Ang Microbial Fuel ng Lupa Cell (SMFCs) ay gumagamit ng natural na mga bacteria sa lupa upang makabuo ng kuryente. Bilang isang pangmatagalan, desentralisadong pinagmumulan ng renewable power, ang mga SMFC ay maaaring palaging i-deploy para sa real-time na pagsubaybay sa iba't ibang mga kondisyon sa kapaligiran at maaari ring mag-ambag sa paglago ng katumpakan pagsasaka at matalinong mga lungsod. Gayunpaman, sa kabila ng pagkakaroon ng higit sa isang siglo, ang praktikal na aplikasyon ng mga SMFC ay halos wala dahil sa hindi pagkakapare-pareho sa output ng kuryente. Sa kasalukuyan, walang SMFC na maaaring makabuo ng kuryente nang tuluy-tuloy sa labas ng mataas na moisture watery condition. Sa isang kamakailang pag-aaral, ang mga mananaliksik ay lumikha at naghambing ng iba't ibang mga bersyon ng disenyo at nalaman na ang vertical na disenyo ng cell ay nagpapabuti sa pagganap at ginagawang mas nababanat ang mga SMFC sa mga pagbabago sa kahalumigmigan ng lupa.
Mikrobyo fuel cells (MFCs) ay mga bioreactor na gumagawa ng kuryente sa pamamagitan ng pag-convert ng enerhiya sa mga chemical bond ng ng bahagi ng katawan compounds sa elektrikal na enerhiya sa pamamagitan ng biocatalysis ng microbes. Ang mga electron na inilabas sa anode compartment sa pamamagitan ng bacterial oxidation ng substrate ay inililipat sa cathode kung saan sila ay pinagsama sa oxygen at hydrogen ions.
Ang mga biochemical reaction sa ilalim ng aerobic na kondisyon, halimbawa, para sa acetate bilang substrate ay:
oksihenasyon kalahating reaksyon sa anod
CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
pagbabawas ng kalahating reaksyon sa katod
2 ang 2 + 8 oras + + 8 nd - → 4H 2 O
Sa anaerobic na kapaligiran, maaaring gamitin ng mga MFC ang biowaste bilang substrate upang makagawa ng kuryente.
Ang mga MFC ay may potensyal na magsilbing solusyon sa mga isyu sa kapaligiran ng napapanatiling enerhiya, pag-iinit ng mundo at pamamahala ng biowaste. Ito ay may matatag na kaso para sa paggamit sa mga lugar kung saan ang mga regular na kemikal na baterya at solar panel ay kulang sa inaasahan gaya ng sa mga berdeng imprastraktura, damuhan, wetlands, o sa ilalim ng lupa. Sa mga lugar na ito, hindi gumagana ang mga solar panel sa gabi at kadalasang natatakpan ng dumi o mga halaman habang bumubuo ng kemikal. baterya tumutulo sa kapaligiran. Ang Microbial Fuel ng Lupa Cell (SMFCs) ay isang napapanatiling pinagkukunan ng enerhiya sa mga nasabing lugar sa pagsasaka, damuhan, kagubatan at kaparangan upang mapagana ang mga aparatong mababa ang enerhiya.
Gumagamit ang Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) ng mga natural na bacteria sa lupa upang makabuo ng kuryente. Sa ilalim ng pinakamainam na mga kondisyon, ang mga SMFC ay maaaring makagawa ng hanggang 200 μW ng kapangyarihan na may boltahe na 731 mV. Bilang isang pangmatagalan, desentralisadong pinagmumulan ng renewable power, ang mga SMFC ay maaaring palaging i-deploy para sa real-time na pagsubaybay sa iba't ibang mga kondisyon sa kapaligiran at gabay na patakaran. Ang mga ito ay maaari ring mag-ambag sa paglago ng mga matalinong lungsod at sakahan.
