Глебавыя мікробныя паліўныя элементы (SMFC): новы дызайн можа прынесці карысць навакольнаму асяроддзю і фермерам 

Мікробнае паліва глебы Клеткі (SMFC) выкарыстоўваюць натуральныя бактэрыі ў глебе для вытворчасці электрычнасці. З'яўляючыся доўгатэрміновай дэцэнтралізаванай крыніцай аднаўляльнай энергіі, SMFC могуць быць пастаянна разгорнуты для маніторынгу розных умоў навакольнага асяроддзя ў рэжыме рэальнага часу, а таксама могуць спрыяць росту дакладнасці сельская гаспадарка і разумныя гарады. Аднак, нягледзячы на ​​тое, што SMFC існавалі больш за стагоддзе, практычнае прымяненне SMFC амаль не існавала з-за неадпаведнасці выхадной магутнасці. У цяперашні час не існуе SMFC, які можа стабільна выпрацоўваць электраэнергію па-за вадзяністымі ўмовамі з высокай вільготнасцю. У нядаўнім даследаванні даследчыкі стварылі і параўналі розныя версіі дызайну і выявілі, што дызайн вертыкальнай ячэйкі павышае прадукцыйнасць і робіць SMFC больш устойлівымі да змен вільготнасці глебы.   

Мікробны паліўныя элементы (MFCs) - гэта біярэактары, якія вырабляюць электрычнасць шляхам пераўтварэння энергіі ў хімічных сувязях арганічны злучэнняў у электрычную энергію шляхам біякаталізу мікробамі. Электроны, вызваленыя ў анодным адсеку пры бактэрыяльным акісленні падкладкі, перадаюцца на катод, дзе яны злучаюцца з іёнамі кіслароду і вадароду.  

Біяхімічныя рэакцыі ў аэробных умовах, напрыклад, для ацэтату ў якасці субстрата: 

паўрэакцыя акіслення на анодзе 

CH₃Галоўны аперацыйны дырэктар^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ + 8e^-  

паўрэакцыя аднаўлення на катодзе 

Аб 2 ₂ + 8 Н ⁺ + 8 -я ^-   → 4 ч ₂ O 

У анаэробным асяроддзі МФЦ могуць выкарыстоўваць біяадходы ў якасці субстрата для вытворчасці электраэнергіі. 

МФЦ могуць служыць рашэннем экалагічных праблем устойлівай энергетыкі, глабальнае пацяпленне і кіраванне біяадходамі. Ён мае цвёрдыя аргументы для прымянення ў раёнах, дзе звычайныя хімічныя батарэі і сонечныя панэлі не апраўдваюць чаканняў, напрыклад, у зялёных інфраструктурах, лугах, забалочаных угоддзях або пад зямлёй. У гэтых раёнах сонечныя панэлі не працуюць ноччу і звычайна пакрываюцца брудам або расліннасцю, у той час як кампаненты хімічных рэчываў батарэі вымывацца ў навакольнае асяроддзе. Мікробнае паліва глебы Клеткі (SMFC) прыходзяць у якасці ўстойлівай крыніцы энергіі ў такіх раёнах, як сельская гаспадарка, лугі, лясы і пусткі для харчавання прылад з нізкім узроўнем энергіі.  

Глебавыя мікробныя паліўныя элементы (SMFC) выкарыстоўваюць натуральныя бактэрыі ў глебе для вытворчасці электраэнергіі. У аптымальных умовах SMFC могуць вырабляць да 200 мкВт магутнасці з напругай 731 мВ. З'яўляючыся доўгатэрміновай дэцэнтралізаванай крыніцай аднаўляльнай энергіі, SMFC могуць пастаянна разгортвацца для маніторынгу ў рэжыме рэальнага часу розных умоў навакольнага асяроддзя і вядзення палітыкі. Гэта таксама можа спрыяць росту разумных гарадоў і фермы.  

