Talajmikrobiális üzemanyagcellák (SMFC-k): Az új kialakítás a környezet és a gazdálkodók számára előnyös lehet 

A talaj mikrobiális üzemanyaga Cellák Az SMFC-k a talajban természetesen előforduló baktériumokat használják fel elektromos áram előállítására. A megújuló energia hosszú távú, decentralizált forrásaként az SMFC-k folyamatosan alkalmazhatók különféle környezeti feltételek valós idejű megfigyelésére, és hozzájárulhatnak a pontosság növekedéséhez is. mezőgazdasági és okos városok. Azonban annak ellenére, hogy több mint egy évszázada léteznek, az SMFC-k gyakorlati alkalmazása szinte nem létezik a kimenő teljesítmény következetlensége miatt. Jelenleg nincs olyan SMFC, amely folyamatosan áramot termelne magas nedvességtartalmú vizes körülmények között. Egy nemrégiben készült tanulmányban a kutatók különböző tervezési változatokat hoztak létre és hasonlítottak össze, és azt találták, hogy a függőleges cellakialakítás javítja a teljesítményt, és ellenállóbbá teszi az SMFC-ket a talajnedvesség változásaival szemben.   

Mikrobiális üzemanyagcellák Az MFC-k olyan bioreaktorok, amelyek a kémiai kötésekben lévő energiát átalakítva termelnek villamos energiát organikus mikrobák általi biokatalízissel elektromos energiává alakítják a vegyületeket. A szubsztrát bakteriális oxidációja során az anódtérben felszabaduló elektronok a katódra kerülnek, ahol oxigén- és hidrogénionokkal egyesülnek.  

A biokémiai reakciók aerob körülmények között, például szubsztrátként acetát esetén a következők: 

oxidációs félreakció az anódon 

CH₃TURBÉKOL^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ +8e^-  

redukciós félreakció a katódon 

2 O ₂ + 8 óra ⁺ + 8 ^-   → 4H ₂ O 

Anaerob környezetben az MFC-k biohulladékot használhatnak szubsztrátként villamos energia előállításához. 

Az MFC-k potenciálisan megoldást jelenthetnek a fenntartható energia környezetvédelmi problémáira, a globális felmelegedés és a biohulladék-gazdálkodás. Megbízhatóan alkalmazható olyan területeken, ahol a szokásos vegyi akkumulátorok és napelemek nem érik el az elvárásokat, például zöld infrastruktúrákban, füves területeken, vizes élőhelyeken vagy a föld alatt. Ezeken a területeken a napelemek nem működnek éjszaka, és általában szennyeződés vagy növényzet borítja őket, miközben vegyi anyagokat tartalmaznak. akkumulátorok beszivárog a környezetbe. A talaj mikrobiális üzemanyaga Cellák Az SMFC-k fenntartható energiaforrásként szolgálnak az ilyen területeken a mezőgazdaságban, a gyepterületeken, az erdőkben és a puszta területeken az alacsony energiafogyasztású eszközök táplálására.  

A talajmikrobiális üzemanyagcellák (SMFC-k) a talajban természetesen előforduló baktériumokat használják fel elektromos áram előállítására. Optimális körülmények között az SMFC-k akár 200 μW teljesítményt is képesek előállítani 731 mV feszültség mellett. A megújuló energia hosszú távú, decentralizált forrásaként az SMFC-ket folyamatosan alkalmazni lehetne a különféle környezeti feltételek valós idejű nyomon követésére és iránymutatásként. Ezek is hozzájárulhatnak az okos városok növekedéséhez és gazdaságok.  

Annak ellenére azonban, hogy több mint egy évszázada léteznek, az SMFC-k gyakorlati alkalmazása talajszinten nagyon korlátozott. Jelenleg nincs olyan SMFC, amely folyamatosan áramot termelne magas nedvességtartalmú vizes körülmények között. A kimenő teljesítmény inkonzisztenciája a környezeti feltételek, a talajnedvesség, a talajtípusok, a talajban élő mikrobák stb. különbségeinek tudható be, de a talajnedvesség változása maximálisan befolyásolja a teljesítmény konzisztenciáját. A sejteknek megfelelően hidratáltnak és oxigénnel kell maradniuk az egyenletes teljesítmény érdekében, ami nehéz probléma lehet, ha száraz földbe temetik őket.   

A függőleges cellás kialakítás javítja a teljesítményt, és az SMFC-ket ellenállóbbá teszi a talajnedvesség változásaival szemben.  

Egy közelmúltban végzett tanulmány (amely 2 éves iteratív tervezési folyamatot tartalmazott, összesen kilenc hónapos SMFC-telepítési adatokkal) szisztematikusan tesztelte a cellaterveket, hogy általános tervezési irányelvekhez jussanak. A kutatócsoport négy különböző változatot készített és hasonlított össze, beleértve a hagyományos kialakítást, amelyben mind a katód, mind az anód párhuzamos egymással. Az üzemanyagcella függőleges kialakítása (3. verzió: anódtájolás vízszintes és katódtájolás merőleges) bizonyult a legjobban teljesítőnek. Jól működött az elárasztott állapottól a kissé szárazig terjedő nedvesség tartományban.  

Függőleges kivitelben az anód (a baktériumok által kibocsátott elektronok befogására szénből készült) a nedves talajba van temetve a talaj felszínére merőlegesen, míg a katód (egy inert, vezető fémből készült) függőlegesen az anód tetején helyezkedik el, vízszintesen a talajon. olyan szint, ahol az oxigén könnyen elérhető a redukciós félreakció befejezéséhez.  

A tervezéshez szükséges teljesítmény szignifikánsan magasabb volt az egész időtartam alatt, amikor a cellát elöntötte a víz. A teljesen víz alatti állapottól a kissé szárazig (41 térfogat% víz) jól működött, de továbbra is magas, 41%-os térfogati víztartalom (VWC) követelmény volt az aktív maradáshoz.  

Ez a tanulmány az SMFC-k tervezési szempontjaival kapcsolatos kérdésekkel foglalkozik a konzisztencia és a nedvességváltozásokkal szembeni ellenálló képesség javítása érdekében. Mivel a szerzők az összes tervet, oktatóanyagot és szimulációs eszközt nyilvánosságra hozták, hogy felhasználhassák és építeni tudjanak rájuk, remélhetőleg ez a közeljövőben szélesebb körű alkalmazásokhoz fog fordulni különböző területeken, például a precíziós gazdálkodásban.  

*** 

Referenciák:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiális üzemanyagcellák: átfogó áttekintés kezdőknek. 3 Biotech. 2021. május; 11(5): 248. Közzétéve online: 01. május 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Tíz B., et al 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Megjelent: 12. január 2024. Az ACM közleménye az interaktív, mobil, viselhető és mindenütt jelenlévő technológiákról. 7. évfolyam 4. szám Cikkszám: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Északnyugati Egyetem. Hírek – A piszokhajtású üzemanyagcella örökké működik. Feladás dátuma: 12. január 2024. Elérhető: https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***