ייצור דלק מימני משפכים ביתיים בעזרת חיידקים

איך ליצור מימן נקי בעלויות נמוכות ובספיקות גבוהות ועל הדרך לפרק מזהמים -
במקום להאכיל את החיידקים בסוכר, להשתמש בשפכים הביתיים שלנו

 מאת: שמואל רוזנפלד

דלק מימנימזה שש שנים אנו קבוצת מהנדסי כימיה – הדוקטורנטים שמואל רוזנפלד, לאה ועקנין הירש וכן הפוסט-דוקטורנט בהראט גנדו, חוקרים בהנחיית פרופ’ רבקה כהן ופרופ’ אלכס שכטר מאוניברסיטת אריאל מתקן חדשני בו ניתן לייצר דלק מימני על ידי שימוש בזני חיידקים המסוגלים לפרק מגוון מקורות פחמן הנמצאים בשפכים ביתיים לקבלת פרוטונים והמרתם לדלק מימני בעזרת זרז כימי, כל זאת תוך השקעת אנרגיה מינימלית בתהליך. המחקר, בתמיכת משרד האנרגיה והמשרד לאיכות הסביבה.

מרבית האנרגיה המופקת והמשמשת את האדם וסביבתו, מקורה ממשאבי טבע מחצביים. משאבי טבע אלו, כשהעיקריים שבהם, נפט, פחם וגז טבעי, המהווים כ- 34%,28%,24% בהתאמה, הנם משאבים מתכלים. הפקת אנרגיה ממקורות מחצביים אלו גורמת לזיהום הסביבה, כגון עליה מתמדת בשיעור שנתי של כ 1.6% בפליטת פד”ח (CO2).

בעשורים האחרונים חלה עליה מתמדת בפיתוח שיטות חלופיות ומתחדשות להפקת אנרגיה, ביניהם ניתן למנות הפקת אנרגיה באמצעות מים (המהווים כ – 7%), רוח (המהווים כ- 3%), שמש (המהווים כ-3%), ביו-מסה וביו-גזים (מהווים כ- 1%) תוך שימוש במקורות בלתי נדלים, מתחדשים וירוקים נוספים.

יצירת דלק מימני (ביו-מימן) בקתודה
יצירת דלק מימני (ביו-מימן) בקתודה

לדלק מימני תפקיד חשוב במגוון תעשיות, 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. הצפי לעתיד, שהשימוש בדלק זה ייגבר ויהווה אלטרנטיבה כמקור אנרגיה זמין וזול להנעת רכבים ולמכונות צורכות חשמל.

בשוק ייצור המימן משתמשים במספר טכנולוגיות שונות. הטכנולוגיה הראשונה הייתה אלקטרוליזה של מים אך מלפני שישים שנים, מימן מיוצר על ידי פירוק פחממנים מדלקים מאובנים. בגלל העלויות הנמוכות, ועל אף יעילות נמוכה ונזקיה לסביבה עקב פליטת CO2, זו היא השיטה הקיימת כיום לייצור מימן, ולפי תחזית ארגון האנרגיה העולמי, זו תהיה השיטה גם בשני העשורים הבאים. שיטות מסחריות ליצירת מימן בשיטות פוטוכימיות, מימן ממקור גרעיני ומביומסה בעזרת תהליכים ביולוגיים (ביו-מימן) צפויות להיכנס לפעולה משנת 2030.

בעשור האחרון פותח מודל טכנולוגי חדש להפקת ביו-מימן (מימן ממקורות ביולוגיים) עבור דלק מימני, על ידי תא אלקטרוליזה חיידקיים (Microbial Electrochemical Cell-MEC), בהם ביו-מסה יכולה להיות מנוצלת באופן מלא על ידי חיידקים ייעודיים לצורך הפקת ביו-מימן. בדו”ח משרד האנרגיה והטכנולוגיות שבמחלקת המדינה של ארה”ב (FCTO), הוגדרה טכנולוגיית MEC  זו כטכנולוגיית מפתח במשק האנרגיה העתידי לייצור דלק מימני, במחירי מטרה של $ 2-4 בהצמדה לגלון דלק.

מערכת ה- MEC להפקת דלק מימני, מבוססת על “סוללה ביולוגית” בה תהליך החמצון כולל אנודה חיידקית המורכבת מזני חיידקים שונים המסוגלים לפרק מגוון מקורות פחמן (כגון אצטט, גלוקוז) וכלה במקורות פחמן הנמצאים בשפכים ביתיים או תעשייתיים. תוך כדי ניצול מקורות הפחמן אלו נוצרים אלקטרונים ופרוטונים. האלקטרונים עוברים מהאנודה לקתודה דרך מוליך חיצוני (אלקטרודות) ואילו הפרוטונים עוברים בתמיסה לקתודה. תהליך החיזור מתקיים בנוכחות זרזים שונים, המחזרים פרוטונים על גבי הקתודה ליצירת ביו מימן נקי בעבור דלק מימני. הפוטנציאל החשמלי הדרוש להפעלת מערכת MEC לייצור מימן הינו כ-0.2V (תיאורתית, כתלות במגוון הפרמטרים) ונמוך משמעותית (בכמעט סדר גודל אחד) מזה הדרוש להפעלת תהליך אלקטרוליזת מים. ייחודיותו של מחקרנו הנו בזה שהאלקטרודות הנחקרות עשויות חומרים זולים וזמינים, כגון בד פחמן  (בד ארוג המורכב מ- 99.5% סיבי פחמן) ורשת עשויה נירוסטה  (316L)תוך בחינת מגוון שיטות חדשניות להגדלה ושיפור שטח פני האלקטרודות להגברת הצמדות החיידקים (ייעול תהליך האנודי לפרוק מקורות פחמן ומזהמים) ולהגברת קישור הזרז לקתודה (ייעול תהליך הקתודי של חיזור פרוטונים ליצירת דלק מימני) על ידי חשיפת חומרי הקתודה לפלסמת חנקן קרה. הזרז במחקר זה הנו מסוג מוליבדנום דיסולפיד (MoS2) מסונתז אשר הוכח כבעל יעילות ייצור דלק מימני דומה לזו של זרז הנפוץ מסוג פלטינה ((Platinum ועלותו של הזרז החדש נמוכה בכפי-20 (עלות גרם אבקת פלטינה טהורה הנה כ- 1500 ₪).

המחקר שלנו, שאנו מאמינים שיימשך גם בשנים הקרובות,  מציג ייצור דלק מימני נקי בתהליך ביו-אלקטרוכימי בעזרת אנודה חיידקית כחלופה לזרז כימי בתהליך חמצון תוך פירוק מקורות פחמן שונים לפעילות החיידקים. שימוש בזרזים מסונתזים וזולים, וכן טיפולי שיפור פני שטח מקדימים יביאו להקטנת האנרגיה המושקעת בתהליך ולצמצום עלויות המתקן ובכך יסללו את הדרך לבניית מערכות MEC מסחריות יעילות לייצור דלק מימני בסמוך למתקנים לטיפול בשפכים.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________
המחקר יוצג ביום עיון בנושא חדשנות בדלקים והשפעתם על הסביבה. לפרטים לחצו כאן