厨余新生：微生物燃料电池｜星岛教室

更新时间：12:08 2025-02-20 HKT
发布时间：12:08 2025-02-20 HKT

气候变化已成为全球最重要的威胁之一，影响天气模式和粮食安全，逼使人们呼吁采取行动。在香港，能源行业是主要因素，超过70%的电力来自燃烧煤炭和天然气，这导致大量温室气体排放，加剧全球变暖。随着转型至更清洁能源的逼切需求，可再生能源如风能、太阳能和水电成为可行替代方案，能减少对非可再生能源的依赖。尽管这些技术潜力巨大，却常常受限于天气条件，导致电力生成间歇性且不可靠，这凸显寻找替代解决方案的必要性。「微生物燃料电池」或许是一种有前景的替代方案。

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何谓「微生物燃料电池」

微生物燃料电池（MFC），是利用微生物如细菌和酵母，将有机废物转化为电能，从而产生电力。与传统可再生能源不同，MFC提供了解决能源危机和有机废物处理问题的独特机会。厨余是全球日益严重的问题，在香港，根据2024年数据，每天产生约3300吨厨余，这不仅对环境造成损害，还代表着能源的损失。因此，微生物燃料电池被视为应对气候变化和改善厨余管理的潜在解决方案。这项创新技术不仅可减少废物，还能将其转化为可再生能源，促进可持续发展。

要充分理解微生物燃料电池的工作原理，首先必须掌握「燃料电池」的基本概念。「燃料电池」是一种将化学能转化为电能的装置。通常，燃料电池由两个部分组成：阳极和阴极。阳极部分是氧化反应发生的地方，而还原反应则发生在阴极部分。这两个部分通过外部电路连接，允许电子在它们之间流动。此外，还有一个盐桥连接两个部分，其内含离子化合物，例如钠硝酸盐或钾硫酸盐等。这个盐桥主要有两个功能：促进离子在两个部分之间的移动，并帮助维持溶液中的电荷平衡。

结构运作大揭秘

现在，我们深入探讨微生物燃料电池的结构和功能。在典型的MFC中，阳极和阴极部分各自安装有与外部电路连接的电极。通常，铜被用作两个部分的电极材料。在阳极部分，引入一种来自厨余的溶液，促进氧化反应的发生。这种溶液富含有机化合物，包括葡萄糖、果糖、乙醇、淀粉和纤维素。厨余溶液中细菌的存在至关重要，因为这些微生物促进有机材料的分解。通过微生物活动，有机化合物被分解为更简单的物质，主要是二氧化碳和水。这个分解过程中会释放出电子作为副产品。

然而，空气中的氧气是一种强电子受体。如果电子选择与氧气进行反应，电子就不能够有效地通过电线流向阴极部分来导电。所以，为了防止这种情况发生，阳极部分需要保持密封。

一旦在阳极部分产生电子，这些电子便可通过外部电线流向阴极部分。阴极部分曝露于大气中，提供充足的氧气以发生还原反应。在这里，电子与氧气结合生成水。虽然用外部电线连接两个部分是必要的，但这并不足以完成电路。盐桥由琼脂和氯化钾组成，为闭合电路提供移动的离子。一旦电路闭合，就会产生电流。

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厨余变电流化学方程式

为了说明微生物燃料电池内部发生的化学反应，我们可以看看以下的方程式，以葡萄糖作为有机基质：

·阳极反应：

C6H12O6 + 4H2O → 2HCO3- + 9H+ + 8e-

·阴极反应：

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

·总反应：

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

如果厨余溶液放置更长的时间，内部的葡萄糖和其他相关物质可以氧化生成乙醇，然后再转化为乙酸，这些也可以用来产生电力。以下方程式，显示当乙醇和乙酸在燃料电池中存在时，所发生的反应：

·阳极反应：

CH3COO- + 4H2O → 2HCO3- + 9H+ + 8e-

·阴极反应：

2O2 + 8H+ + 8e- → 4H2O

·总反应：

CH3COO- + 2O2 → 2HCO3- + H+

这些过程不仅产生电力，还有效利用有机废物，将其转化为资源，而不是让其造成环境污染。

你可能会想︰哪些类型的厨余特别适合通过微生物燃料电池产生电力？

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「还原糖」搭配燃料电池

研究显示，富含「还原糖」的厨余通常会产生更好的结果。例如，香蕉皮、甘蔗、芒果皮已被确定为在MFC中产生能量的优秀者。至于测定食品中还原糖的含量，可以使用本立德试剂。「本立德测试」是一种化学测试，可以用来检查给定样品中还原糖的存在。因此，这种测试可以识别含有酮或醛官能基的简单碳水化合物。

该测试基于本立德试剂，这是一种由柠檬酸钠、碳酸钠和五水合硫酸铜（II）配制而成的复杂混合物。在还原糖的作用下，本立德试剂所经历的反应会形成砖红色沉淀，这表示本立德试验为阳性。当还原糖在碱性环境（如碳酸钠）中加热时，会转化为烯二醇（这是一种相对强的还原剂）。因此，当样品中存在还原糖时，本立德试剂中的铜（II）离子会被还原为铜（I）离子。这些铜（I）离子与反应混合物形成氧化铜（I），并以砖红色化合物沉淀出来。样品中还原糖的浓度越高，试剂的最终颜色就越浓烈。

总括来说，微生物燃料电池为两个主要的全球问题提供了创新解决方案：气候变化和厨余管理。通过利用微生物，这些燃料电池能将有机废物，特别是食品废料，转化为清洁能源，减少对化石燃料的依赖，并解决像香港这样的城市中产生的巨大厨余。投资于这项技术可以带来更清洁、更可持续的未来，使微生物燃料电池在应对气候变化和促进健康地球方面变得至关重要。