Wasserstoff erzeugende, mikrobielle Elektrolyse- und Entsalzungszelle (MEDC)

Kombination von Entsalzung, Abwasserbehandlung, Wasserstoffproduktion und Stromerzeugung

Seit Mitte der 2000er Jahre haben Forscher mikrobielle elektrochemische Systeme (MES) entwickelt, darunter mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs), die Bioelektrizität aus exoelektrogenen Bakterien erzeugen. Zwei Arten von MES sind von besonderem Interesse: mikrobielle Elektrolysezellen, die mit Hilfe von Bakterien Wasserstoff und andere Gase erzeugen, und mikrobielle Entsalzungszellen, die mit Hilfe von Bakterien Salz aus Wasser entfernen.

Kombiniert man diese beiden Systeme miteinander, entsteht eine mikrobielle Elektrolyse- und Entsalzungszelle (MEDC). Mit dieser Kombination kann gleichzeitig Wasserstoffgas erzeugt, Wasser entsalzt, Bioabfälle entfernt und Strom produziert werden.

Durch den Einsatz einer zusätzlichen Energiequelle für den Betrieb einer MEDC, z. B. Solarenergie oder eine mikrobielle Brennstoffzelle (MFC), kann die Effizienz einer mikrobiellen Elektrolyse und Entsalzung (MEDC) verbessert werden, was eine noch größere Menge an Wasserstofferzeugung, Abwasserbehandlung und Salzentfernung ermöglicht.

Im Folgenden wird eine theoretische Zelle mit kontinuierlichem Durchfluss zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff, zur Stromerzeugung, Entsalzung und Abwasserbehandlung sowie zur mikrobiellen Elektrolyse und Entsalzung beschrieben, die durch eine mikrobielle Brennstoffzelle verstärkt wird und in der Alicat-Massendurchflussregler zur Regulierung des Flüssigkeits- und Gasdurchflusses im gesamten System integriert sind.

Mikrobielle Elektrolyse- und Entsalzungszelle, optimiert durch eine mikrobielle Brennstoffzelle für die gleichzeitige Produktion von erneuerbarem Wasserstoff, Stromerzeugung, Abwasserbehandlung und Wasserentsalzung

Hintergrundinformationen

Im Jahr 2010 entwickelten Forscher ein Batch-Flow-MEDC capable of producing hydrogen while treating wastewater and desalinating water simultaneously. In this system, it was found that applying additional electricity increased the efficiency of the MEDC’s hydrogen generation and desalination.

Alternativ dazu haben die Forscher zuvor ein MFC-System mit kontinuierlichem Fluss und ein MDC-System mit kontinuierlichem Fluss entwickelt. Durch die Anwendung des von der MFC erzeugten Stroms auf die MEC wurde zusätzlicher Wasserstoff erzeugt.

Daher ist es möglich, diese Systeme zu kombinieren, so dass eine kontinuierliche oder Batch-Flow-MEDC mit einer MFC verstärkt werden kann. Mit anderen Worten, es ist möglich, gleichzeitig Strom zu erzeugen, Abwasser zu reinigen, Wasser zu entsalzen und erneuerbaren Wasserstoff zu produzieren, indem diese Systeme zusammen verwendet werden.

Herstellung eines wasserstoffproduzierenden MFC-betriebenen MEDC

Ein mit MFC betriebenes MEDC-System funktioniert so, dass zunächst eine kontinuierlich fließende Biomasselösung erzeugt wird, die aus einem Abwasserreservoir in ein MFC-System gepumpt wird, um Bioelektrizität zu erzeugen. Der von der MFC erzeugte Bioelektrizität wird in das MEDC-System geleitet, während der Abwasserabfluss als Zufluss zum MEDC-System dient.

Statt im Batch-Betrieb könnte die MEDC kontinuierlich laufen, indem die Abwasserlösung durch die mikrobielle Elektrolysezelle (MEC) fließt, um Wasserstoff zu erzeugen, während gleichzeitig eine Wasserleitung aus einem Meerwasserreservoir in die mikrobielle Entsalzungszelle (MDC) fließt, um Meeressalze zu entfernen. Danach fließt die Abwasserleitung zurück in die mikrobielle Brennstoffzelle, was sich immer wieder wiederholt. Gleichzeitig fließt das Meerwasser zurück in die Entsalzungszelle, was sich ebenfalls immer wieder wiederholt. Der Prozess wird gestoppt, sobald die Abwasserlösung und die Meerwasserlösung so weit gereinigt sind, dass eine weitere Wasserstoff- oder Salzentfernung nicht mehr möglich ist.

Nachdem genügend Wasserstoff produziert, Abwasser aufbereitet, entsalzt und Strom erzeugt wurde, könnte das gereinigte Abwasser aus der Entsalzungsanlage mit dem gereinigten Abwasser gemischt werden und in ein Reservoir für sauberes Wasser fließen. An diesem Punkt könnte neues Abwasser und Meerwasser in die Abwasser- und Meerwasserleitungen gelangen und das gereinigte Wasser ersetzen. Das im gereinigten Wasser enthaltene Wasserstoffgas könnte dann abgetrennt und gespeichert werden, z. B. durch einen Durchspülungsprozess oder über eine Druckwechseladsorption Prozess. Die verbleibende Bioelektrizität, die durch das System erzeugt wird, könnte in Batterien gespeichert werden.

Systemflusskontrolle

In Forschungsexperimenten zu MES, einschließlich mikrobieller Brennstoffzellen, mikrobieller Elektrolysezellen und mikrobieller Entsalzungszellen, könnten die Durchflussraten für all diese separaten MES durch Flüssigkeitsmassenstromregler, wie z. B. die folgenden, genau gesteuert werden LC-Serie oder CODA KC-Serie.

Darüber hinaus können diese Systeme in einem Regelkreis mit elektronischen Ventilen und Alicat-Massendurchflussreglern automatisiert werden, um sicherzustellen, dass die Durchflussraten zur Maximierung der Stromerzeugung, Wasserstoffproduktion, Abwasserbehandlung und Entsalzung optimiert werden.

Mit Totalisierung und Dosierung settings on Alicat’s liquid mass flow controllers such as CODA KC-Series or LC-Series, these systems can automatically cycle themselves or replace wastewater in batches.

Due to precise flow control, Alicat’s liquid mass flow controllers can also be used for custom biofluid mixing and testing for these systems. Thus, a wide range of standardized biowaste solutions could be researched and optimized to run through the system, increasing system efficiency.

Darüber hinaus könnten je nach Systemdesign neben Wasserstoff auch andere wichtige Gase erzeugt werden.

Alicat’s CODA KC-Series can be customized to include Coriolis-Meter-Pumpen um den Fluss im gesamten System anzutreiben. Anstatt den Zufluss der Abwasserlösung unter Druck zu setzen, können Coriolis-Pumpen sicherstellen, dass die richtigen Flüssigkeitsmengen durch die verschiedenen Teile des Systems fließen können.

Zu den technischen Daten und Merkmalen der LC-Serie gehören:

• NIST-rückführbare Genauigkeit bis zu ±2% des Skalenendwertes
• Dosier- und Summieroptionen

CODA KC-Serie: Spezifikationen und Merkmale:

• NIST-traceable liquid accuracy up to ±0.2% of reading or ±0.05% of full scale
• Dosier- und Summieroptionen
• Nenndruck bis zu 4000 PSIA
• Regelbereich bis zu 40 g/h