Üha enam räägitakse keskkonda, eelkõige veekogudesse sattuvate raskesti lagundatavate orgaaniliste ühendite, sh ravimijääkide ohtlikkusest. Tavaline bioloogiline reoveepuhastus ei suuda neid enamasti lagundada ja nii liiguvad ravimijäägid keskkonda. Praeguseks on näiteks Läänemeres tuvastatud juba enam kui 80 erineva medikamendi jääke.
Ravimijääkidega on see häda, et nende lagundamine nõuab märksa intensiivsemat ja pikemat puhastusprotsessi, võrreldes sellega, mis üldiselt toimub meie asulate veepuhastites. Veekogudesse sattudes võib ravimisaaste seal püsida kuid, enne kui lagunema hakkab. Kuna probleem on tõsine, pühendavad ka teadlased üle ilma selle lahendamisele rohkelt tähelepanu. Näiteks merevette jõudnud ravimisaaste kandub edasi kaladesse ning sealt inimeste toidulauale, põhjustades mitmesuguseid tervisehädasid, ravimiresistentsust jmt.
Veekogude saastumine on üleilmne probleem
Tartu ülikooli keemia instituudi teadur dr. Ivar Zekker on teadlaste töögrupiga tegelenud just ravimisaaste eemaldamisega reoveest, sest vaid nii on mõeldav vältida selle sattumist loodusesse. Looduslikes veekogudes sisalduv ravimijääkide kontsentratsioon on siiski sedavõrd madal, et sealt on nende kättesaamine palju keerulisem.
Probleemi tõsidusest annab tunnistust ka see, et sellealastele teadustöödele on rahastamisega hoogu juurde andmas Euroopa Komisjon, algatades vastavaid teadusprojekte. Nendes osaleb ka Ivar Zekker, kes on oma uurimistöös keskendunud biogeenide, antidepressantide, valuvaigistite, põletikuvastaste- ja südamerohtude ning antiepileptiliste ravimijääkide keskkonnaohte ja eemaldamise viisidele.
Nüüdseks on Tartu ülikooli (TÜ) teadlased saavutanud märkimisväärset edu mikroobse kütuseelemendi (MFC – Microbial Fuel Cell) rakendamisel reoveepuhastuse vankri ette. Teatavasti on kütuseelemendid seadmed, mis muudavad keemilise energia elektrienergiaks. Tuntuim ja ka avalikkuses kõige rohkem tähelepanu pälvinud on elektrokeemiline kütuseelement, kus vesiniku (või vesinikku sisaldavate ühendite) ja hapniku vahel toimuva elektrokeemilise reaktsiooni tulemusel saadakse elektrit.
MFC põhineb bioloogilisel protsessil, kus mikroorganismid lagundavad orgaanilist ainet, mille käigus vabanevad prootonid ja elektronid. Viimased liiguvad välise vooluahela kaudu anoodilt katoodi suunas, tekitades elektrivoolu. Teadlased väidavad, et traditsiooniliste kütuseelementidega võrreldes võib MFC olla pikema eluea ja madalama hoolduskuluga.
Mikroobne kütuseelement – kaks ühes lahendus
Ivar Zekker kinnitab, et MFC-d on juba aastaid uuritud alternatiivse energiaallikana, kasutades seda samas ka vabanemiseks erinevatest orgaanilistest jäätmetest (toidujäätmed, reovesi, saepuru, põllumajandusjäätmed jne).
„Saadav elektrienergia kogus pole küll väga suur, aga kuna see protsess võimaldab vabaneda ka bioloogilistest jäätmetest, on tegemist n-ö ühe tehnoloogia rakendamisega kaks ühes,” selgitab ta. „MFC erineb oma põhimõtte poolest traditsioonilisest biogaasi tootmisest, kus anaeroobse protsessi käigus toodetakse biomassist metaani, mida saab siis edasi kasutada kütusena kas sisepõlemismootorites või koostootmisjaamades elektri ja soojuse tootmisel. Mikroobne kütuseelement toodab aga bioloogilistest saasteainetest elektrit, kasutades elektroode, kusjuures protsessi katalüsaatoriks on anoodi kambris kasvatatud bakterid.”
Tõsi, MFC annab umbes sada korda vähem elektrienergiat, kui teised elektrokeemilised kütuseelemendid. Ent selle miinuse kõrval on tähtis pluss, et elektrienergia tootmisel ei pea põletama kütuseid ega kasutama näiteks vesinikku, mille tootmine on seotud üsna suure energiakulu ja -kaoga.
