Půdní mikrobiální palivo Buňky (SMFC) využívají přirozeně se vyskytující bakterie v půdě k výrobě elektřiny. Jako dlouhodobý, decentralizovaný zdroj obnovitelné energie by SMFC mohly být trvale nasazovány pro monitorování různých podmínek prostředí v reálném čase a mohou také přispět k růstu přesnosti zemědělství a chytrá města. Navzdory tomu, že SMFC existují již více než století, praktické použití SMFC téměř neexistuje kvůli nekonzistentnosti ve výstupním výkonu. V současné době neexistuje žádný SMFC, který by dokázal trvale vyrábět elektřinu mimo vodní podmínky s vysokou vlhkostí. V nedávné studii vědci vytvořili a porovnali různé verze designu a zjistili, že vertikální design buněk zlepšuje výkon a činí SMFC odolnější vůči změnám vlhkosti půdy.
Mikrobiální palivové články (MFC) jsou bioreaktory, které vyrábějí elektřinu přeměnou energie v chemických vazbách organický sloučeniny na elektrickou energii prostřednictvím biokatalýzy mikroby. Elektrony uvolněné v anodovém prostoru bakteriální oxidací substrátu jsou přeneseny na katodu, kde se spojují s ionty kyslíku a vodíku.
Biochemické reakce za aerobních podmínek, například pro acetát jako substrát, jsou:
oxidační poloviční reakce na anodě
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ + 8e-
redukční poloviční reakce na katodě
2 O 2 + 8H + + 8 e - → 4H 2 O
V anaerobním prostředí mohou MFC využívat biologický odpad jako substrát k výrobě elektřiny.
MFC mají potenciál sloužit jako řešení environmentálních problémů udržitelné energie, Globální oteplování a nakládání s biologickým odpadem. Má pevné pouzdro pro použití v oblastech, kde běžné chemické baterie a solární panely nesplňují očekávání, jako jsou zelené infrastruktury, pastviny, mokřady nebo podzemí. V těchto oblastech solární panely nefungují v noci a obvykle jsou pokryty špínou nebo vegetací, zatímco složky chemických látek baterie vyplavovat do životního prostředí. Půdní mikrobiální palivo Buňky (SMFC) přicházejí jako udržitelný zdroj energie v takových oblastech v zemědělství, na pastvinách, lesích a pustinách pro napájení nízkoenergetických zařízení.
Soil Microbial Fuel Cells (SMFC) využívají přirozeně se vyskytující bakterie v půdě k výrobě elektřiny. Za optimálních podmínek mohou SMFC produkovat výkon až 200 μW s napětím 731 mV. Jako dlouhodobý, decentralizovaný zdroj obnovitelné energie by SMFC mohly být trvale nasazovány pro monitorování různých podmínek životního prostředí v reálném čase a směrování politiky. Ty mohou také přispět k růstu chytrých měst a farmy.
Navzdory tomu, že SMFC existují již více než století, je praktické použití SMFC na úrovni terénu velmi omezené. V současné době neexistuje žádný SMFC, který by dokázal trvale vyrábět elektřinu mimo vodní podmínky s vysokou vlhkostí. Nekonzistence ve výkonu je připisována rozdílům v podmínkách prostředí, vlhkosti půdy, typů půdy, mikrobů osidlujících půdu atd., ale změny vlhkosti půdy mají maximální vliv na konzistenci výkonu. Buňky musí zůstat přiměřeně hydratované a okysličené, aby byl zajištěn konzistentní výkon, což může být obtížný problém, když jsou pohřbeny pod zemí v suché špíně.
Vertikální konstrukce buněk zlepšuje výkon a činí SMFC odolnější vůči změnám vlhkosti půdy.
Nedávná studie (zahrnující 2letý proces iterativního návrhu s kombinovanými devítiměsíčními daty o nasazení SMFC) systematicky testovala návrhy buněk, aby dospěla k obecným pokynům pro návrh. Výzkumný tým vytvořil a porovnal čtyři různé verze včetně tradičního designu, ve kterém jsou katoda i anoda vzájemně paralelní. Vertikální provedení (verze 3: orientace anody horizontálně a orientace katody kolmo) palivového článku bylo zjištěno jako nejvýkonnější. Fungovalo dobře v rozsahu vlhkosti od zaplaveného stavu až po poněkud suchý stav.
Ve vertikálním provedení je anoda (vyrobená z uhlíku pro zachycení elektronů uvolněných bakteriemi) pohřbena ve vlhké půdě kolmo k povrchu země, zatímco katoda (vyrobená z inertního, vodivého kovu) sedí svisle na anodě vodorovně na zemi. úroveň, kde je kyslík snadno dostupný pro dokončení redukční poloviční reakce.
Výkon pro design byl výrazně vyšší po celou dobu trvání, kdy byl článek zaplaven vodou. Pracoval dobře od úplného podvodního stavu až po poněkud suchý (41 % objemových vody), ale stále měl vysoký požadavek na 41 % objemový obsah vody (VWC), aby zůstal aktivní.
Tato studie se zabývá otázkou týkající se konstrukčního aspektu SMFC směrem ke zlepšení konzistence a odolnosti vůči změnám vlhkosti. Vzhledem k tomu, že autoři zveřejnili všechny návrhy, návody a simulační nástroje pro veřejnost, aby je mohla používat a stavět na nich, doufejme, že by se to v blízké budoucnosti mělo promítnout do širších aplikací v různých oblastech, jako je například přesné zemědělství.
***
Reference:
- Vishwanathan AS, 2021. Mikrobiální palivové články: komplexní přehled pro začátečníky. 3 Biotech. květen 2021; 11(5): 248. Publikováno online 01. května 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- deset B., et al 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Praktic Soil Microbial Fuel Cell Design. Publikováno: 12. ledna 2024. Sborník ACM o interaktivních, mobilních, nositelných a všudypřítomných technologiích. Ročník 7 Číslo 4Č. článku: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Severozápadní univerzita. Novinky – Palivový článek poháněný nečistotami běží věčně. Publikováno 12. ledna 2024. Dostupné na https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
