Ґрунтове мікробне паливо Клітини (SMFC) використовують природні бактерії в ґрунті для виробництва електроенергії. Будучи довгостроковим, децентралізованим джерелом відновлюваної енергії, SMFC можуть бути постійно розгорнуті для моніторингу різних умов навколишнього середовища в режимі реального часу, а також можуть сприяти зростанню точності сільське господарство і розумні міста. Однак, незважаючи на те, що SMFC існують більше століття, практичне застосування SMFC майже не існувало через непостійність вихідної потужності. Наразі не існує SMFC, який міг би стабільно виробляти електроенергію за межами водних умов з високою вологістю. У недавньому дослідженні дослідники створили та порівняли різні версії дизайну та виявили, що дизайн вертикальної комірки покращує продуктивність і робить SMFC більш стійкими до змін вологості ґрунту.
Мікробний паливні елементи (MFCs) – це біореактори, які виробляють електроенергію шляхом перетворення енергії в хімічних зв’язках органічний сполук в електричну енергію шляхом біокаталізу мікробами. Електрони, вивільнені в анодному відсіку шляхом бактеріального окислення субстрату, переносяться на катод, де вони з’єднуються з іонами кисню та водню.
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 вимиватися в навколишнє середовище. Ґрунтове мікробне паливо Клітини (SMFC) є стійким джерелом енергії в таких областях, як землеробство, пасовища, ліси та пустирі, для живлення пристроїв з низьким енергоспоживанням.
Грунтові мікробні паливні елементи (SMFC) використовують природні бактерії в ґрунті для виробництва електроенергії. За оптимальних умов SMFC можуть виробляти до 200 мкВт потужності з напругою 731 мВ. Як довгострокове, децентралізоване джерело відновлюваної енергії, SMFC можуть бути постійно розгорнуті для моніторингу в реальному часі різноманітних умов навколишнього середовища та розробки політики. Це також може сприяти розвитку розумних міст і 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/
***
