Почвени микробни горивни клетки (SMFC): Новият дизайн може да е от полза за околната среда и фермерите 

The Soil Microbial Fuel Клетките (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 земеделие 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.   

микробен горивни клетки (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of органичен 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.  

Биохимичните реакции при аеробни условия, например за ацетат като субстрат, са: 

окислителна полуреакция на анода 

CH₃COO^- + 3Н₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8Н⁺ + 8e^-  

редукционна полуреакция на катода 

За 2 ₂ + 8 Н ⁺ + 8 -ри ^-   → 4 Н ₂ O 

В анаеробна среда MFC могат да използват биоотпадъци като субстрат за производство на електричество. 

MFC имат потенциал да служат като решение на екологичните проблеми на устойчивата енергия, глобалното затопляне и управление на биологични отпадъци. Той има солиден случай за приложение в области, където обикновените химически батерии и слънчеви панели не отговарят на очакванията, като например в зелени инфраструктури, пасища, влажни зони или под земята. В тези райони слънчевите панели не работят през нощта и обикновено се покриват с мръсотия или растителност, докато съставките на химически батерии leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Клетките (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 ферми.  

Въпреки това, въпреки че съществуват повече от век, практическото приложение на SMFC на ниво земя е много ограничено. Понастоящем няма SMFC, който може да генерира постоянно електричество извън водни условия с висока влажност. Несъответствието в изходната мощност се дължи на разликите в условията на околната среда, влажността на почвата, видовете почви, микробите, обитаващи почвата и т.н., но промените в почвената влага имат максимално значение за постоянството на изходната мощност. Клетките трябва да останат адекватно хидратирани и наситени с кислород за постоянна мощност, което може да е труден проблем, когато са заровени под земята в суха мръсотия.   

Дизайнът на вертикалната клетка подобрява производителността и прави SMFC по-устойчиви на промени в почвената влага.  

Скорошно проучване (включващо 2-годишен итеративен процес на проектиране с комбинирани девет месеца данни за внедряване на SMFC) систематично тества дизайна на клетките, за да достигне до общи насоки за проектиране. Изследователският екип създаде и сравни четири различни версии, включително традиционния дизайн, при който и катодът, и анодът са успоредни един на друг. Установено е, че вертикалният дизайн (версия 3: ориентация на анода хоризонтална и ориентация на катода перпендикулярна) на горивната клетка е с най-добри резултати. Работи добре в диапазона на влажност от наводнено състояние до малко сухо състояние.  

При вертикален дизайн анодът (направен от въглерод за улавяне на електроните, освободени от бактериите) е заровен във влажната почва перпендикулярно на повърхността на земята, докато катодът (направен от инертен, проводим метал) се намира вертикално върху анода хоризонтално на земята ниво, при което кислородът е лесно достъпен за завършване на полуреакцията на редукция.  

Изходната мощност за проектиране беше значително по-висока през цялото времетраене, когато клетката беше наводнена с вода. Работеше добре от напълно подводно състояние до малко сухо (41% вода по обем), но все още имаше високо изискване за 41% обемно водно съдържание (VWC), за да остане активен.  

Това проучване разглежда въпроса относно аспекта на дизайна на SMFC за подобряване на последователността и устойчивостта на промени в влажността. Тъй като авторите са пуснали всички проекти, уроци и инструменти за симулация на обществеността за използване и надграждане, да се надяваме, че това трябва да доведе до по-широки приложения в различни области, като например прецизното земеделие в близко бъдеще.  

*** 

Литература:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Микробни горивни клетки: изчерпателен преглед за начинаещи. 3 Биотехнология. 2021 май; 11(5): 248. Публикувано онлайн на 01 май 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Десет Б., и др 2024. Компютри, захранвани от почвата: Ръководството на инженера за практическо проектиране на почвени микробни горивни клетки. Публикувано:12 януари 2024 г. Сборник на ACM за интерактивни, мобилни, носими и повсеместни технологии. Том 7 Брой 4 Статия №: 196 стр. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Северозападен университет. Новини - Горивната клетка, задвижвана от мръсотия, работи вечно. Публикувано на 12 януари 2024 г. Налично на https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***