The Soil Microbial Fuel Клетки (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 сельское хозяйство 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.
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
CH3Главный операционный директор- + 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 leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Клетки (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 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:
- 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
- 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
- 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/