Iseenesest pole tegemist teab mis uue tehnoloogiaga, lihtsalt tänapäeval on juurde tulnud uudsemat sorti elektroodid ja pinnakatted, et leida värskeid elektrienergia tootmise mooduseid.
Nii aitab Zekkeri uuritav tehnoloogia lagundada mitmeid selliseid saasteaineid, millest me siiani kuigi tõhusalt pole osanud vabaneda. Nende hulka kuuluvad juba mainitud ravimijäägid, samuti toidu- või tselluloositööstuse jääkained, fluoreeritud ühendid jm bioloogiliselt lagunev materjal.
„Mikroobse kütuseelemendi töö põhineb prootonite tootmisel orgaanilistest saasteainetest. MFC-s liiguvad elektronid mikroorganismide vahendusel rakuvälise ahela kaudu anoodilt katoodi suunas. Nii tekkib elektrivool, mille saab suunata tarbijatele,” kirjeldab Ivar Zekker protsessi kulgu. „Anood on kütuseelemendis katoodist eraldatud membraaniga, mida läbivad ainult prootonid. Mikroorganismid toimivad katalüsaatorina anoodi poolel, katoodil toimub oksüdeerumine ja moodustub vesi. Elektronide liikumine tekitabki elektrivoolu.”
Mikroobid puhastavad reovett ja toodavad elektrit
Praktikas toimub protsess nõnda, et saasteained on seadme anoodi poolel, kus neid hakatakse anaeroobselt lagundama. Prootoneid ja elektrone toodetakse orgaanilistest ainetest mikroorganismide vahendusel, kus raku välises ahelas liiguvad elektronid, prootonvahetusmembraani läbivad aga ainult prootonid.
Ivar Zekkeri selgituse kohaselt koosneb tüüpiline mikroobne kütuseelement kahest elektroodist – negatiivselt laetud anoodist ja positiivselt laetud katoodist. Kõige levinumates süsteemides paiknevad elektroodid kinnistes kambrites ja on üksteisest eraldatud prootoneid läbilaskva membraaniga. Mikroorganismid asuvad ühes kambris anoodiga, kus nad lagundavad oma elutegevuse käigus biolagunevat materjali ning toodavad elektrone ja positiivselt laetud vesinikuioone ehk prootoneid.
„See elektronide liikumine anoodilt katoodile ongi kütuseelemendi peamine idee ja tööpõhimõte,” märgib Zekker. „Ühendades anoodi ja katoodi vahele mingi seadme, saame seda kütuseelemendist pärineva energiaga toita.”
Sarnast bioelektrokeemilist süsteemi saab kasutada ka merevee soolsuse vähendamisel, ent käegakatsutavamad praktilised lahendused võiksid Zekkeri hinnangul olla ikkagi reoveepuhastusprotsessides, kus mikroorganismid lagundavad orgaanilisi aineid ja toodavad elektrit, võimaldades reoveepuhastuse käigus samal ajal energiat toota.
Teine kasutusvaldkond võiks olla taastuvenergia, sest MFC-tehnoloogia võimaldab toota elektrit biomassist või orgaanilistest jäätmetest, kusjuures tegemist on süsinikuneutraalse energiaallikaga.
MFC annab olulise panuse võitluses kliimamuutustega
Elektrokeemilise sünteesi abil saab mikroobsete kütuseelementide tehnoloogiat kasutada ka süsinikuühendite või vesiniku tootmiseks süsinikurikastest ühenditest. See on oluline näiteks süsiniku kogumise ja sidumise saavutamisel.
Ivar Zekker usub, et MFC-tehnoloogia võib mõjutada mitmeid tööstusharusid, muutes need keskkonnasõbralikumaks.
„Näiteks reoveepuhastusjaamad saavad toota rohkem energiat ja vähendada süsinikujalajälge. Seda tehnoloogiat võib kasutada taastuva energia tootmiseks ja vähendada nii sõltuvust fossiilkütustest,” loetleb ta võimalusi ja kasutusvaldkondi. „Lisaks võib mikroobsete kütuseelementide tehnoloogia aidata kaasa uutele süsinikuneutraalsetele tootmisviisidele elektrokeemiliste protsesside kaudu. Lihtsustatult öeldes toimib mikroobne kütuseelement nagu elektrijaam, mis saab oma elektrienergia orgaanilistest jäätmetest või biomassist. Praegu küll rakendatakse seda vaid mõnevõrra reoveepuhastuse protsessis orgaanika vähendamiseks, võiks aga palju rohkem. Näiteks kasvõi mereveest joogikõlbuliku vee tootmiseks piirkondades, kus puhast vett napib. Bioloogilisi jäätmeid tekib ju kõikjal ja nendest vabanemine kujutab endast ka kõikjal probleemi.”
