Mikrobno gorivo tal Celice (SMFC) za proizvodnjo električne energije uporabljajo naravno prisotne bakterije v tleh. Kot dolgoročen, decentraliziran vir obnovljive energije bi lahko SMFC nenehno uporabljali za spremljanje različnih okoljskih pogojev v realnem času in lahko prispevajo tudi k povečanju natančnosti. kmetovanje in pametna mesta. Kljub temu, da obstajajo že več kot stoletje, praktične uporabe SMFC skorajda ni bilo zaradi nedoslednosti v izhodni moči. Trenutno ni SMFC, ki bi lahko dosledno proizvajal elektriko zunaj vodnih pogojev z visoko vlažnostjo. V nedavni študiji so raziskovalci ustvarili in primerjali različne različice zasnove ter ugotovili, da navpična zasnova celic izboljšuje zmogljivost in naredi SMFC bolj odporne na spremembe vlažnosti tal.
Mikrobni gorivne celice (MFC) so bioreaktorji, ki proizvajajo elektriko s pretvarjanjem energije v kemičnih vezeh organsko spojin v električno energijo z biokatalizo mikrobov. Elektroni, ki se sproščajo v anodnem prostoru zaradi bakterijske oksidacije substrata, se prenesejo na katodo, kjer se združijo s kisikovimi in vodikovimi ioni.
Biokemične reakcije v aerobnih pogojih, na primer za acetat kot substrat, so:
oksidacijska polovična reakcija na anodi
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
redukcijska polovična reakcija na katodi
2 O. 2 + 8H + + 8 - → 4H 2 O
V anaerobnem okolju lahko MFC uporabljajo biološke odpadke kot substrat za proizvodnjo električne energije.
MFC lahko služijo kot rešitev za okoljska vprašanja trajnostne energije, globalno segrevanje in ravnanje z biološkimi odpadki. Ima trden primer za uporabo na območjih, kjer običajne kemične baterije in sončni kolektorji ne izpolnjujejo pričakovanj, na primer v zeleni infrastrukturi, travnikih, mokriščih ali pod zemljo. Na teh območjih sončni kolektorji ne delujejo ponoči in jih običajno prekrije umazanija ali rastlinje, medtem ko sestavine kemikalij baterije izpirati v okolje. Mikrobno gorivo tal Celice (SMFC) so trajnostni vir energije na območjih kmetijstva, travnikov, gozdov in puščav za napajanje nizkoenergijskih naprav.
Gorivne celice iz talnih mikrobov (SMFC) za proizvodnjo električne energije uporabljajo naravno prisotne bakterije v tleh. V optimalnih pogojih lahko SMFC proizvedejo do 200 μW moči z napetostjo 731 mV. Kot dolgoročni, decentralizirani vir obnovljive energije bi lahko SMFC stalno uporabljali za spremljanje različnih okoljskih pogojev v realnem času in usmerjali politiko. Ti lahko prispevajo tudi k rasti pametnih mest in kmetijah.
Kljub temu, da obstajajo že več kot stoletje, je bila praktična uporaba SMFC na tleh zelo omejena. Trenutno ni SMFC, ki bi lahko dosledno proizvajal elektriko zunaj vodnih pogojev z visoko vlažnostjo. Nekonsistentnost v izhodni moči se pripisuje razlikam v okoljskih pogojih, vlažnosti tal, vrstah tal, mikrobih, ki naseljujejo tla itd., vendar spremembe v vlagi tal najbolj vplivajo na doslednost izhodne moči. Celice morajo ostati ustrezno hidrirane in nasičene s kisikom za dosledno izhodno moč, kar je lahko težavno vprašanje, ko so zakopane pod zemljo v suhi umazaniji.
Navpična zasnova celic izboljšuje zmogljivost in naredi SMFC bolj odporne na spremembe vlažnosti tal.
Nedavna študija (vključuje 2-letni iterativni proces načrtovanja s kombiniranimi devetimi meseci podatkov o uvajanju SMFC) je sistematično testirala zasnove celic, da bi prišla do splošnih smernic za načrtovanje. Raziskovalna skupina je ustvarila in primerjala štiri različne različice, vključno s tradicionalno zasnovo, pri kateri sta katoda in anoda vzporedni druga drugi. Ugotovljeno je bilo, da je navpična zasnova (različica 3: orientacija anode vodoravna in orientacija katode pravokotna) gorivne celice najbolj uspešna. Dobro je deloval v razponu vlažnosti od poplavljenega do nekoliko suhega stanja.
Pri navpični zasnovi je anoda (narejena iz ogljika za zajemanje elektronov, ki jih sproščajo bakterije) zakopana v vlažno prst pravokotno na površino tal, medtem ko je katoda (narejena iz inertne, prevodne kovine) navpično na vrhu anode vodoravno na tleh raven, kjer je kisik takoj na voljo za dokončanje redukcijske polovične reakcije.
Izhodna moč za načrtovanje je bila bistveno višja ves čas, ko je bila celica preplavljena z vodo. Deloval je dobro od popolnoma podvodnega stanja do nekoliko suhega (41 % vode glede na prostornino), vendar je imel še vedno visoko zahtevo glede 41 % volumetrične vsebnosti vode (VWC), da je ostal aktiven.
Ta študija obravnava vprašanje v zvezi z vidikom oblikovanja SMFC v smeri izboljšanja doslednosti in odpornosti na spremembe vlage. Ker so avtorji objavili vse načrte, vadnice in simulacijska orodja javnosti za uporabo in nadgradnjo, upamo, da bi se to moralo v bližnji prihodnosti prenesti v širše aplikacije na različnih področjih, kot je natančno kmetovanje.
***
Reference:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobne gorivne celice: obsežen pregled za začetnike. 3 Biotehnologija. maj 2021; 11(5): 248. Objavljeno na spletu 01. maja 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- deset B., sod 2024. Računalništvo, ki ga poganja tla: Inženirski vodnik za praktično načrtovanje mikrobnih gorivnih celic v tleh. Objavljeno: 12. januar 2024. Zbornik ACM o interaktivnih, mobilnih, nosljivih in vseprisotnih tehnologijah. Letnik 7, številka 4, št. članka: 196 str. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwestern University. Novice - Gorivne celice, ki jih poganja umazanija, delujejo večno. Objavljeno 12. januarja 2024. Dostopno na https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
