Mulla mikroobne kütus Rakke (SMFC-d) kasutavad elektri tootmiseks mullas looduslikult esinevaid baktereid. Pikaajalise detsentraliseeritud taastuvenergia allikana saab SMFC-sid pidevalt kasutada erinevate keskkonnatingimuste reaalajas jälgimiseks ja need võivad samuti aidata kaasa täpsuse kasvule. põllumajandus ja targad linnad. Vaatamata sellele, et SMFC-d on eksisteerinud juba üle sajandi, on SMFC-de praktiline rakendamine olnud väljundvõimsuse ebaühtluse tõttu peaaegu olematu. Praegu pole ühtegi SMFC-d, mis suudaks pidevalt elektrit toota väljaspool kõrge niiskusega vesiseid tingimusi. Hiljutises uuringus lõid ja võrdlesid teadlased erinevaid disainiversioone ning leidsid, et vertikaalne rakukujundus parandab jõudlust ja muudab SMFC-d mulla niiskuse muutuste suhtes vastupidavamaks.
Mikroobne kütuseelemendid (MFC-d) on bioreaktorid, mis toodavad elektrit, muundades energiat keemilistes sidemetes orgaaniline ühendid elektrienergiaks mikroobide biokatalüüsi teel. Substraadi bakteriaalsel oksüdatsioonil anoodikambris vabanenud elektronid kantakse üle katoodile, kus nad ühinevad hapniku ja vesiniku ioonidega.
Biokeemilised reaktsioonid aeroobsetes tingimustes, näiteks atsetaadi kui substraadi korral, on järgmised:
oksüdatsiooni poolreaktsioon anoodil
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
redutseerimise poolreaktsioon katoodil
2 O 2 + 8H + + 8 - → 4H 2 O
Anaeroobses keskkonnas saavad MFC-d kasutada biojäätmeid elektri tootmiseks substraadina.
MFC-del on potentsiaali olla lahendus säästva energia keskkonnaprobleemidele, globaalse soojenemise ja biojäätmete käitlemine. Sellel on kindel ümbris kasutamiseks piirkondades, kus tavalised keemiapatareid ja päikesepaneelid ei vasta ootustele, näiteks rohelistes infrastruktuurides, rohumaadel, märgaladel või maa all. Nendes piirkondades päikesepaneelid öösel ei tööta ja on tavaliselt kaetud mustuse või taimestikuga, samas kui need on kemikaalide koostisosad. patareid leostuda keskkonda. Mulla mikroobne kütus Rakke (SMFC-d) on säästev energiaallikas sellistes piirkondades põllumajanduses, rohumaadel, metsas ja tühermaal, et toita vähese energiatarbega seadmeid.
Mulla mikroobide kütuseelemendid (SMFC) kasutavad elektri tootmiseks mullas looduslikult esinevaid baktereid. Optimaalsetes tingimustes suudavad SMFC-d toota kuni 200 μW võimsust 731 mV pingega. Pikaajalise detsentraliseeritud taastuvenergia allikana saaks SMFC-sid pidevalt kasutada erinevate keskkonnatingimuste reaalajas jälgimiseks ja poliitika suunamiseks. Need võivad aidata kaasa ka nutikate linnade kasvule ja talud.
Vaatamata sellele, et need on eksisteerinud juba üle sajandi, on SMFC-de praktiline rakendamine maapinnal olnud väga piiratud. Praegu pole ühtegi SMFC-d, mis suudaks pidevalt elektrit toota väljaspool kõrge niiskusega vesiseid tingimusi. Väljundvõimsuse ebaühtlus on tingitud erinevustest keskkonnatingimustes, mulla niiskuses, mullatüüpides, pinnases elavates mikroobides jne, kuid mulla niiskuse muutused mõjutavad maksimaalselt väljundvõimsuse püsivust. Rakud peavad jääma piisavalt hüdreeritud ja hapnikuga varustatud, et tagada ühtlane võimsus, mis võib olla keeruline probleem, kui maetakse maa alla kuiva mustusesse.
Vertikaalne rakukujundus parandab jõudlust ja muudab SMFC-d vastupidavamaks mulla niiskuse muutustele.
Hiljutine uuring (mis hõlmas 2-aastast iteratiivset projekteerimisprotsessi koos üheksa kuu SMFC juurutusandmetega) on süstemaatiliselt testinud rakukujundusi, et jõuda üldiste projekteerimisjuhisteni. Uurimisrühm lõi ja võrdles nelja erinevat versiooni, sealhulgas traditsioonilist disaini, milles nii katood kui ka anood on üksteisega paralleelsed. Kütuseelemendi vertikaalne konstruktsioon (versioon 3: anoodi orientatsioon horisontaalne ja katoodi orientatsioon risti) osutus kõige paremini toimivaks. See töötas hästi niiskusvahemikus üleujutatud tingimustest mõnevõrra kuivani.
Vertikaalse konstruktsiooni korral maetakse anood (valmistatud süsinikust bakterite poolt vabanevate elektronide püüdmiseks) niiskesse pinnasesse maapinnaga risti, katood (valmistatud inertsest juhtivast metallist) asetseb aga vertikaalselt anoodi kohal horisontaalselt maapinnal. tase, kus hapnik on redutseerimise poolreaktsiooni lõpuleviimiseks kergesti kättesaadav.
Disaini väljundvõimsus oli kogu aja jooksul oluliselt suurem, kui element oli veega üle ujutatud. See töötas hästi täiesti veealusest seisundist kuni mõnevõrra kuivani (41% vett mahust), kuid sellel oli endiselt kõrge 41% mahulise veesisalduse (VWC) nõue, et jääda aktiivseks.
See uuring käsitleb küsimust, mis puudutab SMFC-de disaini aspekti, et parandada järjepidevust ja vastupidavust niiskuse muutustele. Kuna autorid on avalikustanud kõik kujundused, õpetused ja simulatsioonitööriistad, mida kasutada ja millele edasi arendada, peaks see loodetavasti lähitulevikus levima laiemale rakendusele erinevates valdkondades, näiteks täppisviljeluses.
***
viited:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikroobsed kütuseelemendid: põhjalik ülevaade algajatele. 3 Biotehnoloogia. 2021 mai; 11(5): 248. Avaldatud veebis 01. mail 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Kümme B., et al 2024. Mulla jõul töötav andmetöötlus: inseneri juhend praktiliseks mulla mikroobide kütuseelementide projekteerimiseks. Avaldatud: 12. jaanuar 2024. ACM-i toimetised interaktiivsete, mobiilsete, kantavate ja kõikjal kasutatavate tehnoloogiate kohta. 7. köide 4. väljaanne Artikli nr: 196 lk 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwesterni ülikool. Uudised – mustuse jõul töötav kütuseelement töötab igavesti. Postitatud 12. jaanuaril 2024. Saadaval aadressil https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
