Nanofibrilarne celulozne membrane v mikrobnih gorivnih celicah: razvoj materialov za trajnostne aplikacije z visoko dodano vrednostjo

Čiščenje odpadne vode velja za velik odtok energije. Najnovejši podatki iz leta 2020 kažejo, da po vsem svetu v povprečju nastane 360 ​​km3 komunalne odpadne vode. Po drugi strani pa je obnovljivi energetski potencial komunalne odpadne vode ocenjen na 805 milijard kWh električne energije na leto. Neposredna rekuperacija energije iz komunalne odpadne vode je možna z mikrobnimi gorivnimi celicami (MFC), ki so prepoznane kot ključna tehnologija v svetovnih prizadevanjih za doseganje čiste energetske industrije in čistega okolja prihodnosti. MFC lahko iz odpadne vode generirajo elektriko, vodik, kemikalije in kovine, hkrati pa jo učinkovito čistijo. Protonske izmenjevalne membrane (PEM) so med kritičnimi komponentami, ki pomembno vplivajo na učinkovitost MFC in kapitalske stroške. Trenutni ""zlati standard"" med PEM je Nafion - popolnoma sintetična, draga (40% stroškov MFC), nagnjena k ˝biofoulingu in okolju nevzdržna membrana. Cilj predlaganega projekta je predstaviti nove znanstvene in tehnološke zasnove ter učinkovite rešitve za razvoj MFC s poudarkom na membranah PEM. Projekt bo razvil napredne ˝antifouling˝, protonsko prevodne in okolju neškodljive nanofibrilarne membrane na osnovi celuloze in jih uvedel v pilotno zasnovo za razširitev popolnoma novih in visoko zmogljivih mikrobnih gorivnih celic. Nanofibrilirana celuloza je v središču segmenta materialov kot trajnosten, poceni material z pomembnimi lastnostmi na področju MFC, tj. Nizka prepustnost H2, dobre mehanske lastnosti in povezano veliko razmerje med dolžino in premerom za podporo usmerjenosti daljinsko vodenje protona vzdolž površin. Pričakuje se, da jih bo uvedba fiksnih nabojev ali kombinacija z ionsko prevodnimi fazami spremenila v odlične ionske prevodnike, ki bodo vključevali nanodelce grafenovega oksida z dokazano sposobnostjo pospeševanja transporta protonov. Ta komplementarni projekt med Slovenskimi in Švicarskimi raziskovalnimi skupinami bo preučil potencial najnovejših odkritij partnerjev. Dva slovenska partnerja (FS-UM in FKKT-UL) sta že vključena v razvoj biopolimernih / grafenskih membran za etanolske gorivne celice, medtem ko je projektni partner HES -SO Univerze Valais-Wallis iz Švicarske prof. Fabian Fischer s svojo ekipo že razvil najdaljšo mikrobno gorivno celico na svetu. Partnerji projektnega konzorcija so pripravili sistematičen delovni načrt raziskovalnih in razvojnih dejavnosti, ki zajema celoten razvojni proces nove mikrobne gorivne celice od zasnove do dejanske izdelave prototipov. Da bi na koncu projektnega obdobja dobili inovativni in učinkovit izdelek, je bil delovni načrt sestavljen iz trenutnih tehničnih ovir, ki omejujejo popolno uporabo mikrobnih gorivnih celic v komercialnem obsegu; z neposrednim odpravljanjem teh omejitev z določenimi nalogami bomo lahko ciljno izvedli raziskovalno delo do končnega cilja. Druga pomembna tema, ki jo bomo sistematično preiskovali, so sklopi mikrobnih gorivnih celic in njihova validacija ter na koncu pilotni koncept za razširitev. Pričakuje se, da bo izvedba takšnih sistemov za čiščenje energije in vode v enem rešila breme čezmernega izkoriščanja neobnovljivih virov narave, zmanjšala trenutno stanje škodljivih vplivov tradicionalnega energetskega sektorja na okolje in omogočila ekonomsko čiščenje vode. To je v skladu z evropsko politiko: za dosego podnebne nevtralnosti v Evropi je treba spodbujati znanost o materialih, ki ponuja industrijske rešitve in podpira razogljičenje energije in potreb evropske industrije po materialih.