用尿发电?

吕 静

去位于英国爱丁堡的赫瑞瓦特大学找陶善文博士的人,不用像通常那样一见面就递给他一张自己的名片,很多人递上的是一瓶自己的尿。对此,这位华裔化学家并不会觉得反感或者诧异——因为他的研究显示:尿可以帮助解决世界的能源难题,甚至可以为农场或办公大楼供电。所以,他会用来访者提供的尿样来演示他的这项研究。

缺乏能量密度的尿液,也许不能充当火箭燃料,但它却在数量上胜出:尿是地球上数量最大的废料,全球70亿人每天产尿总量约为100亿公升。如果再加上牲畜的尿,那么总量更会翻上几倍。

在目前情况下,尿作为如此大量的废物,若任其流入水系统会破坏生态环境,而从废水中处理它,则需要耗费大量的金钱和能源。比如,在美国,污水处理厂所消耗的电量要占全美发电量的1.5%。所以,如果有一项技术,让尿不再是耗能大户,而在被加以利用后变成了产能大户,岂不是好事一桩?

原理:尿素动力燃料电池

陶善文和他的同事兰蓉博士就在朝着这个方向努力。在他们新成立的Youtricity公司里,一种被称为“尿素动力燃料电池”的技术正在不断得到完善。

燃料电池是将化学能转变为电能的电化学设备,它的能量产生是通过燃料与氧化剂之间的一系列反应达成的。通常,用于燃料电池的燃料包括氢或甲醇气,而氧化剂则是足够的氧气,有时也会用氯气。

传统的燃料电池一端包含氢或甲烷,另一端有空气或氧气,中间用一种特异的离子导电膜分开。从理论上讲,燃料电池可以强力产电,但其设计常常并不实用。

氢是高度易燃的,而甲醇有毒,这就对存储和运输这些燃料的安全问题提出挑战。此外,其商业化的最大障碍还在于,燃料电池所用的质子交换膜造价不菲,再加上常规的铂金催化剂,更使其成本非常高昂。

尿素动力燃料电池和它的尿素发电系统的优势就在于,它使用的是低成本的膜、廉价的催化剂系统,以及无毒的、以尿液形式存在的不易燃的化学物质。

在尿素动力燃料电池内部,当水和空气接近1厘米见方的阴极时会产生氢氧离子,这些氢氧离子被吸引到阳极,在那里与尿素反应形成水、氮和二氧化碳。这个反应也产生电子,电子通过外部电路流回阴极。

陶善文的研究小组希望,将来有一天这种发电系统形成的电流大到足以为电气设备供电。

来源:从尿素到尿

对于这种尿素动力电池而言,要集中获取大量的尿液似乎有些难度。但幸运的是,目前至少在欧洲已经有一种提供廉价尿素的来源。

自从2006年以来,欧盟要求绝大多数柴油卡车和公共汽车捕捉柴油燃烧时产生的有毒氮氧化物。这种毒气与尿素反应形成无毒、无害的氮水混合物和二氧化碳。现在,全欧洲超过6000个加油站和其他场所都有商标名为AdBlue的32.5%的尿素溶液出售。这一系统也在几个亚洲国家实施,而且美国即将很快效仿。

陶善文说:“尿素溶液的这种供应为燃料电池提供了基础,而且这种溶液目前的成本仅每升40便士左右,假如你有一辆用尿素燃料电池驱动的汽车,你只需要到一个一般的加油站,加上尿素,然后就可以开车走人了。”

虽然尿素驱动的汽车能避免直接使用宝贵的化石燃料,但是目前供应的尿素溶液却是由天然气制造而来的,所以,其“碳足迹”将可能与汽油驱动的汽车类似。陶善文最终需要努力做到的,就是用生物材料(包括尿液)来制造尿素,这才会真正带来显著的排放减低。

Youtricity公司的研制工作一旦成功,他们的技术将通过直接去除城市废水中的尿素和氮,既能产生净化的水又能发电。这样,尿素动力燃料电池将容易实现大规模生产、无毒,而且可以以固体形式运输。

为了给来访者现场展示这项技术,陶善文将尿液放入燃料电池,随着尿流入电池,屏幕上显示输出电压已经上升到0.6伏。这个电池模型的发电量太小,还不足以为一个灯泡供电。目前其电力输出是一节AA电池电量的一半。但是,一旦按比例放大这个电池模型并将数个电池连接起来,就应该可以产生实用的电量。

应用:“尿素能”汽车?

