The Soil Microbial Fuel Frumur (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and can also contribute to the growth of precision búskap and smart cities. However, despite being in existence for over a century, the practical application of SMFCs has been nearly non-existent due to inconsistency in power output. Currently, there is no SMFC that can generate electricity consistently outside high moisture watery conditions. In a recent study, the researchers created and compared different design versions and found that the vertical cell design improves performance and makes SMFCs more resilient to changes in soil moisture.
Örvera eldsneyti frumur (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of lífræn compounds into electrical energy through biocatalysis by microbes. The electrons released in the anode compartment by bacterial oxidation of substrate are transferred to cathode where they combine with oxygen and hydrogen ions.
Lífefnafræðileg viðbrögð við loftháð skilyrði, til dæmis, fyrir asetat sem hvarfefni eru:
oxunar hálfhvarf á rafskautinu
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
minnkun hálfhvarf á bakskaut
2 hinn 2 + 8 klst + + 8 - → 4H 2 O
Í loftfirrtu umhverfi geta MFCs notað lífúrgang sem hvarfefni til að framleiða rafmagn.
MFCs hafa tilhneigingu til að þjóna sem lausn á umhverfismálum sjálfbærrar orku, hlýnun jarðar og meðhöndlun lífúrgangs. Það hefur traustan hylki til notkunar á svæðum þar sem venjulegar efnarafhlöður og sólarrafhlöður standast ekki væntingar eins og í grænum innviðum, graslendi, votlendi eða neðanjarðar. Á þessum svæðum virka sólarrafhlöður ekki á nóttunni og verða venjulega huldar af óhreinindum eða gróðri á meðan innihaldsefni efna rafhlöður leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Frumur (SMFCs) come as a sustainable source of energy in such areas in farming, grassland, forest and wasteland to power low energy devices.
The Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. Under optimal conditions, SMFCs can produce up to 200 μW of power with a voltage of 731 mV. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and guide policy. These can also contribute to the growth of smart cities and bæjum.
Hins vegar, þrátt fyrir að hafa verið til í meira en öld, hefur hagnýt notkun SMFCs á jörðu niðri verið mjög takmörkuð. Eins og er, er engin SMFC sem getur framleitt rafmagn stöðugt utan mikils raka í vatni. Ósamræmi í afköstum er rakið til mismunandi umhverfisaðstæðna, jarðvegsraka, jarðvegstegunda, örvera sem búa í jarðvegi o.s.frv. en breytingar á jarðvegsraka hafa hámarks þýðingu fyrir samkvæmni aflgjafans. Frumurnar þurfa að vera nægilega vökvaðar og súrefnisbundnar til að tryggja stöðuga afköst sem getur verið erfitt mál þegar þær eru grafnar neðanjarðar í þurrum óhreinindum.
Lóðrétta frumuhönnunin bætir afköst og gerir SMFCs þola breytingar á jarðvegi raka.
Nýleg rannsókn (sem felur í sér 2 ára endurtekið hönnunarferli með samanlagt níu mánaða SMFC dreifingargögnum) hefur kerfisbundið prófað frumuhönnun til að komast að almennum hönnunarleiðbeiningum. Rannsóknarteymið bjó til og bar saman fjórar mismunandi útgáfur, þar á meðal hefðbundna hönnun þar sem bæði bakskaut og rafskaut eru samsíða hvort öðru. Lóðrétt hönnun (útgáfa 3: rafskautsstefna lárétt og bakskautsstefna hornrétt) á efnarafalanum reyndist vera best. Það virkaði vel í rakasviðinu frá vatnsfalli til nokkuð þurrt ástand.
Í lóðréttri hönnun er rafskautið (úr kolefni til að fanga rafeindirnar sem bakteríurnar gefa út) grafið í rökum jarðvegi hornrétt á yfirborð jarðar á meðan bakskautið (úr óvirkum, leiðandi málmi) situr lóðrétt ofan á skautinu lárétt við jörðu. stig þar sem súrefni er aðgengilegt til að ljúka afoxunarhálfviðbrögðum.
Aflmagn fyrir hönnun var marktækt hærra allan þann tíma þegar klefan var flædd með vatni. Það virkaði vel frá því að vera alveg neðansjávar ástand í nokkuð þurrt (41% vatn miðað við rúmmál) en það þurfti samt háa 41% rúmmálsvatnsinnihald (VWC) til að vera virkt.
Þessi rannsókn tekur á spurningum varðandi hönnunarþátt SMFCs til að bæta samkvæmni og viðnám gegn rakabreytingum. Þar sem höfundar hafa gefið út alla hönnun, kennsluefni og uppgerð verkfæri til almennings til að nota og byggja á, vonandi ætti þetta að skila sér í víðtækari notkun á fjölbreyttum sviðum eins og í nákvæmni búskap í náinni framtíð.
***
Tilvísanir:
- Vishwanathan AS, 2021. Örverueldsneytisfrumur: ítarleg úttekt fyrir byrjendur. 3 Líftækni. maí 2021; 11(5): 248. Birt á netinu 01. maí 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Tíu B., et al 2024. Jarðvegsdrifnar tölvur: Leiðbeiningar verkfræðingsins um hagnýta jarðvegsörverueldsneytisfrumuhönnun. Birt: 12. janúar 2024. Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies. 7. bindi 4. tölublað Greinarnúmer: 196 bls. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwestern háskólinn. Fréttir-Mort-knúinn efnarafali keyrir að eilífu. Sent 12. janúar 2024. Fæst á https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
