The Soil Microbial Fuel Клітини (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 сільське господарство 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.
Мікробний паливні елементи (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of органічний 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.
Біохімічні реакції в аеробних умовах, наприклад, для ацетату як субстрату:
напівреакція окислення на аноді
CH3Головний операційний директор- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
напівреакція відновлення на катоді
2 O 2 + 8 H + + 8 е - → 4 год 2 O
В анаеробному середовищі МФЦ можуть використовувати біовідходи як субстрат для виробництва електроенергії.
МФЦ мають потенціал для вирішення екологічних проблем сталої енергетики, глобальне потепління та управління біовідходами. Його можна застосовувати в областях, де звичайні хімічні батареї та сонячні батареї не виправдовують очікувань, наприклад, у зелених інфраструктурах, луках, болотах або під землею. У цих районах сонячні батареї не працюють вночі і зазвичай покриваються брудом або рослинністю, а компоненти хімічних речовин батареї leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Клітини (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 ферм.
Однак, незважаючи на те, що SMFC існують більше століття, практичне застосування SMFC на наземному рівні було дуже обмеженим. В даний час не існує SMFC, який міг би постійно виробляти електроенергію за межами водних умов з високою вологістю. Непослідовність вихідної потужності пояснюється відмінностями в умовах навколишнього середовища, вологості ґрунту, типах ґрунту, мікробах, що населяють ґрунт тощо, але зміни у вологості ґрунту найбільше впливають на постійність вихідної потужності. Клітини повинні залишатися належним чином зволоженими та збагаченими киснем для постійного виходу енергії, що може бути складною проблемою, коли вони поховані під землею в сухому бруді.
Конструкція вертикальної комірки покращує продуктивність і робить SMFC більш стійкими до змін вологості ґрунту.
У нещодавньому дослідженні (включаючи 2-річний ітеративний процес проектування з об’єднаними дев’ятимісячними даними про розгортання SMFC) систематично перевірялися конструкції клітинок, щоб отримати загальні рекомендації щодо проектування. Дослідницька група створила та порівняла чотири різні версії, включаючи традиційну конструкцію, в якій і катод, і анод розташовані паралельно один одному. Вертикальна конструкція (версія 3: орієнтація анода горизонтальна та орієнтація катода перпендикулярна) паливного елемента виявилася найкращою. Він добре працював у діапазоні вологості від затоплених умов до дещо сухих умов.
У вертикальній конструкції анод (зроблений з вуглецю для захоплення електронів, що вивільняються бактеріями) закопують у вологий ґрунт перпендикулярно до поверхні землі, тоді як катод (зроблений з інертного, провідного металу) розташований вертикально поверх анода горизонтально на землі. рівень, коли кисень легко доступний для завершення напівреакції відновлення.
Вихідна потужність для проектування була значно вищою протягом усього періоду, коли клітина була затоплена водою. Він добре працював від повністю підводного стану до дещо сухого (41% води за об’ємом), однак він все ще мав високий рівень об’ємного вмісту води (VWC) у 41%, щоб залишатися активним.
У цьому дослідженні розглядається питання щодо конструктивного аспекту SMFC для покращення узгодженості та стійкості до змін вологи. Оскільки автори оприлюднили всі проекти, навчальні посібники та інструменти моделювання для використання та розробки, ми сподіваємось, що найближчим часом це має стати ширшим застосуванням у різноманітних сферах, наприклад, у точному землеробстві.
***
Список використаної літератури:
- Vishwanathan AS, 2021. Мікробні паливні елементи: всебічний огляд для початківців. 3 Біотехнологія. травень 2021 р.; 11(5): 248. Опубліковано 01 травня 2021 р. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Десять Б., та ін 2024. Обчислення на базі ґрунту: Посібник для інженерів із практичного проектування паливних елементів із мікроорганізмами ґрунту. Опубліковано:12 січня 2024 р. Матеріали ACM про інтерактивні, мобільні, переносні та повсюдні технології. Том 7 Випуск 4Ст.№: 196с.1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Північно-західний університет. Новини - Паливні елементи, що працюють від бруду, працюють вічно. Опубліковано 12 січня 2024 р. Доступно за адресою https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
