Combustibilul microbian din sol Celule (SMFC) folosesc bacterii care apar în mod natural în sol pentru a genera electricitate. Fiind o sursă descentralizată de energie regenerabilă pe termen lung, SMFC-urile ar putea fi desfășurate permanent pentru monitorizarea în timp real a diferitelor condiții de mediu și pot contribui, de asemenea, la creșterea preciziei. agricultură și orașe inteligente. Cu toate acestea, în ciuda existenței de peste un secol, aplicarea practică a SMFC-urilor a fost aproape inexistentă din cauza inconsecvenței în puterea de ieșire. În prezent, nu există niciun SMFC care să poată genera energie electrică în mod constant în afara condițiilor apoase cu umiditate ridicată. Într-un studiu recent, cercetătorii au creat și comparat diferite versiuni de design și au descoperit că designul celulei verticale îmbunătățește performanța și face ca SMFC să fie mai rezistente la schimbările de umiditate a solului.
microbian celule de combustibil (MFC) sunt bioreactoare care produc energie electrică prin conversia energiei în legăturile chimice ale organic compuși în energie electrică prin biocataliză de către microbi. Electronii eliberați în compartimentul anodic prin oxidarea bacteriană a substratului sunt transferați la catod unde se combină cu ioni de oxigen și hidrogen.
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 și gestionarea deșeurilor biologice. Are un caz solid pentru aplicare în zonele în care bateriile chimice obișnuite și panourile solare nu corespund așteptărilor, cum ar fi infrastructurile verzi, pajiștile, zonele umede sau subterane. În aceste zone, panourile solare nu funcționează noaptea și, de obicei, sunt acoperite de murdărie sau vegetații în timp ce constituenții chimici. baterii se scurge în mediu. Combustibilul microbian din sol Celule (SMFC) sunt o sursă durabilă de energie în astfel de zone din agricultură, pășuni, păduri și terenuri pustii pentru a alimenta dispozitive cu energie redusă.
Celulele de combustie microbiană din sol (SMFC) folosesc bacterii care apar în mod natural în sol pentru a genera electricitate. În condiții optime, SMFC-urile pot produce până la 200 μW de putere cu o tensiune de 731 mV. Fiind o sursă descentralizată de energie regenerabilă pe termen lung, SMFC-urile ar putea fi desfășurate în permanență pentru monitorizarea în timp real a diferitelor condiții de mediu și orientarea politicii. Acestea pot contribui, de asemenea, la creșterea orașelor inteligente și 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/
***
