The Soil Microbial Fuel Buňky (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 zemědělství 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.
Mikrobiální palivové články (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of organický 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.
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 leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Buňky (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 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/
***