根据计算,一个成年人每年所排出的尿,按其所包含的“尿素能”计,足以驱动一辆轿车行驶2700公里。

陶善文说:“英国国家自然科学及工程基金的资助,对这项研究的启动和研发非常重视,作为未来具有巨大潜力的可再生能源,这是一个令人兴奋的领域。”现在,他们已经得到了13万英镑的研发资金。

陶善文希望,如果能找到促进电力输出的正确的电极材料,即便是小型尿燃料电池也将有一天能变得实用。比如,这种电池可以在偏远地区用来给收音机或电话供电。他说:“你无须携带燃料,只带上一个为低功耗移动通讯所用的小型燃料电池就可以了。”

此外,这种供电系统应该可以推广到农场。因为所有哺乳动物的尿中都含有尿素,假如牛尿可以从其他废物中分离出来的话,就可以用来发电,供农场的设施运转。

尿素发电系统的长期应用潜力还包括在军事潜艇上,以及在沙漠或岛屿等遥远、孤立地区的发电。由于这一过程能将尿素或尿液变成水、氮和二氧化碳,也可以用于废水的再处理,这一过程产生的电则是其副产品之一。

陶善文说:“我是在中国的农村长大的,很清楚尿素作为农业废料的作用,当我成为一名化学家的时候,我看到燃料电池的发展,我就想到在这一工艺中使用尿素。”

他说:“我们现在的技术还处在雏形阶段,但是如果这种可再生材料能够在商业上具有可行性,并成为环保的能源,我们将感到非常欣慰,这会让世界上很多人受益。”★

世界上其他“用尿发电”的研究

一、先用尿制氢,再生产燃料电池

制造燃料电池所需要的氢气可以通过裂解水的方式,将氢直接释放到电池中。但是释放氢和裂解水都要耗费很多能量。美国俄亥俄州大学的化学工程师格拉丁·波特灵机一动地想到用尿来代替水。

按重量计,尿中含有2%的尿素,一个尿素分子含有4个氢原子,最关键的是,尿素中的氢原子不像水中的氢原子那样结合得很紧密,因此“拆开”这些化学键所需的能量会比较少,这样将使得制氢的效率更高。

去年,波特小组在《化学通讯》杂志上报道说,他们已能用尿制造氢,所用能量远远小于裂解水所需的1.23伏,他们用的是只有0.37伏的廉价镍电池,结果,他们在阴极制出了冒泡的纯氢,在阳极则形成氮和二氧化碳。根据波特的计算,若使用更高效的电极,尿制氢的价格将低于每公斤1美元。她认为在大量人口聚集、可收集足够尿的地方使用这一工艺会更有价值。

二、微生物电池

另一个有希望的办法是利用微生物燃料电池发电,这种办法不仅适合于尿素和氨,也可以用于粪尿废水中的所有化合物。开发微生物电池的是美国宾夕法尼亚州立大学的布鲁斯·洛根。他指出,这种装置可以分解水中所有的有机物,同时也能净化水。

他们利用废水中包含细菌和有机物的事实,当细菌“消耗”这些“食物”时会产生电子,电子通常会与氧结合。但是如果将其放在无氧室中,将电子“投喂”给一个电极,就会形成一个外部回路。与此共同,质子穿过将电池分开的一个膜到达另一个电极——阴极,在那里,它们与外部电路进入的电子结合,与氧化合形成纯水。

实验性的微生物电池已经产生了每平方米电极表面6.9瓦的能量密度。洛根说:“6.9瓦可能听起来不多,但是我们在废水处理工厂中有很大的反应器,如果你有成千上万平方米,就将会得到很多的电。”目前,这一技术正在试点工厂的规模上进行测试。

洛根的研究集中在逐级放大微生物电池,和寻找让电池工作效率更为有效的电极材料。他说:“我们在废水处理上花费了大量能源,微生物电池技术能够将一个耗能户变成净能生产户。”

没有人声称尿从此将成为我们能源需求的解决方案,但是,科学家认为,我们的能量来源越多越好,因为人类对能量需求量越来越大。