用泥巴打造微生物燃料電池

三月 9, 2017
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只要用一些泥巴、鹽和水,你就能自製可發電的閉路電路!這個裝置被稱為微生物燃料電池,它將污水中的簡單化合物(如葡萄糖或有機物質)加以氧化,由此利用細菌來發電。鑑於化石燃料數量有限,未來可再生、能達成碳中和的未來生質發電大有可為。你可以參考這些例子:
PARTS

  • 有蓋的塑膠容器,1夸脫(2
  • 池塘的泥巴或表土
  • 鹽,1
  • 洋菜溶液,約6公克 洋菜溶液是一種萃取自海藻、類似果凍的物質
  • 蒸餾水
  • 有蓋容器 盛裝泥巴用
  • PVC管球閥,¾”×6”
  • PVC接頭,½”滑套×¾”螺紋(2 符合管子大小
  • 保鮮膜
  • 銅線,絕緣:紅與黑
  • 鋁網,4” ×2”(2窗格或Phifer可替換窗格
  • 鱷魚夾(2
  • 迴紋針(非必要)

TOOLS

  • 電鑽
  • 熱熔膠槍
  • 馬克筆和尺
  • 手套
  • 萬用電表
  • 剝線鉗
  • 水族箱用空氣幫浦(非必要) 和管線

當位於陽極室的細菌因缺乏氧氣而附著於電極上,燃料電池就會開始運作。由於細菌缺氧,牠們必須將電子轉移到他處。陰極則暴露於氧氣中,因此兩個電極之間會有電位差,產生生物反應牆或是一個「燃料電池」。

1.製作鹽橋

圖片

圖A。步驟圖由Sydney Palmer拍攝

依照包裝上的指示準備洋菜溶液,並加入1/2杯鹽。
以保鮮膜覆蓋PVC塑膠管一端,以免洋菜溶液外流。管子直立於碗碟上,接著倒入溶液,靜置冷卻(圖A)。

2.取得泥巴樣本

泥巴必須來自底棲區,亦即深水區域,在那裡的厭氧菌才有生物化學活性。如果樣本是取自溪流、池塘或湖泊底部,其顏色必須要呈現黑色。如果表土有足夠的厭氧菌,也可以混合蒸餾水使用。請將泥巴樣本放在容器中並覆蓋好。

3.製作外殼

用馬克筆在塑膠容器側邊畫一個圓圈記號,大小必須塞得下PVC接頭。接著,用尺測量記號的位置,在第二個塑膠容器也做相同的記號,確保兩個洞口位置相對再挖空。
圖片

圖B

在塑膠容器蓋子的中央做記號。鑽一個小洞讓銅線穿越,同時在其中一個容器另外鑽一個洞(非必要)來放置空氣幫浦鑽。將PVC接頭(PVC fitting)插入洞中,用黏著劑固定,靜置乾燥(圖B)。
注意:有些黏著劑會對皮膚造成傷害,建議在使用時戴上手套。

4.準備電極

圖片

圖C

用剝線器剝除紅色及黑色末端的絕緣外層,將其中一端折起後以鋁網包覆。用鋁網(圖C)或是迴紋針固定好。
銅線另一端要插入預先鑽好的洞,用黏著劑固定。

5.組裝燃料電池

將PVC管球閥(PVC nipple)緊緊拴在PVC接頭上。
將空氣幫浦插入負極容器預先鑽好的洞,用黏著劑固定(非必要)。
圖片

圖D

 將鹽橋安裝於兩端的接頭,固定好並避免漏水(圖D)。

6.裝滿容器

請戴上手套,用手將第一個容器裝入半滿的泥巴。將其中一個電極埋入泥中,去除氣泡,並繼續灌滿容器,陽極就大功告成了。
接下來,在第二個容器內裝滿蒸餾水,並加入1/2杯鹽攪拌,陰極也完成了。
放入第二個電極,用蓋子封住兩個容器,並用鱷魚夾固定突出來的銅線,這時候也可以開啟空氣幫浦,為陰極溶液打氣。

7.開始使用!

兩個鱷魚夾連接萬用電表,測量輸出的電壓。
生質燃料電池的效能可由電壓輸出得知。開啟萬用電表測量陰陽極之間的電壓。接著,試試看加上電阻用電壓輸出判定電池效能,或用陰陽極電線連接LED,看能不能讓燈泡發亮。另外,你也可以給予細菌少量電壓來改造這個電池。若不經由陰極供應氧氣,你可以產生出純正的氫氣。這個裝置被稱為微生物電解電池,換言之,燃料電池會產電,而電解電池會產氫。
Robinson任職於NASA奈米技術中心,目前為NASA Harriet G. Jenkins研究員。
(譯:謝明珊)
原文
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