Почвенные микробные топливные элементы (SMFC): новая конструкция может принести пользу окружающей среде и фермерам 

Почвенное микробное топливо Клетки (SMFC) используют природные бактерии в почве для выработки электроэнергии. В качестве долгосрочного децентрализованного источника возобновляемой энергии SMFC могут постоянно использоваться для мониторинга различных условий окружающей среды в реальном времени, а также могут способствовать повышению точности. сельское хозяйство и умные города. Однако, несмотря на то, что SMFC существуют уже более века, практическое применение SMFC практически отсутствует из-за несоответствия выходной мощности. В настоящее время не существует SMFC, который мог бы постоянно генерировать электроэнергию за пределами водных условий с высокой влажностью. В недавнем исследовании ученые создали и сравнили различные варианты конструкции и обнаружили, что конструкция с вертикальными ячейками повышает производительность и делает SMFC более устойчивыми к изменениям влажности почвы.   

микробный топливные элементы (МФЦ) — это биореакторы, которые производят электроэнергию путем преобразования энергии в химических связях органический соединения в электрическую энергию посредством биокатализа микробами. Электроны, высвобождаемые в анодном отделении в результате бактериального окисления субстрата, переносятся на катод, где соединяются с ионами кислорода и водорода.  

Биохимические реакции в аэробных условиях, например, для ацетата в качестве субстрата: 

полуреакция окисления на аноде 

CH₃COO^- + 3H₂О → СО₂ +ОЗ₃^- + 8H⁺ + 8e^-  

полуреакция восстановления на катоде 

2 О ₂ + 8H ⁺ + 8 e ^-   → 4 часа ₂ O 

В анаэробной среде МФЦ могут использовать биологические отходы в качестве субстрата для производства электроэнергии. 

МФЦ имеют потенциал служить решением экологических проблем устойчивой энергетики. глобальное потепление и управление биологическими отходами. У него есть все основания для применения в тех областях, где обычные химические батареи и солнечные панели не оправдывают ожиданий, например, в зеленой инфраструктуре, на лугах, водно-болотных угодьях или под землей. В этих районах солнечные панели не работают ночью и обычно покрываются грязью или растительностью, в то время как химические вещества батареи выщелачиваться в окружающую среду. Почвенное микробное топливо Клетки (SMFC) служат устойчивым источником энергии в таких областях, как сельское хозяйство, луга, леса и пустоши, для питания малоэнергетических устройств.  

Почвенные микробные топливные элементы (SMFC) используют естественные бактерии в почве для выработки электроэнергии. В оптимальных условиях SMFC могут производить мощность до 200 мкВт при напряжении 731 мВ. В качестве долгосрочного децентрализованного источника возобновляемой энергии SMFC могут постоянно использоваться для мониторинга различных условий окружающей среды в реальном времени и определения политики. Это также может способствовать развитию умных городов и фермах.  

Однако, несмотря на то, что SMFC существуют уже более века, практическое применение SMFC на уровне земли было очень ограниченным. В настоящее время не существует SMFC, который мог бы постоянно генерировать электроэнергию за пределами водных условий с высокой влажностью. Непостоянство выходной мощности объясняется различиями в условиях окружающей среды, влажности почвы, типах почвы, населяющих почву микробах и т. д., но изменения влажности почвы оказывают максимальное влияние на постоянство выходной мощности. Клетки должны оставаться достаточно гидратированными и насыщенными кислородом для обеспечения постоянной выходной мощности, что может стать серьезной проблемой, если они похоронены под землей в сухой земле.   

Вертикальная конструкция ячейки повышает производительность и делает SMFC более устойчивыми к изменениям влажности почвы.  

Недавнее исследование (включающее двухлетний итеративный процесс проектирования с совокупными данными о развертывании SMFC за девять месяцев) систематически проверяло конструкции ячеек, чтобы прийти к общим рекомендациям по проектированию. Исследовательская группа создала и сравнила четыре различные версии, включая традиционную конструкцию, в которой катод и анод расположены параллельно друг другу. Вертикальная конструкция (версия 2: ориентация анода горизонтальная и ориентация катода перпендикулярная) топливного элемента оказалась наиболее эффективной. Он хорошо работал в диапазоне влажности: от затопления до несколько засушливых условий.  

В вертикальной конструкции анод (сделанный из углерода для захвата электронов, выделяемых бактериями) закапывается во влажную почву перпендикулярно поверхности земли, а катод (сделанный из инертного проводящего металла) располагается вертикально над анодом горизонтально на земле. уровень, при котором кислород легко доступен для завершения полуреакции восстановления.  

Выходная мощность для проектирования была значительно выше на протяжении всего времени, когда ячейка была затоплена водой. Он хорошо работал от полностью подводного состояния до несколько сухого (41% воды по объему), однако для сохранения активности ему по-прежнему требовалось высокое объемное содержание воды (VWC) 41%.  

В этом исследовании рассматривается вопрос, касающийся конструктивного аспекта SMFC, направленного на улучшение консистенции и устойчивости к изменениям влажности. Поскольку авторы опубликовали все проекты, учебные пособия и инструменты моделирования, которые можно использовать и развивать, мы надеемся, что в ближайшем будущем это должно найти более широкое применение в различных областях, таких как точное земледелие.  

Ссылки:  

1. Вишванатан А.С., 2021. Микробные топливные элементы: подробный обзор для новичков. 3 Биотехнологии. 2021 май; 11(5): 248. Опубликовано в Интернете 01 мая 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Тен Б., и др. 2024. Почвенные вычисления: Руководство инженера по практическому проектированию почвенных микробных топливных элементов. Опубликовано: 12 января 2024 г. Труды ACM по интерактивным, мобильным, носимым и повсеместным технологиям. Том 7, выпуск 4, статья №: 196, стр. 1–40. ДОИ: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Северо-Западный университет. Новости-Топливный элемент, работающий на грязи, работает вечно. Опубликовано 12 января 2024 г. Доступно по адресу: https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/