The Soil Microbial Fuel Cell (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 pagsasaka 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.
Mikrobyo fuel cells (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of ng bahagi ng katawan 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.
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 leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Cell (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 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/
***
