并不會(huì)覺得反感或者詫異——因?yàn)樗难芯匡@示:尿可以幫助解決世界的能源難題,甚至可以為農(nóng)場(chǎng)或辦公大樓供電。所以,他會(huì)用來(lái)訪者提供的尿樣來(lái)演示他的這項(xiàng)研究。

缺乏能量密度的尿液,也許不能充當(dāng)火箭燃料,但它卻在數(shù)量上勝出:尿是地球上數(shù)量最大的廢料,全球70億人每天產(chǎn)尿總量約為100億公升。如果再加上牲畜的尿,那么總量更會(huì)翻上幾倍。

在目前情況下,尿作為如此大量的廢物,若任其流入水系統(tǒng)會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境,而從廢水中處理它,則需要耗費(fèi)大量的金錢和能源。比如,在美國(guó),污水處理廠所消耗的電量要占全美發(fā)電量的1.5%。所以,如果有一項(xiàng)技術(shù),讓尿不再是耗能大戶,而在被加以利用后變成了產(chǎn)能大戶,豈不是好事一樁?

原理:尿素動(dòng)力燃料電池

陶善文和他的同事蘭蓉博士就在朝著這個(gè)方向努力。在他們新成立的Youtricity公司里,一種被稱為“尿素動(dòng)力燃料電池”的技術(shù)正在不斷得到完善。

燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)設(shè)備,它的能量產(chǎn)生是通過(guò)燃料與氧化劑之間的一系列反應(yīng)達(dá)成的。通常,用于燃料電池的燃料包括氫或甲醇?xì)?而氧化劑則是足夠的氧氣,有時(shí)也會(huì)用氯氣。

傳統(tǒng)的燃料電池一端包含氫或甲烷,另一端有空氣或氧氣,中間用一種特異的離子導(dǎo)電膜分開。從理論上講,燃料電池可以強(qiáng)力產(chǎn)電,但其設(shè)計(jì)常常并不實(shí)用。

氫是高度易燃的,而甲醇有毒,這就對(duì)存儲(chǔ)和運(yùn)輸這些燃料的安全問(wèn)題提出挑戰(zhàn)。此外,其商業(yè)化的最大障礙還在于,燃料電池所用的質(zhì)子交換膜造價(jià)不菲,再加上常規(guī)的鉑金催化劑,更使其成本非常高昂。

尿素動(dòng)力燃料電池和它的尿素發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就在于,它使用的是低成本的膜、廉價(jià)的催化劑系統(tǒng),以及無(wú)毒的、以尿液形式存在的不易燃的化學(xué)物質(zhì)。

在尿素動(dòng)力燃料電池內(nèi)部,當(dāng)水和空氣接近1厘米見方的陰極時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氧離子,這些氫氧離子被吸引到陽(yáng)極,在那里與尿素反應(yīng)形成水、氮和二氧化碳。這個(gè)反應(yīng)也產(chǎn)生電子,電子通過(guò)外部電路流回陰極。

陶善文的研究小組希望,將來(lái)有一天這種發(fā)電系統(tǒng)形成的電流大到足以為電氣設(shè)備供電。

來(lái)源:從尿素到尿

對(duì)于這種尿素動(dòng)力電池而言,要集中獲取大量的尿液似乎有些難度。但幸運(yùn)的是,目前至少在歐洲已經(jīng)有一種提供廉價(jià)尿素的來(lái)源。

自從2006年以來(lái),歐盟要求絕大多數(shù)柴油卡車和公共汽車捕捉柴油燃燒時(shí)產(chǎn)生的有毒氮氧化物。這種毒氣與尿素反應(yīng)形成無(wú)毒、無(wú)害的氮水混合物和二氧化碳?，F(xiàn)在,全歐洲超過(guò)6000個(gè)加油站和其他場(chǎng)所都有商標(biāo)名為AdBlue的32.5%的尿素溶液出售。這一系統(tǒng)也在幾個(gè)亞洲國(guó)家實(shí)施,而且美國(guó)即將很快效仿。

陶善文說(shuō):“尿素溶液的這種供應(yīng)為燃料電池提供了基礎(chǔ),而且這種溶液目前的成本僅每升40便士左右,假如你有一輛用尿素燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車,你只需要到一個(gè)一般的加油站,加上尿素,然后就可以開車走人了?！?/p>

雖然尿素驅(qū)動(dòng)的汽車能避免直接使用寶貴的化石燃料,但是目前供應(yīng)的尿素溶液卻是由天然氣制造而來(lái)的,所以,其“碳足跡”將可能與汽油驅(qū)動(dòng)的汽車類似。陶善文最終需要努力做到的,就是用生物材料(包括尿液)來(lái)制造尿素,這才會(huì)真正帶來(lái)顯著的排放減低。

Youtricity公司的研制工作一旦成功,他們的技術(shù)將通過(guò)直接去除城市廢水中的尿素和氮,既能產(chǎn)生凈化的水又能發(fā)電。這樣,尿素動(dòng)力燃料電池將容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、無(wú)毒,而且可以以固體形式運(yùn)輸。

為了給來(lái)訪者現(xiàn)場(chǎng)展示這項(xiàng)技術(shù),陶善文將尿液放入燃料電池,隨著尿流入電池,屏幕上顯示輸出電壓已經(jīng)上升到0.6伏。這個(gè)電池模型的發(fā)電量太小,還不足以為一個(gè)燈泡供電。目前其電力輸出是一節(jié)AA電池電量的一半。但是,一旦按比例放大這個(gè)電池模型并將數(shù)個(gè)電池連接起來(lái),就應(yīng)該可以產(chǎn)生實(shí)用的電量。

應(yīng)用:“尿素能”汽車?

