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《科学画报》

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由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、...

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用尿液发电

2012-02-24 10:57:04

/陶善文

尿液是我们身体大循环排出的“废物”,成分是95%的水加5%的代谢物。尿液处理后可以作为肥料施浇农作物。而在化学家的眼里,尿液就不仅仅是肥料这么简单了,它可能会成为一种宝贵的新能源。

在诸多新能源中,燃料电池是很出彩的一种。燃料电池通过化学反应,将燃料(一般是氢)的化学能直接转变成电能输出。目前,主要的燃料电池有质子交换膜、固体氧化物、熔融碳酸盐、碱性和碱性膜燃料电池等。

2008年的北京奥运会和2010年的上海世博会上,都出现了采用燃料电池技术的新能源车。燃料电池车喝的是氢,排出的是纯净水,同时产生电流驱动汽车。该类新能源车的最高时速40千米,续驶里程可达80千米。但是,燃料电池面临的主要问题是成本和电池的使用寿命。其中作为催化剂的铂(白金)价格昂贵,成为现有的低温燃料电池技术发展的瓶颈,不能大规模普及。

于是,化学家盯上了尿液,它不仅可以是浇在农作物上的肥料,也可以是供给燃料电池的原料。2009年,美国俄亥俄大学科学家波特通过电解尿液获得氢气,用于燃料电池。这既可以为汽车提供动力,也可以为家用电器等设备提供能量。波特说:“一头母牛的尿液可以为19个家庭提供足够烧热水的能量,战士们在战场上可以利用自己的尿液作为燃料,而且携带方便。”一个电冰箱大小的尿燃料电池的功率约为1千瓦。美国乔治亚大学的化学家斯蒂科尼教授则说:“一家养鸡场通过鸡的尿液产生的电能足够维持其正常运转。”

不过,该技术本质上仍是利用尿液中的氢。其实,尿液的水中就包含氢。除水以外,尿素是尿液中的主要成分,占2%3%。尿素分子中含有4个氢原子和2个氮原子。将一个特别的镍电极插入到尿液容器中,通上电流后,就会释放出氢气来。但是,电解尿液制氢需要耗费大量电能,代价高昂,不宜推广普及。我从事燃料电池新技术和新材料开发的研究已近20年。我想,能不能利用尿液中的有效成分,不通过电解制氢,直接供给燃料电池产生电能呢?

经过1年多的实验研究,我研究的直接尿素燃料电池终于取得成功。在我们设计的直接尿素燃料电池装置中,加入人的尿液,成功地获得了电能,虽然初始功率只有五号干电池的一半。目前,该研究成果已经申请了专利。2010年,我们的第一个直接尿素燃料电池的研究成果发表在《能源与环境科学》杂志上。

通过直接尿素燃料电池装置,我们实现了“尿素能”的利用。根据计算,一个成年人每年所排出的尿液,按其所包含的“尿素能”计,足以驱动一辆轿车行驶2700千米。也就是说,假如一家人的尿液收集起来发电供家庭轿车使用,那么,汽油费差不多就可以从家庭开支中省去了。

目前,我们的城市废水中含有大量的尿素。如何处理生活污水也是城市发展和环境保护中的一大问题。在很多国家和地区,是否采用节水型的抽水马桶,或者采用什么样的回收水冲洗马桶成为一个重要议题。德国以及北欧一些国家已经采用免冲型的马桶,尿液可以直接收集。利用直接尿素燃料电池,把含有大量尿素的生活污水作为其燃料,或者直接收集人的尿液作为燃料,就可以既产水又发电。根据计算,一栋办公大楼,假设其工作人员有200人,而这些人每天产生的尿液在理论上可以产生约12千瓦时电能,这些电能可以用于大楼的日常照明。

如果能找到合适高效的电极材料,即便是小型直接尿素燃料电池也将有一天变得实用。比如,这种电池可以在偏远地区用来给收音机或电话供电,而且无须携带燃料,只带上一个小型燃料电池就可以了。它还可以为公共厕所提供照明。

此外,这种供电系统应该可以推广到农场,因为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太空飞船、潜艇、大型邮轮以及在沙漠或岛屿等遥远、孤立地区的发电。

面对环境保护、废弃物处理、能源危机等人类社会所面临的巨大问题,人们正在寻找统一兼顾、全面协调的解决办法。尿液数量巨大。尿液的处理需要耗费大量的金钱和能源。如能利用尿液发电,让尿液不再是耗能大户,反而变成产能大户,在石油价格日日攀涨、能源危机日益严重的今天,实在是件振奋人心的大事。

 

(陶善文,英国斯特莱斯克莱德大学教授,博士,世界上第一个直接尿素燃料电池的发明者。)

 

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尿液与磷

早在1675年,有个古怪的德国人叫布兰德。他热衷于炼金术,可是并未炼制出黄金,反而耗尽了家财。一个偶然的机会,布兰德注意到尿液和黄金的颜色相近,他脑海中灵光一闪,认为可以从人的尿液中提炼出黄金,坚信这个实验一旦成功将给他带来巨大财富。他积攒了50桶人尿,在德国汉堡自家的地下室里进行了艰苦的研究。他尝试了各种方法,最后没有得到黄金,但是得到了一种蜡状物质。这种物质能发光,见空气会燃烧。这种物质被命名为磷,1盎司(约合28.3克)磷在当时的价钱相当于今天的3000元人民币。这就是磷元素发现的过程,也是人们从尿液中得到的一笔财富。
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