Orgaaniliste saasteainete eemaldamine on seda tõhusam, mida suurem on nende kontsentratsioon reovees. Sestap on kõige efektiivsem kasutada reovee settemuda, kus orgaanika konsistents n-ö kõige kangem. Nii täiendabki üks protsess teist – kui reovee anaeroobse kääritamise tulemusel toodetakse mitmes veepuhastusjaamas või agrofarmis metaani, siis aerotanki liigmuda või kääritusreaktori põhja jääv muda on mikroobsele kütuseelemendile just õige tooraine. Väga sobilik võiks MFC kasutamine Ivar Zekkeri arvates olla toiduainetööstuses, kus kontsentreeritud kergesti lagundatavat orgaanilist jääkprodukti tekib stabiilselt ja palju. Hästi kõlbab MFC orgaanika allikaks ka sealäga ja loomasõnnik.
Elektrit saab esialgu vähe, aga arenguvõimalusi jagub
Kuivõrd tõhus on aga mikroobne kütuseelement energia tootmisel, võrrelduna teiste taastuvenergia saamise moodustega?
Ivar Zekker möönab, et MFC annab nn keemiliste kütuseelementidega võrreldes ca 1000 korda väiksema voolu- ja võimsustiheduse. Aga lisab, et kuna protsessis käideldakse ka reovett, muutub protsess tänu sellele tasuvamaks.
„Mikroobsed kütuseelemendid on tulevikule mõeldes üks paljutõotavamaid alternatiivseid energiaallikaid, kuid nende tõhusus sõltub mitmetest teguritest,” räägib Zekker. „Võrreldes teiste taastuvenergia allikatega, nagu päikese- või tuuleenergia, on MFC-de tootmisprotsess keerulisem ja kulukam. Mikroobsete kütuseelementide võimsusväljund võib olla mõnevõrra madalam, kuid nende eelis on põhimõtteliselt lõputu ressurss, sest nad kasutavad energia tootmiseks orgaanilist materjali.”
Toodetavad võimsused on Zekkeri sõnul ca 0,5–2 W/m2 elektroodi pindala kohta või 20 W/m3 anoodikambri ruumala kohta. Nii saavutatakse potentsiaal ühes pisikeses rakus umbes ühe voldi ringis.
Ta tõdeb, et praegu on mikroobsete kütuseelementide tehnoloogia alles arengujärgus ja nende väljundvõimsus on esialgu piiratud. Ent loodab, et edusammud tehnoloogia arengu vallas suurendavad tulevikus MFC-de võimsust. Siiani on mikroobsete kütuseelementide võimsusväljund keskmiselt umbes mõni kilovatt, kuid potentsiaali on palju suuremaks kasvada, kinnitab Zekker.
„Mikroobsed kütuseelemendid võiks tulevikus olla võimelised tootma energiat süsivesikute, rasvade, valkude ja orgaaniliste jäätmete lagunemisel. Järgmise kümnendi jooksul võib oodata tehnoloogia arengut, mis toob kaasa valkude tootmise, raskmetallide eemaldamise, tõhustab elektronide peale andmisega lämmastiku (N) ja fosfori (P) ärastuseprotsesse,” arutleb teadlane. „Uued avastused mikroobide, elektroodimaterjalide ja elektroodidel kasutatavate katalüsaatorite kohta võivad aidata parandada mikroobsete kütuseelementide jõudlust ning laiendada nende rakendusvaldkondi.”
Nii võiks globaalsel energiamaastikul olla mikroobsete kütuseelementide tehnoloogial oluline roll, vähendamaks sõltuvust fossiilkütustest, piirates kasvuhoonegaaside heidet ning aidates kaasa süsinikujalajälje vähendamisele. Lisaks võivad mikroobsed kütuseelemendid olla kasulikud jäätmete taaskasutamisel, muutes need väärtuslikeks ressurssideks.
Seega on lootust, et mikroobsed kütuseelemendid päästavad esialgu piltlikult öeldes maailma energiakriisist, muutes energiatootmise jätkusuutlikumaks ja keskkonnasõbralikumaks ning lõppeks võib see tehnoloogia mängida olulist rolli globaalse energiamaastiku muutmisel mitmekesisemaks ja hajutatumaks.
Vaata lisainfot veebruari Tehnikamaailmast!
