The Soil Microbial Fuel Κύτταρα (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 καλλιέργεια 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.
Μικροβιακός κυψέλες καυσίμου (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of οργανικές 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.
Οι βιοχημικές αντιδράσεις υπό αερόβιες συνθήκες, για παράδειγμα, για το οξικό ως υπόστρωμα είναι:
ημιαντίδραση οξείδωσης στην άνοδο
CH3ΕΡΩΤΟΛΟΓΏ- + 3Η2O → CO2 +HCO3- + 8Η+ + 8ε-
ημιαντίδραση αναγωγής στην κάθοδο
O 2 2 + 8 Ω + + 8 ε - → 4 Ω 2 O
Σε αναερόβιο περιβάλλον, τα MFC μπορούν να χρησιμοποιήσουν βιοαπόβλητα ως υπόστρωμα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Τα MFC έχουν τη δυνατότητα να χρησιμεύσουν ως λύση σε περιβαλλοντικά ζητήματα αειφόρου ενέργειας, υπερθέρμανση του πλανήτη και διαχείριση βιοαποβλήτων. Έχει μια σταθερή περίπτωση για εφαρμογή σε περιοχές όπου οι κανονικές χημικές μπαταρίες και τα ηλιακά πάνελ δεν ανταποκρίνονται στις προσδοκίες, όπως σε πράσινες υποδομές, λιβάδια, υγροτόπους ή υπόγεια. Σε αυτές τις περιοχές, τα ηλιακά πάνελ δεν λειτουργούν τη νύχτα και συνήθως καλύπτονται από βρωμιά ή βλάστηση, ενώ τα συστατικά του χημικού μπαταρίες leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Κύτταρα (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 εκμεταλλεύσεις.
Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι υπάρχουν για περισσότερο από έναν αιώνα, η πρακτική εφαρμογή των SMFC στο επίπεδο του εδάφους ήταν πολύ περιορισμένη. Επί του παρόντος, δεν υπάρχει SMFC που να μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια με συνέπεια εκτός υδάτινων συνθηκών υψηλής υγρασίας. Η ασυνέπεια στην απόδοση ισχύος αποδίδεται σε διαφορές στις περιβαλλοντικές συνθήκες, την υγρασία του εδάφους, τους τύπους εδάφους, τα μικρόβια που κατοικούν στο έδαφος κ.λπ. αλλά οι αλλαγές στην υγρασία του εδάφους έχουν τη μέγιστη επίδραση στη συνοχή της ισχύος εξόδου. Τα κύτταρα πρέπει να παραμείνουν επαρκώς ενυδατωμένα και οξυγονωμένα για σταθερή απόδοση ισχύος, κάτι που μπορεί να είναι ένα δύσκολο ζήτημα όταν θαφτεί κάτω από το έδαφος σε ξηρή βρωμιά.
Ο σχεδιασμός κάθετης κυψέλης βελτιώνει την απόδοση και κάνει τα SMFC πιο ανθεκτικά στις αλλαγές στην υγρασία του εδάφους.
Μια πρόσφατη μελέτη (που περιλαμβάνει μια επαναληπτική διαδικασία σχεδίασης διάρκειας 2 ετών με συνδυαστικά δεδομένα ανάπτυξης SMFC εννέα μηνών) έχει δοκιμάσει συστηματικά τα σχέδια κυψελών για να καταλήξει σε γενικές κατευθυντήριες γραμμές σχεδιασμού. Η ερευνητική ομάδα δημιούργησε και συνέκρινε τέσσερις διαφορετικές εκδόσεις συμπεριλαμβανομένου του παραδοσιακού σχεδιασμού στον οποίο τόσο η κάθοδος όσο και η άνοδος είναι παράλληλες μεταξύ τους. Ο κατακόρυφος σχεδιασμός (έκδοση 3: προσανατολισμός ανόδου οριζόντιος & προσανατολισμός καθόδου κάθετος) της κυψέλης καυσίμου βρέθηκε να έχει την καλύτερη απόδοση. Λειτουργούσε καλά στο εύρος υγρασίας από κατάσταση πλημμύρας έως κάπως ξηρή κατάσταση.
Σε κατακόρυφο σχεδιασμό, η άνοδος (από άνθρακα για τη σύλληψη των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται από τα βακτήρια) θάβεται στο υγρό έδαφος κάθετα στην επιφάνεια του εδάφους, ενώ η κάθοδος (από αδρανές, αγώγιμο μέταλλο) βρίσκεται κάθετα στην άνοδο οριζόντια στο έδαφος. επίπεδο όπου το οξυγόνο είναι άμεσα διαθέσιμο για την ολοκλήρωση της μισής αντίδρασης αναγωγής.
Η ισχύς εξόδου για το σχεδιασμό ήταν σημαντικά υψηλότερη καθ' όλη τη διάρκεια όταν η κυψέλη πλημμύριζε με νερό. Λειτουργούσε καλά από τελείως υποβρύχια κατάσταση έως κάπως ξηρό (41% νερό κατ' όγκο), ωστόσο είχε υψηλή απαίτηση 41% ογκομετρικής περιεκτικότητας σε νερό (VWC) για να παραμείνει ενεργό.
Αυτή η μελέτη εξετάζει το ερώτημα σχετικά με την πτυχή του σχεδιασμού των SMFC προς τη βελτίωση της συνέπειας και της ανθεκτικότητας στις αλλαγές υγρασίας. Εφόσον οι συγγραφείς έχουν κυκλοφορήσει όλα τα σχέδια, τα σεμινάρια και τα εργαλεία προσομοίωσης στο κοινό για χρήση και αξιοποίηση, ελπίζουμε ότι αυτό θα μεταφραστεί σε ευρύτερες εφαρμογές σε διάφορους τομείς, όπως στη γεωργία ακριβείας στο εγγύς μέλλον.
***
αναφορές:
- Vishwanathan AS, 2021. Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου: μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση για αρχάριους. 3 Βιοτεχνολογία. Μάιος 2021; 11(5): 248. Δημοσιεύθηκε στο διαδίκτυο 01 Μαΐου 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Δέκα Β., et αϊ 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Δημοσιεύθηκε: 12 Ιανουαρίου 2024. Πρακτικά του ACM σχετικά με τις διαδραστικές, κινητές, φορητές και πανταχού παρούσες τεχνολογίες. Τόμος 7 Τεύχος 4Αριθμός άρθρου: 196 σελ. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Πανεπιστήμιο Northwestern. News-Η κυψέλη καυσίμου που τροφοδοτείται από βρωμιά λειτουργεί για πάντα. Δημοσιεύτηκε στις 12 Ιανουαρίου 2024. Διαθέσιμο στο https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
