Dirvožemio mikrobų kuro elementai (SMFC): naujas dizainas gali būti naudingas aplinkai ir ūkininkams 

The Soil Microbial Fuel Ląstelės (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 žemės ūkis 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.   

Mikrobai kuro elementai (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of organinis 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.  

Biocheminės reakcijos aerobinėmis sąlygomis, pavyzdžiui, acetatui kaip substratui, yra: 

Oksidacijos pusinė reakcija ant anodo 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ +8e^-  

redukcijos pusinė reakcija ant katodo 

2 m ₂ + 8H ⁺ + 8 ^-   → 4 H. ₂ O 

Anaerobinėje aplinkoje MFC gali naudoti biologines atliekas kaip substratą elektrai gaminti. 

MFC gali padėti išspręsti tvarios energijos aplinkosaugos problemas, globalinis atšilimas ir biologinių atliekų tvarkymas. Jis puikiai tinka naudoti tose vietose, kur įprastos cheminės baterijos ir saulės baterijos neatitinka lūkesčių, pavyzdžiui, žaliojoje infrastruktūroje, pievose, pelkėse ar po žeme. Šiose vietose saulės baterijos neveikia naktį ir dažniausiai būna padengtos nešvarumų ar augmenijos, o jose yra cheminių medžiagų. baterijos leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Ląstelės (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 ūkiuose.  

Tačiau, nepaisant to, kad jie egzistuoja daugiau nei šimtmetį, praktinis SMFC taikymas žemės lygyje buvo labai ribotas. Šiuo metu nėra SMFC, kuris galėtų nuolat generuoti elektros energiją ne didelės drėgmės sąlygomis. Galios nenuoseklumas yra susijęs su aplinkos sąlygų skirtumais, dirvožemio drėgme, dirvožemio tipais, dirvožemyje gyvenančiais mikrobais ir kt., tačiau dirvožemio drėgmės pokyčiai turi didžiausią įtaką išeinančios galios pastovumui. Ląstelės turi išlikti pakankamai hidratuotos ir prisotintos deguonimi, kad būtų pastovi galia, o tai gali būti sudėtinga problema, kai jos yra palaidotos po žeme sausame purve.   

Vertikali ląstelių konstrukcija pagerina našumą ir daro SMFC atsparesnius dirvožemio drėgmės pokyčiams.  

Neseniai atliktame tyrime (su 2 metų trukmės kartotiniu projektavimo procesu su bendrais devynių mėnesių SMFC diegimo duomenimis) buvo sistemingai išbandytas ląstelių dizainas, siekiant gauti bendrąsias projektavimo gaires. Mokslininkų komanda sukūrė ir palygino keturias skirtingas versijas, įskaitant tradicinį dizainą, kuriame katodas ir anodas yra lygiagrečiai vienas kitam. Nustatyta, kad vertikalus kuro elemento dizainas (3 versija: anodo orientacija horizontaliai ir katodo orientacija statmena) buvo geriausiai veikianti. Jis gerai veikė esant drėgnoms sąlygoms nuo užtvindytų iki šiek tiek sausų sąlygų.  

Vertikalios konstrukcijos anodas (pagamintas iš anglies, kad gautų bakterijų išskiriamus elektronus) yra palaidotas drėgnoje dirvoje statmenai žemės paviršiui, o katodas (pagamintas iš inertiško, laidžiojo metalo) yra vertikaliai ant anodo, horizontaliai prie žemės. lygis, kuriame deguonis yra lengvai prieinamas redukcijos pusės reakcijai užbaigti.  

Projektavimo galia buvo žymiai didesnė visą laiką, kai elementas buvo užtvindytas vandeniu. Jis veikė gerai nuo visiškai povandeninės būklės iki šiek tiek sauso (41 % vandens pagal tūrį), tačiau vis tiek turėjo aukštą 41 % tūrinio vandens kiekio (VWC) reikalavimą, kad jis išliktų aktyvus.  

Šiame tyrime nagrinėjamas klausimas dėl SMFC projektavimo aspekto, siekiant pagerinti nuoseklumą ir atsparumą drėgmės pokyčiams. Kadangi autoriai išleido visus dizainus, mokymo programas ir modeliavimo įrankius visuomenei, kad jie galėtų naudoti ir remtis, tikimasi, kad artimiausiu metu tai turėtų būti pritaikyta plačiau įvairiose srityse, pavyzdžiui, tiksliajame ūkininkavime.  

*** 

Nuorodos:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiniai kuro elementai: išsami apžvalga pradedantiesiems. 3 Biotechnologijos. 2021 m. gegužės mėn.; 11(5): 248. Paskelbta internete 01 m. gegužės 2021 d. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Dešimt B., et al 2024. Dirvožemio varomas kompiuteris: Praktinio dirvožemio mikrobų kuro elementų projektavimo inžinieriaus vadovas. Paskelbta: 12 m. sausio 2024 d. ACM byla dėl interaktyvių, mobiliųjų, nešiojamų ir visur naudojamų technologijų. 7 tomas 4 leidimas Straipsnio Nr.: 196psl 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Šiaurės Vakarų universitetas. Naujienos – purvu varomas kuro elementas veikia amžinai. Paskelbta 12 m. sausio 2024 d https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***