Development of a prototype electrical energy generation from constructed wetland with microbial fuel cells

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (Microbial Fuel Cell, MFC) จัดเป็นอีกแหล่งพลังงานทางเลือกที่กำลังได้รับความสนใจในการผลิตกระแสไฟฟ้านอกเหนือจากพลังงานหมุนเวียนต่างๆ เช่น ชีวมวล ลม น้ำ แสงอาทิตย์ และเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน เพื่อทดแทนพลังงานหลักจากพลังานฟอสซิลที่มีปริมาณจำกัดและกำลังจะหมดไป และลดการส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในการผลิตกระแสไฟฟ้า ที่จะเกิดการปล่อยมลพิษพวกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ออกสู่บรรยากาศ ซึ่งเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์เรือนกระจก ฝนกรด หรือภาวะโลกร้อน 

               เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ เป็นการย่อยสลายสารอินทรีย์โดยจุลินทรีย์ ควบคู่กับการปล่อยพลังงานไฟฟ้าอย่างอิสระออกมา เป็นการเปลี่ยนพลังงานเคมีในสารอินทรีย์ให้กลายไปเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยมีจุลินทรีย์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยกระบวนการสร้างพลังงานของจุลินทรีย์นั้นจะเริ่มจากการย่อยสลายสารอินทรีย์ในโมเลกุลของสารอาหาร ซึ่งปฏิกิริยาเอนไซม์ต่างๆ ในกระบวนการสร้างพลังงานของจุลินทรีย์จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมา ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกเก็บอยู่ในรูปสารตัวกลาง ได้แก่ NADH ควิโนน ไซโตโครม เป็นต้น เมื่อสารตัวกลางเหล่านี้ถูกออกซิไดซ์ อิเล็กตรอนก็จะถูกส่งต่อเป็นทอดๆ ในกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอน ระหว่างที่อิเล็กตรอนถูกส่งต่อเป็นทอดๆ นั้นก็จะให้พลังงานแก่จุลินทรีย์ โดยในขั้นตอนสุดท้ายอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะถูกส่งต่อให้แก่ตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายต่อไป เช่น ออกซิเจนรับอิเล็กตรอนแล้วรวมกับโปรตอนกลายเป็นน้ำ ซึ่งนอกจากออกซิเจนแล้วยังมีตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายอีกหลายตัว ได้แก่ ไนเตรท ซัลเฟต คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นต้น ซึ่งมีหลายงานวิจัยพบว่ามีแบคทีเรียบางชนิดที่สามารถถ่ายทอดอิเล็กตรอนออกนอกเซลล์ไปยังตัวรับอิเล็กตรอนภายนอกเซลล์ได้ จากหลักการเหล่านี้เองจึงเป็นแนวคิดให้ใช้ขั้วไฟฟ้าแอโนดมาเป็นตัวรับอิเล็กตรอน เพื่อให้อิเล็กตรอนไหลสู่วงจรไฟฟ้าภายนอกได้กระแสไฟ

               ซึ่งงานวิจัยนี้ จะออกแบบรูปแบบของเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์เป็น 2 ชั้น คือ ชั้นแอโนด (Anode) และชั้นแคโทด (Cathode) โดยชั้นของแอโนดอยู่ในภาวะไร้ออกซิเจนเพื่อบังคับให้ตัวรับอิเล็กตรอนเป็นขั้วไฟฟ้าแอโนด ซึ่งจะเป็นชั้นล่างของบึงประดิษฐ์ ขณะชั้นแคโทดมีการไหลของน้ำเสียชุมชนไหลผ่านระบบบึงประดิษฐ์ เป็นการบัดน้ำเสีย เพิ่มประจุบวกจากฟอสเฟต ไนเตรท และโปรตอนที่เคลื่อนที่มาจากชั้นแอโนด แต่ละชั้นจะมีแผ่นใยคาร์บอนเป็นตัวกลางในการนำอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาเคลื่อนที่เข้าสู่ขั้วไฟฟ้าแอโนดแล้วไหลไปยังขั้วไฟฟ้าแคโทดผ่านวงจรภายนอกเกิดเป็นกระแสไฟฟ้า ดังนั้น ผลที่ได้จากงาวิจัยนี้คือการบำบัดน้ำเสีย ได้น้ำสะอาดและได้พลังงานไฟฟ้า ถึงแม้ว่าเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์จะสร้างกระแสไฟฟ้าได้ต่ำกว่าเซลล์เชื้อเพลิงเคมี แต่กระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้นั้นจะสามารถเก็บกระแสไฟฟ้าและต่อยอดเพื่อเป็นพลังงานทดแทนได้