The Soil Microbial Fuel Komórki (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and can also contribute to the growth of precision rolnictwo and smart cities. However, despite being in existence for over a century, the practical application of SMFCs has been nearly non-existent due to inconsistency in power output. Currently, there is no SMFC that can generate electricity consistently outside high moisture watery conditions. In a recent study, the researchers created and compared different design versions and found that the vertical cell design improves performance and makes SMFCs more resilient to changes in soil moisture.
Drobnoustroje ogniwa paliwowe (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of organiczny compounds into electrical energy through biocatalysis by microbes. The electrons released in the anode compartment by bacterial oxidation of substrate are transferred to cathode where they combine with oxygen and hydrogen ions.
Reakcje biochemiczne w warunkach tlenowych, na przykład dla octanu jako substratu, są następujące:
półreakcja utleniania na anodzie
CH3GRUCHAĆ- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
reakcja połowiczna redukcji na katodzie
2 O 2 + 8H + + 8 e - → 4 godz 2 O
W środowisku beztlenowym MFC mogą wykorzystywać bioodpady jako substrat do produkcji energii elektrycznej.
MFC mają potencjał, aby służyć jako rozwiązanie problemów środowiskowych związanych ze zrównoważoną energią, globalne ocieplenie i gospodarowanie bioodpadami. Ma solidne podstawy do zastosowania w obszarach, w których zwykłe baterie chemiczne i panele słoneczne nie spełniają oczekiwań, takich jak zielona infrastruktura, łąki, tereny podmokłe lub pod ziemią. Na tych obszarach panele słoneczne nie działają w nocy i zwykle są pokryte brudem lub roślinnością zawierającą substancje chemiczne baterie leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Komórki (SMFCs) come as a sustainable source of energy in such areas in farming, grassland, forest and wasteland to power low energy devices.
The Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. Under optimal conditions, SMFCs can produce up to 200 μW of power with a voltage of 731 mV. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and guide policy. These can also contribute to the growth of smart cities and gospodarstw.
Jednakże pomimo istnienia od ponad stu lat, praktyczne zastosowanie SMFC na poziomie gruntu jest bardzo ograniczone. Obecnie nie ma SMFC, które byłoby w stanie stale wytwarzać energię elektryczną poza wodnistymi warunkami o dużej wilgotności. Niespójność w mocy wyjściowej przypisuje się różnicom w warunkach środowiskowych, wilgotności gleby, rodzajach gleby, drobnoustrojach zamieszkujących glebę itp., ale zmiany wilgotności gleby mają największy wpływ na stałość mocy wyjściowej. Ogniwa muszą pozostać odpowiednio nawodnione i dotlenione, aby zapewnić stałą moc wyjściową, co może być trudnym problemem, gdy są zakopane pod ziemią w suchym brudzie.
Konstrukcja komórek pionowych poprawia wydajność i sprawia, że SMFC są bardziej odporne na zmiany wilgotności gleby.
W niedawnym badaniu (obejmującym dwuletni, iteracyjny proces projektowania z połączonymi danymi dotyczącymi wdrażania SMFC z dziewięciu miesięcy) systematycznie testowano projekty ogniw w celu uzyskania ogólnych wytycznych projektowych. Zespół badawczy stworzył i porównał cztery różne wersje, w tym wersję tradycyjną, w której katoda i anoda są do siebie równoległe. Stwierdzono, że konstrukcja pionowa (wersja 2: orientacja anody pozioma i orientacja katody prostopadle) ogniwa paliwowego jest najskuteczniejsza. Sprawdził się dobrze w zakresie wilgotności od stanu zalanego do nieco suchego.
W konstrukcji pionowej anoda (wykonana z węgla w celu wychwytywania elektronów uwalnianych przez bakterie) jest zakopana w wilgotnej glebie prostopadle do powierzchni ziemi, podczas gdy katoda (wykonana z obojętnego, przewodzącego metalu) jest umieszczona pionowo na anodzie poziomo przy ziemi poziom, na którym tlen jest łatwo dostępny do zakończenia połowicznej reakcji redukcji.
Projektowana moc wyjściowa była znacznie wyższa przez cały czas zalewania ogniwa wodą. Działał dobrze od stanu całkowicie podwodnego do nieco suchego (41% objętości wody), jednak nadal wymagał wysokiej, 41% objętościowej zawartości wody (VWC), aby pozostać aktywny.
Niniejsze badanie odpowiada na pytanie dotyczące aspektów konstrukcyjnych SMFC w kierunku poprawy konsystencji i odporności na zmiany wilgoci. Miejmy nadzieję, że ponieważ autorzy udostępnili publicznie wszystkie projekty, samouczki i narzędzia symulacyjne do wykorzystania i rozbudowy, powinno to w najbliższej przyszłości przełożyć się na szersze zastosowania w różnych obszarach, takich jak rolnictwo precyzyjne.
***
Referencje:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe: kompleksowa recenzja dla początkujących. 3 Biotechnologia. 2021 maj; 11(5): 248. Opublikowano w internecie 01 maja 2021 r. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Dziesięć B., i wsp 2024. Obliczenia zasilane z gleby: Przewodnik inżyniera po praktycznym projektowaniu mikrobiologicznych ogniw paliwowych w glebie. Opublikowano: 12 stycznia 2024 r. Postępowania ACM dotyczące technologii interaktywnych, mobilnych, przenośnych i wszechobecnych. Tom 7 Wydanie 4 Nr artykułu: 196 s. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Uniwersytet Północno-Zachodni. Wiadomości-Ogniwo paliwowe zasilane brudem działa wiecznie. Opublikowano 12 stycznia 2024 r. Dostępne pod adresem https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
