במחקר שנעשה ע״י הדוקטורנט שמואל רוזנפלד בהנחייתם של פרופ׳ אלכס שכטר וד״ר רבקה כהן מהמחלקה למדעי הכימיה באוניברסיטת אריאל בשומרון, פותחה מערכת לייצור מימן (מערכת ביואלקטרוכימית).
במערכת זו מצויים זני חיידקים המסוגלים לפרק מגוון של מקורות פחמן הנמצאים בשפכים ביתיים לקבלת מטענים חשמליים. בנוסף, האלקטרודות מטופלות במגוון שיטות חדשניות להגברת ספיחת הזרז וכן להגברת היצמדות החיידקים.
הזרז במחקר זול פי 20 בהשוואה לזרז הנפוץ. שימוש בזרזים משופרים וכן טיפול פני שטח מקדים לאלקטרודות, נעשים במטרה להקטין את האנרגיה המושקעת בתהליך ולצמצם את עלויות המיתקן שיובילו בעתיד לבניית מערכות מסוג זה סמוך למיתקנים לטיפול בשפכים.
משאבי טבע מחצביים
מרבית האנרגיה המופקת והמשמשת את האדם וסביבתו, מקורה במשאבי טבע מחצביים. משאבי טבע אלו, שהעיקריים שבהם, פחם (כ- 28.8%), נפט (כ- 31.5%) וגז טבעי (כ- 21.3%) הינם משאבים מתכלים. הסברה היא, שבמרוצת הזמן הם לא ימלאו את צרכיה של האנושות. נוסף להפקת אנרגיה ממקורות מחצביים ישנם לנ"ל חסרונות סביבתיים רבים. בעשורים האחרונים חלה עלייה מתמדת בפיתוח שיטות חלופיות ומתחדשות להפקת אנרגיה, ביניהם ניתן למנות הפקת אנרגיה באמצעות מים, רוח, שמש, ביו-מסה, ביו-גזים ומקורות בלתי נדלים, מתחדשים וירוקים נוספים.
לגז המימן תפקיד חשוב במגוון תעשיות, ביניהן תעשיות כבדות, צבאיות, רפואיות, הודות לצבירת האנרגיה המשקלית הרבה האגורה בו, הגדולה פי- 2.8 מאשר בתהליך בעירה של בנזין (120 MJ/kg מול 43 MJ/kg, בהתאמה), דבר ההופך אותו לבחירה עדיפה. בנוסף, תוצר שריפת המימן בחמצן הוא מים, בהשוואה לזיהום האוויר בבעירת דלקים אחרים. הצפי לעתיד, שהשימוש במימן יגבר ויהווה אלטרנטיבה כמקור אנרגיה זמין וזול להנעת כלי רכב ולמכונות צורכות חשמל. ישנן מספר טכנולוגיות שכבר זמינות בשוק התעשייתי של ייצור מימן.
הטכנולוגיה המסחרית הראשונה, שפותחה במאה הקודמת, הייתה אלקטרוליזה של מים. אולם, החל בשנות ה-60, הייצור התעשייתי של מימן נעשה על ידי פירוק פחממנים מדלקים מאובנים. משיקולי מחיר נמוך, שיטה זו, על אף יעילותה הנמוכה, ונזקיה הצדדים לסביבה (פליטת CO2), עודנה השיטה התעשייתית לייצור מימן. בהתאם לתחזית של ארגון האנרגיה העולמי, שיטה זו צפויה להמשיך לשלוט בעשרים השנים הקרובות. הצפי הוא שהחל בשנת 2030 יכנסו לתעשייה שיטות מסחריות ליצירת מימן בשיטת פוטוכימיות, מימן ממקור גרעיני ומביומסה בעזרת תהליכים ביולוגיים (ביו-מימן). לשיטות ייצור מימן בתהליכים ביולוגיים יש יתרונות רבים בהשוואה לייצור מימן בשיטות האחרות.
מודל טכנולוגי חדש
בעשור האחרון פותח מודל טכנולוגי חדש להפקת ביו-מימן (מימן ממקורות ביולוגיים) על ידי תא אלקטרוליזה מיקרוביאלי ,(microbial electrochemical cell - MEC) בהם ביו-מסה יכולה להיות מנוצלת באופן מלא על ידי חיידקים לצורך הפקת ביו-מימן. במחקר זה, מערכת ה MFC לייצור ביו־מימן, מבוססת על אנודה חיידקית המורכבת מזני חיידקים שונים המסוגלים לחמצן מגוון מקורות פחמן הנמצאים בשפכים ביתיים. תוך כדי ניצול מקורות הפחמן נוצרים אלקטרונים ופרוטונים. האלקטרונים עוברים מהאנודה לקתודה והפרוטונים עוברים לקתודה דרך ממברנה ייעודית. בקתודה בתנאים לא אוירניים בנוכחות זרז מתאים נוצר גז מימן. הייחודיות של המחקר המוצע הינה בזה שהאלקטרודות מטופלת בפני שטח במגוון שיטות חדשניות להגברת ספיחת הזרז בקתודה (תהליך חיזור ליצירת גז מימן) וכן להגברת הצמדות החיידקים באנודה (פרוק מזהמים פחממניים). הזרז במחקר זה מבוסס על M0S2 זול פי 20 בהשוואה לזרז הנפוץ פלטינה.
לסיכום. מחקר זה מציג ייצור ביו-מימן נקי בעזרת תהליך ביו-אלקטרוכימי תוך שימוש באנודה בקטריאלית כחלופה לזרז כימי בתהליך החמצון כשמקור הפחמן לפעילות החיידקים הם שפכים ביתיים. שימוש בזרזים מסונתזים משופרים וכן טיפול פני שטח מקדים לאלקטרודות, במטרה להקטין את האנרגיה המושקעת בתהליך ולצמצם את עלויות המתקן יובילו בעתיד לבניית מערכות MFC בסמוך למתקנים לטיפול בשפכים שיפיקו דלק מימן וממנו חשמל נקי בתאי- דלק.
פורסם ב"כימיה" 101, 2002