根據(jù)計(jì)算,一個(gè)成年人每年所排出的尿,按其所包含的“尿素能”計(jì),足以驅(qū)動(dòng)一輛轎車行駛2700公里。

陶善文說(shuō):“英國(guó)國(guó)家自然科學(xué)及工程基金的資助,對(duì)這項(xiàng)研究的啟動(dòng)和研發(fā)非常重視,作為未來(lái)具有巨大潛力的可再生能源,這是一個(gè)令人興奮的領(lǐng)域?！爆F(xiàn)在,他們已經(jīng)得到了13萬(wàn)英鎊的研發(fā)資金。

陶善文希望,如果能找到促進(jìn)電力輸出的正確的電極材料,即便是小型尿燃料電池也將有一天能變得實(shí)用。比如,這種電池可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)用來(lái)給收音機(jī)或電話供電。他說(shuō):“你無(wú)須攜帶燃料,只帶上一個(gè)為低功耗移動(dòng)通訊所用的小型燃料電池就可以了?！?/p>

此外,這種供電系統(tǒng)應(yīng)該可以推廣到農(nóng)場(chǎng)。因?yàn)樗胁溉閯?dòng)物的尿中都含有尿素,假如牛尿可以從其他廢物中分離出來(lái)的話,就可以用來(lái)發(fā)電,供農(nóng)場(chǎng)的設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)。

尿素發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期應(yīng)用潛力還包括在軍事潛艇上,以及在沙漠或島嶼等遙遠(yuǎn)、孤立地區(qū)的發(fā)電。由于這一過(guò)程能將尿素或尿液變成水、氮和二氧化碳,也可以用于廢水的再處理,這一過(guò)程產(chǎn)生的電則是其副產(chǎn)品之一。

陶善文說(shuō):“我是在中國(guó)的農(nóng)村長(zhǎng)大的,很清楚尿素作為農(nóng)業(yè)廢料的作用,當(dāng)我成為一名化學(xué)家的時(shí)候,我看到燃料電池的發(fā)展,我就想到在這一工藝中使用尿素?！?/p>

他說(shuō):“我們現(xiàn)在的技術(shù)還處在雛形階段,但是如果這種可再生材料能夠在商業(yè)上具有可行性,并成為環(huán)保的能源,我們將感到非常欣慰,這會(huì)讓世界上很多人受益?！薄?/p>

世界上其他“用尿發(fā)電”的研究

一、先用尿制氫,再生產(chǎn)燃料電池

制造燃料電池所需要的氫氣可以通過(guò)裂解水的方式,將氫直接釋放到電池中。但是釋放氫和裂解水都要耗費(fèi)很多能量。美國(guó)俄亥俄州大學(xué)的化學(xué)工程師格拉丁·波特靈機(jī)一動(dòng)地想到用尿來(lái)代替水。

按重量計(jì),尿中含有2%的尿素,一個(gè)尿素分子含有4個(gè)氫原子,最關(guān)鍵的是,尿素中的氫原子不像水中的氫原子那樣結(jié)合得很緊密,因此“拆開”這些化學(xué)鍵所需的能量會(huì)比較少,這樣將使得制氫的效率更高。

去年,波特小組在《化學(xué)通訊》雜志上報(bào)道說(shuō),他們已能用尿制造氫,所用能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂解水所需的1.23伏,他們用的是只有0.37伏的廉價(jià)鎳電池,結(jié)果,他們?cè)陉帢O制出了冒泡的純氫,在陽(yáng)極則形成氮和二氧化碳。根據(jù)波特的計(jì)算,若使用更高效的電極,尿制氫的價(jià)格將低于每公斤1美元。她認(rèn)為在大量人口聚集、可收集足夠尿的地方使用這一工藝會(huì)更有價(jià)值。

二、微生物電池

另一個(gè)有希望的辦法是利用微生物燃料電池發(fā)電,這種辦法不僅適合于尿素和氨,也可以用于糞尿廢水中的所有化合物。開發(fā)微生物電池的是美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的布魯斯·洛根。他指出,這種裝置可以分解水中所有的有機(jī)物,同時(shí)也能凈化水。

他們利用廢水中包含細(xì)菌和有機(jī)物的事實(shí),當(dāng)細(xì)菌“消耗”這些“食物”時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子,電子通常會(huì)與氧結(jié)合。但是如果將其放在無(wú)氧室中,將電子“投喂”給一個(gè)電極,就會(huì)形成一個(gè)外部回路。與此共同,質(zhì)子穿過(guò)將電池分開的一個(gè)膜到達(dá)另一個(gè)電極——陰極,在那里,它們與外部電路進(jìn)入的電子結(jié)合,與氧化合形成純水。

實(shí)驗(yàn)性的微生物電池已經(jīng)產(chǎn)生了每平方米電極表面6.9瓦的能量密度。洛根說(shuō):“6.9瓦可能聽起來(lái)不多,但是我們?cè)趶U水處理工廠中有很大的反應(yīng)器,如果你有成千上萬(wàn)平方米,就將會(huì)得到很多的電。”目前,這一技術(shù)正在試點(diǎn)工廠的規(guī)模上進(jìn)行測(cè)試。

洛根的研究集中在逐級(jí)放大微生物電池,和尋找讓電池工作效率更為有效的電極材料。他說(shuō):“我們?cè)趶U水處理上花費(fèi)了大量能源,微生物電池技術(shù)能夠?qū)⒁粋€(gè)耗能戶變成凈能生產(chǎn)戶。”

沒有人聲稱尿從此將成為我們能源需求的解決方案,但是,科學(xué)家認(rèn)為,我們的能量來(lái)源越多越好,因?yàn)槿祟悓?duì)能量需求量越來(lái)越大。