Gayunpaman, sa kabila ng pagkakaroon ng higit sa isang siglo, ang praktikal na aplikasyon ng mga SMFC sa antas ng lupa ay napakalimitado. Sa kasalukuyan, walang SMFC na maaaring makabuo ng kuryente nang tuluy-tuloy sa labas ng mataas na moisture watery condition. Ang hindi pagkakapare-pareho sa output ng kuryente ay nauugnay sa mga pagkakaiba sa mga kondisyon sa kapaligiran, kahalumigmigan ng lupa, mga uri ng lupa, mga mikrobyo na naninirahan sa lupa atbp. ngunit ang mga pagbabago sa kahalumigmigan ng lupa ay may pinakamataas na epekto sa pagkakapare-pareho ng output ng kuryente. Ang mga cell ay kailangang manatiling sapat na hydrated at oxygenated para sa pare-parehong power output na maaaring isang mahirap na isyu kapag inilibing sa ilalim ng lupa sa tuyong dumi.
Ang disenyo ng patayong cell ay nagpapabuti sa pagganap at ginagawang mas nababanat ang mga SMFC sa mga pagbabago sa kahalumigmigan ng lupa.
Ang isang kamakailang pag-aaral (na kinasasangkutan ng isang 2-taong umuulit na proseso ng disenyo na may pinagsamang siyam na buwan ng data ng pag-deploy ng SMFC) ay sistematikong sumubok ng mga disenyo ng cell upang makarating sa mga pangkalahatang alituntunin sa disenyo. Ang pangkat ng pananaliksik ay lumikha at naghambing ng apat na magkakaibang bersyon kabilang ang tradisyonal na disenyo kung saan ang parehong cathode at anode ay parallel sa isa't isa. Ang patayong disenyo (bersyon 3: anode orientation horizontal & cathode orientation perpendicular) ng fuel cell ay natagpuan na ang pinakamahusay na gumaganap. Ito ay gumana nang maayos sa hanay ng moisture ng inundated na kondisyon hanggang sa medyo tuyo na kondisyon.
Sa patayong disenyo, ang anode (gawa sa carbon upang makuha ang mga electron na inilabas ng bacteria) ay ibinaon sa mamasa-masa na lupa patayo sa ibabaw ng lupa habang ang cathode (gawa sa isang hindi gumagalaw, conductive na metal) ay nakaupo nang patayo sa ibabaw ng anode nang pahalang sa lupa. antas kung saan ang oxygen ay madaling magagamit para sa pagkumpleto ng pagbabawas ng kalahating reaksyon.
Ang power output para sa disenyo ay makabuluhang mas mataas sa buong tagal kapag ang cell ay binaha ng tubig. Gumana ito nang maayos mula sa ganap na kondisyon sa ilalim ng tubig hanggang sa medyo tuyo (41% tubig sa dami) gayunpaman mayroon pa rin itong mataas na 41% volumetric water content (VWC) na kinakailangan upang manatiling aktibo.
Tinutugunan ng pag-aaral na ito ang tanong tungkol sa aspeto ng disenyo ng mga SMFC tungo sa pagpapabuti ng pagkakapare-pareho at katatagan sa mga pagbabago sa kahalumigmigan. Dahil inilabas ng mga may-akda ang lahat ng mga disenyo, mga tutorial at mga tool sa simulation sa publiko upang magamit at mabuo, sana, dapat itong isalin sa mas malawak na mga aplikasyon sa magkakaibang mga lugar tulad ng sa precision farming sa malapit na hinaharap.
***
Sanggunian:
- Vishwanathan AS, 2021. Microbial fuel cells: isang komprehensibong pagsusuri para sa mga nagsisimula. 3 Biotech. 2021 Mayo; 11(5): 248. Na-publish online 01 May 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Sampung B., et al 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Na-publish:12 Enero 2024. Mga Pamamaraan ng ACM sa Interactive, Mobile, Wearable at Ubiquitous Technologies. Tomo 7 Isyu 4 Artikulo Blg.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Northwestern University. News-Dirt-powered fuel cell ay tumatakbo magpakailanman. Nai-post noong 12 Enero 2024. Magagamit sa https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
