廚餘新生：微生物燃料電池｜星島教室

更新時間：12:08 2025-02-20 HKT
發佈時間：12:08 2025-02-20 HKT

氣候變化已成為全球最重要的威脅之一，影響天氣模式和糧食安全，逼使人們呼籲採取行動。在香港，能源行業是主要因素，超過70%的電力來自燃燒煤炭和天然氣，這導致大量溫室氣體排放，加劇全球變暖。隨着轉型至更清潔能源的逼切需求，可再生能源如風能、太陽能和水電成為可行替代方案，能減少對非可再生能源的依賴。儘管這些技術潛力巨大，卻常常受限於天氣條件，導致電力生成間歇性且不可靠，這凸顯尋找替代解決方案的必要性。「微生物燃料電池」或許是一種有前景的替代方案。

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何謂「微生物燃料電池」

微生物燃料電池（MFC），是利用微生物如細菌和酵母，將有機廢物轉化為電能，從而產生電力。與傳統可再生能源不同，MFC提供了解決能源危機和有機廢物處理問題的獨特機會。廚餘是全球日益嚴重的問題，在香港，根據2024年數據，每天產生約3300噸廚餘，這不僅對環境造成損害，還代表着能源的損失。因此，微生物燃料電池被視為應對氣候變化和改善廚餘管理的潛在解決方案。這項創新技術不僅可減少廢物，還能將其轉化為可再生能源，促進可持續發展。

要充分理解微生物燃料電池的工作原理，首先必須掌握「燃料電池」的基本概念。「燃料電池」是一種將化學能轉化為電能的裝置。通常，燃料電池由兩個部分組成：陽極和陰極。陽極部分是氧化反應發生的地方，而還原反應則發生在陰極部分。這兩個部分通過外部電路連接，允許電子在它們之間流動。此外，還有一個鹽橋連接兩個部分，其內含離子化合物，例如鈉硝酸鹽或鉀硫酸鹽等。這個鹽橋主要有兩個功能：促進離子在兩個部分之間的移動，並幫助維持溶液中的電荷平衡。

結構運作大揭秘

現在，我們深入探討微生物燃料電池的結構和功能。在典型的MFC中，陽極和陰極部分各自安裝有與外部電路連接的電極。通常，銅被用作兩個部分的電極材料。在陽極部分，引入一種來自廚餘的溶液，促進氧化反應的發生。這種溶液富含有機化合物，包括葡萄糖、果糖、乙醇、澱粉和纖維素。廚餘溶液中細菌的存在至關重要，因為這些微生物促進有機材料的分解。通過微生物活動，有機化合物被分解為更簡單的物質，主要是二氧化碳和水。這個分解過程中會釋放出電子作為副產品。

然而，空氣中的氧氣是一種強電子受體。如果電子選擇與氧氣進行反應，電子就不能夠有效地通過電線流向陰極部分來導電。所以，為了防止這種情況發生，陽極部分需要保持密封。

一旦在陽極部分產生電子，這些電子便可通過外部電線流向陰極部分。陰極部分曝露於大氣中，提供充足的氧氣以發生還原反應。在這里，電子與氧氣結合生成水。雖然用外部電線連接兩個部分是必要的，但這並不足以完成電路。鹽橋由琼脂和氯化鉀組成，為閉合電路提供移動的離子。一旦電路閉合，就會產生電流。

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廚餘變電流化學方程式

為了說明微生物燃料電池內部發生的化學反應，我們可以看看以下的方程式，以葡萄糖作為有機基質：

·陽極反應：

C6H12O6 + 4H2O → 2HCO3- + 9H+ + 8e-

·陰極反應：

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

·總反應：

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O

如果廚餘溶液放置更長的時間，內部的葡萄糖和其他相關物質可以氧化生成乙醇，然後再轉化為乙酸，這些也可以用來產生電力。以下方程式，顯示當乙醇和乙酸在燃料電池中存在時，所發生的反應：

·陽極反應：

CH3COO- + 4H2O → 2HCO3- + 9H+ + 8e-

·陰極反應：

2O2 + 8H+ + 8e- → 4H2O

·總反應：

CH3COO- + 2O2 → 2HCO3- + H+

這些過程不僅產生電力，還有效利用有機廢物，將其轉化為資源，而不是讓其造成環境污染。

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「還原醣」搭配燃料電池

研究顯示，富含「還原醣」的廚餘通常會產生更好的結果。例如，香蕉皮、甘蔗、芒果皮已被確定為在MFC中產生能量的優秀者。至於測定食品中還原醣的含量，可以使用本立德試劑。「本立德測試」是一種化學測試，可以用來檢查給定樣品中還原醣的存在。因此，這種測試可以識別含有酮或醛官能基的簡單碳水化合物。

該測試基於本立德試劑，這是一種由檸檬酸鈉、碳酸鈉和五水合硫酸銅（II）配製而成的複雜混合物。在還原醣的作用下，本立德試劑所經歷的反應會形成磚紅色沉澱，這表示本立德試驗為陽性。當還原醣在鹼性環境（如碳酸鈉）中加熱時，會轉化為烯二醇（這是一種相對強的還原劑）。因此，當樣品中存在還原醣時，本立德試劑中的銅（II）離子會被還原為銅（I）離子。這些銅（I）離子與反應混合物形成氧化銅（I），並以磚紅色化合物沉澱出來。樣品中還原醣的濃度越高，試劑的最終顏色就越濃烈。

總括來說，微生物燃料電池為兩個主要的全球問題提供了創新解決方案：氣候變化和廚餘管理。通過利用微生物，這些燃料電池能將有機廢物，特別是食品廢料，轉化為清潔能源，減少對化石燃料的依賴，並解決像香港這樣的城市中產生的巨大廚餘。投資於這項技術可以帶來更清潔、更可持續的未來，使微生物燃料電池在應對氣候變化和促進健康地球方面變得至關重要。