Die Grond Mikrobiese Brandstof Selle (SMFC's) gebruik natuurlik voorkomende bakterieë in die grond om elektrisiteit op te wek. As 'n langtermyn, gedesentraliseerde bron van hernubare krag, kan die SMFC's voortdurend ontplooi word vir intydse monitering van verskeie omgewingstoestande en kan ook bydra tot die groei van presisie boerdery en slim stede. Ten spyte van die feit dat dit al meer as 'n eeu bestaan, was die praktiese toepassing van SMFC's byna nie-bestaande nie as gevolg van teenstrydigheid in kraglewering. Tans is daar geen SMFC wat elektrisiteit konsekwent buite hoë vog waterige toestande kan opwek nie. In 'n onlangse studie het die navorsers verskillende ontwerpweergawes geskep en vergelyk en gevind dat die vertikale selontwerp werkverrigting verbeter en SMFC's meer veerkragtig maak teen veranderinge in grondvog.
mikrobiese brandstofselle (MFC's) is bioreaktore wat elektrisiteit produseer deur die energie in die chemiese bindings van organiese verbindings in elektriese energie deur biokatalise deur mikrobes. Die elektrone wat in die anodekompartement vrygestel word deur bakteriële oksidasie van substraat word na katode oorgedra waar hulle met suurstof en waterstofione kombineer.
Die biochemiese reaksies onder aërobiese toestande, byvoorbeeld, vir asetaat as substraat is:
oksidasie halfreaksie op die anode
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ + 8e-
reduksie halfreaksie op katode
2 O 2 + 8H + + 8de - → 4H 2 O
In anaërobiese omgewings kan MFC's bioafval as substraat gebruik om elektrisiteit te produseer.
MFC's het potensiaal om te dien as 'n oplossing vir omgewingskwessies van volhoubare energie, aardverwarming en bioafvalbestuur. Dit het 'n stewige omhulsel vir toepassing in gebiede waar gereelde chemiese batterye en sonpanele nie aan verwagting voldoen nie, soos in groen infrastruktuur, grasvelde, vleilande of ondergronds. In hierdie gebiede werk sonpanele nie in die nag nie en word gewoonlik bedek deur vuilheid of plantegroei terwyl bestanddele van chemiese batterye uitspoel in die omgewing. Die Grond Mikrobiese Brandstof Selle (SMFC's) kom as 'n volhoubare bron van energie in sulke gebiede in boerdery, grasveld, woude en woesteny om lae-energie-toestelle aan te dryf.
Die Grond Mikrobiese Brandstofselle (SMFC's) gebruik natuurlik voorkomende bakterieë in die grond om elektrisiteit op te wek. Onder optimale toestande kan SMFC's tot 200 μW krag produseer met 'n spanning van 731 mV. As 'n langtermyn, gedesentraliseerde bron van hernubare krag, kan die SMFC's deurlopend ontplooi word vir intydse monitering van verskeie omgewingstoestande en rigbeleid. Dit kan ook bydra tot die groei van slim stede en plase.
Alhoewel dit al meer as 'n eeu bestaan, was die praktiese toepassing van SMFC's op grondvlak egter baie beperk. Tans is daar geen SMFC wat elektrisiteit konsekwent buite hoë vog waterige toestande kan opwek nie. Die teenstrydigheid in kraguitset word toegeskryf aan verskille in omgewingstoestande, grondvog, tipes grond, mikrobes wat die grond bewoon, ens. maar veranderinge in grondvog het maksimum invloed op konsekwentheid van kraguitset. Die selle moet voldoende gehidreer en suurstof bly vir konsekwente kraglewering wat 'n moeilike kwessie kan wees wanneer dit ondergronds in droë grond begrawe word.
Die vertikale selontwerp verbeter werkverrigting en maak SMFC's meer veerkragtig teen veranderinge in grondvog.
'n Onlangse studie (wat 'n 2-jaar lange iteratiewe ontwerpproses met 'n gekombineerde nege maande se SMFC-ontplooiingsdata behels) het selontwerpe stelselmatig getoets om by algemene ontwerpriglyne uit te kom. Die navorsingspan het vier verskillende weergawes geskep en vergelyk, insluitend die tradisionele ontwerp waarin beide katode en anode parallel aan mekaar is. Daar is gevind dat die vertikale ontwerp (weergawe 3: anode-oriëntasie horisontaal en katode-oriëntasie loodreg) van die brandstofsel die beste presteer. Dit het goed gewerk in die vogreeks van oorstroomde toestand tot ietwat droë toestand.
In vertikale ontwerp word die anode (gemaak van koolstof om die elektrone wat deur die bakterieë vrygestel word vas te vang) in die klam grond loodreg op die grond se oppervlak begrawe terwyl die katode (gemaak van 'n inerte, geleidende metaal) vertikaal bo-op die anode horisontaal by die grond sit. vlak waar suurstof geredelik beskikbaar is vir voltooiing van reduksie halfreaksie.
Die kraguitset vir ontwerp was aansienlik hoër gedurende die duur wanneer die sel met water oorval is. Dit het goed gewerk vanaf heeltemal onderwater toestand tot ietwat droog (41% water per volume), maar dit het steeds 'n hoë 41% volumetriese waterinhoud (VWC) vereiste gehad om aktief te bly.
Hierdie studie spreek vrae rakende ontwerpaspek van SMFC's aan om konsekwentheid en veerkragtigheid teen vogveranderinge te verbeter. Aangesien die skrywers alle ontwerpe, tutoriale en simulasie-instrumente aan die publiek vrygestel het om te gebruik en daarop voort te bou, behoort dit hopelik te vertaal na wyer toepassings in diverse gebiede soos in presisieboerdery in die nabye toekoms.
***
Verwysings:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiese brandstofselle: 'n omvattende oorsig vir beginners. 3 Biotegnologie. 2021 Mei; 11(5): 248. Aanlyn gepubliseer 01 Mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Tien B., et al 2024. Grondaangedrewe Rekenaarkunde: Die Ingenieursgids tot Praktiese Grondmikrobiese Brandstofselontwerp. Gepubliseer: 12 Januarie 2024. Verrigtinge van die ACM oor interaktiewe, mobiele, drabare en alomteenwoordige tegnologieë. Volume 7 Uitgawe 4Artikel No.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Noordwes Universiteit. Nuus-Vuil-aangedrewe brandstofsel loop vir ewig. Geplaas op 12 Januarie 2024. Beskikbaar by https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
