The Soil Microbial Fuel Cells (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 agricultură 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.
microbian celule de combustibil (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of organic 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.
Reacțiile biochimice în condiții aerobe, de exemplu, pentru acetat ca substrat sunt:
semireacția de oxidare pe anod
CH3GÂNGURI- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ + 8e-
semireacție de reducere pe catod
2 O 2 + 8 ore + + A 8-a - → 4 ore 2 O
În mediul anaerob, MFC-urile pot folosi deșeurile biologice ca substrat pentru a produce energie electrică.
MFC-urile au potențialul de a servi ca o soluție la problemele de mediu ale energiei durabile, încălzirii globale and biowaste management. It has a solid case for application in areas where regular chemical batteries and solar panels fall short of expectation such as in green infrastructures, grasslands, wetlands, or underground. In these areas, solar panels do not work in night and usually get covered by dirt or vegetations while constituents of chemical baterii leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Cells (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 ferme.
Cu toate acestea, în ciuda existenței de peste un secol, aplicarea practică a SMFC la nivelul solului a fost foarte limitată. În prezent, nu există niciun SMFC care să poată genera energie electrică în mod constant în afara condițiilor apoase cu umiditate ridicată. Inconsecvența în puterea de ieșire este atribuită diferențelor de condiții de mediu, umiditatea solului, tipurile de sol, microbii care locuiesc în sol etc., dar modificările umidității solului au o influență maximă asupra consistenței puterii de ieșire. Celulele trebuie să rămână adecvat hidratate și oxigenate pentru o putere constantă, ceea ce poate fi o problemă dificilă atunci când sunt îngropate sub pământ în murdărie uscată.
Designul celulei verticale îmbunătățește performanța și face ca SMFC să fie mai rezistente la schimbările de umiditate a solului.
Un studiu recent (care implică un proces de proiectare iterativ de 2 ani cu o combinație de nouă luni de date de implementare SMFC) a testat sistematic modelele de celule pentru a ajunge la linii directoare generale de proiectare. Echipa de cercetare a creat și comparat patru versiuni diferite, inclusiv designul tradițional în care atât catodul, cât și anodul sunt paralele unul cu celălalt. Designul vertical (versiunea 3: orientarea anodului orizontală și orientarea catodului perpendiculară) al celulei de combustie sa dovedit a fi cel mai performant. A funcționat bine în intervalul de umiditate, de la starea inundată la starea oarecum uscată.
În proiectarea verticală, anodul (făcut din carbon pentru a capta electronii eliberați de bacterii) este îngropat în solul umed perpendicular pe suprafața solului, în timp ce catodul (făcut dintr-un metal inert, conductor) se așează vertical deasupra anodului, orizontal la sol. nivel în care oxigenul este ușor disponibil pentru finalizarea semireacției de reducere.
Puterea de ieșire pentru proiectare a fost semnificativ mai mare pe toată durata când celula a fost inundată cu apă. A funcționat bine de la starea complet subacvatică până la oarecum uscată (41% apă în volum), totuși avea încă o cerință ridicată de 41% conținut volumetric de apă (VWC) pentru a rămâne activ.
Acest studiu abordează întrebarea cu privire la aspectul de proiectare al SMFC-urilor pentru îmbunătățirea consistenței și rezistenței la schimbările de umiditate. Deoarece autorii au lansat publicului toate modelele, tutorialele și instrumentele de simulare pentru a le utiliza și a se construi, sperăm că acest lucru ar trebui să se traducă în aplicații mai largi în diverse domenii, cum ar fi agricultura de precizie în viitorul apropiat.
***
Referinte:
- Vishwanathan AS, 2021. Pile de combustibil microbiene: o revizuire cuprinzătoare pentru începători. 3 Biotehnologie. 2021 mai; 11(5): 248. Publicat online 01 mai 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Zece B., et al 2024. Soil-Powered Computing: Ghidul inginerului pentru proiectarea practică a celulelor de combustie microbiană a solului. Publicat:12 ianuarie 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. Volumul 7 Numărul 4Articol Nr.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Universitatea Northwestern. Știri-Pilota de combustibil alimentată cu murdărie funcționează pentru totdeauna. Postat pe 12 ianuarie 2024. Disponibil la https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