Аднак, нягледзячы на ​​тое, што SMFC існуюць больш за стагоддзе, практычнае прымяненне SMFC на наземным узроўні было вельмі абмежаваным. У цяперашні час не існуе SMFC, які можа стабільна выпрацоўваць электраэнергію па-за вадзяністымі ўмовамі з высокай вільготнасцю. Супярэчлівасць выхадной магутнасці тлумачыцца розніцай ва ўмовах навакольнага асяроддзя, вільготнасці глебы, тыпах глебы, мікробах, якія насяляюць глебу і г.д., але змены вільготнасці глебы ў найбольшай ступені ўплываюць на сталасць выхадной магутнасці. Клеткі павінны заставацца дастаткова ўвільготненымі і насычанымі кіслародам для стабільнай выпрацоўкі энергіі, што можа быць складанай праблемай, калі яны пахаваны пад зямлёй у сухім брудзе.   

Канструкцыя вертыкальнай ячэйкі павышае прадукцыйнасць і робіць SMFC больш устойлівымі да змен вільготнасці глебы.  

Нядаўняе даследаванне (з удзелам 2-гадовага ітэрацыйнага працэсу праектавання з аб'яднанымі дзевяцімесячнымі дадзенымі аб разгортванні SMFC) сістэматычна правярала канструкцыі ячэйкі, каб атрымаць агульныя рэкамендацыі па дызайне. Даследчая група стварыла і параўнала чатыры розныя версіі, уключаючы традыцыйную канструкцыю, у якой катод і анод размешчаны паралельна адзін аднаму. Вертыкальная канструкцыя (версія 3: арыентацыя анода гарызантальная і арыентацыя катода перпендыкулярная) паліўнага элемента была прызнана найбольш эфектыўнай. Ён добра працаваў у дыяпазоне вільготнасці ад паводкі да збольшага сухіх умоў.  

У вертыкальнай канструкцыі анод (зроблены з вугляроду для захопу электронаў, якія выдзяляюцца бактэрыямі) закопваецца ў вільготную глебу перпендыкулярна паверхні зямлі, а катод (зроблены з інэртнага, токаправоднага металу) знаходзіцца вертыкальна на вяршыні анода гарызантальна на зямлі ўзровень, пры якім кісларод лёгка даступны для завяршэння паўрэакцыі аднаўлення.  

Выходная магутнасць для распрацоўкі была значна вышэйшай на працягу ўсяго перыяду, калі клетка была затоплена вадой. Ён працаваў добра ад цалкам падводнага стану да збольшага сухога (41% вады па аб'ёме), аднак яму па-ранейшаму патрабавалася высокае 41% аб'ёмнага ўтрымання вады (VWC), каб заставацца актыўным.  

У гэтым даследаванні разглядаецца пытанне аб аспектах канструкцыі SMFC для паляпшэння кансістэнцыі і ўстойлівасці да змен вільготнасці. Паколькі аўтары выпусцілі ўсе праекты, навучальныя дапаможнікі і інструменты мадэлявання для грамадскасці для выкарыстання і пабудовы, мы спадзяемся, што ў найбліжэйшай будучыні гэта прывядзе да больш шырокага прымянення ў розных галінах, напрыклад, у дакладным земляробстве.  

*** 

Спасылкі:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Мікробныя паліўныя элементы: поўны агляд для пачаткоўцаў. 3 Біятэхналогія. травень 2021 г.; 11(5): 248. Апублікавана ў Інтэрнэце 01 мая 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Дзесяць Б., і інш 2024. Вылічэнні, якія працуюць на глебе: Кіраўніцтва інжынера па практычнай канструкцыі глебавых мікробных паліўных элементаў. Апублікавана:12 студзеня 2024 г. Працы ACM па інтэрактыўных, мабільных, носных і паўсюдных тэхналогіях. Том 7 Выпуск 4 Арт.: 196с. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Паўночна-заходні ўніверсітэт. Навіны - Паліўны элемент, які працуе ад бруду, працуе вечна. Апублікавана 12 студзеня 2024 г. Даступна па адрасе https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***