Bahan Api Mikrob Tanah Sel-sel (SMFC) menggunakan bakteria semulajadi dalam tanah untuk menjana elektrik. Sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui jangka panjang dan terdesentralisasi, SMFC boleh digunakan secara berterusan untuk pemantauan masa nyata pelbagai keadaan persekitaran dan juga boleh menyumbang kepada pertumbuhan ketepatan pertanian dan bandar pintar. Walau bagaimanapun, walaupun wujud selama lebih satu abad, aplikasi praktikal SMFC hampir tidak wujud kerana ketidakkonsistenan dalam output kuasa. Pada masa ini, tiada SMFC yang boleh menjana elektrik secara konsisten di luar keadaan berair lembapan tinggi. Dalam kajian baru-baru ini, para penyelidik mencipta dan membandingkan versi reka bentuk yang berbeza dan mendapati bahawa reka bentuk sel menegak meningkatkan prestasi dan menjadikan SMFC lebih berdaya tahan terhadap perubahan dalam kelembapan tanah.
Mikrob sel bahan api (MFCs) ialah bioreaktor yang menghasilkan elektrik dengan menukarkan tenaga dalam ikatan kimia organik sebatian menjadi tenaga elektrik melalui biopemangkinan oleh mikrob. Elektron yang dibebaskan dalam petak anod oleh pengoksidaan bakteria substrat dipindahkan ke katod di mana ia bergabung dengan ion oksigen dan hidrogen.
Tindak balas biokimia di bawah keadaan aerobik, sebagai contoh, untuk asetat sebagai substrat adalah:
pengoksidaan separuh tindak balas pada anod
CH3Ketua Pegawai Operasi- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ +8e-
pengurangan separuh tindak balas pada katod
2 O 2 + 8 jam + + 8 nd - → 4H 2 O
Dalam persekitaran anaerobik, MFC boleh menggunakan sisa bio sebagai substrat untuk menghasilkan elektrik.
MFC mempunyai potensi untuk bertindak sebagai penyelesaian kepada isu alam sekitar tenaga lestari, pemanasan global dan pengurusan biowaste. Ia mempunyai kes yang kukuh untuk digunakan di kawasan yang bateri kimia biasa dan panel solar tidak dijangka seperti di infrastruktur hijau, padang rumput, tanah lembap atau bawah tanah. Di kawasan ini, panel solar tidak berfungsi pada waktu malam dan biasanya dilindungi oleh kotoran atau tumbuh-tumbuhan manakala konstituen bahan kimia bateri meresap ke dalam persekitaran. Bahan Api Mikrob Tanah Sel-sel (SMFC) datang sebagai sumber tenaga yang mampan di kawasan seperti pertanian, padang rumput, hutan dan tanah terbiar untuk menggerakkan peranti tenaga rendah.
Sel Bahan Api Mikrob Tanah (SMFC) menggunakan bakteria semulajadi dalam tanah untuk menjana elektrik. Di bawah keadaan optimum, SMFC boleh menghasilkan sehingga 200 μW kuasa dengan voltan 731 mV. Sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui jangka panjang dan terdesentralisasi, SMFC boleh digunakan secara berterusan untuk pemantauan masa nyata pelbagai keadaan alam sekitar dan dasar panduan. Ini juga boleh menyumbang kepada pertumbuhan bandar pintar dan ladang.
Walau bagaimanapun, walaupun wujud selama lebih satu abad, aplikasi praktikal SMFC di peringkat bawah adalah sangat terhad. Pada masa ini, tiada SMFC yang boleh menjana elektrik secara konsisten di luar keadaan berair lembapan tinggi. Ketidakkonsistenan dalam output kuasa adalah disebabkan oleh perbezaan dalam keadaan persekitaran, kelembapan tanah, jenis tanah, mikrob yang mendiami tanah dan lain-lain tetapi perubahan dalam kelembapan tanah mempunyai kesan maksimum pada konsistensi output kuasa. Sel-sel perlu kekal terhidrat dan beroksigen secukupnya untuk pengeluaran kuasa yang konsisten yang mungkin menjadi isu yang sukar apabila tertimbus di bawah tanah dalam kotoran kering.
Reka bentuk sel menegak meningkatkan prestasi dan menjadikan SMFC lebih berdaya tahan terhadap perubahan dalam kelembapan tanah.
Kajian terbaru (melibatkan proses reka bentuk berulang selama 2 tahun dengan gabungan sembilan bulan data penggunaan SMFC) telah menguji reka bentuk sel secara sistematik untuk mencapai garis panduan reka bentuk am. Pasukan penyelidik mencipta dan membandingkan empat versi berbeza termasuk reka bentuk tradisional di mana kedua-dua katod dan anod adalah selari antara satu sama lain. Reka bentuk menegak (versi 3: orientasi anod mendatar & orientasi katod berserenjang) sel bahan api didapati berprestasi terbaik. Ia berfungsi dengan baik dalam julat lembapan dalam keadaan tergenang hingga keadaan agak kering.
Dalam reka bentuk menegak, anod (diperbuat daripada karbon untuk menangkap elektron yang dikeluarkan oleh bakteria) ditanam di dalam tanah lembap berserenjang dengan permukaan tanah manakala katod (diperbuat daripada logam lengai, konduktif) terletak secara menegak di atas anod secara mendatar di tanah. tahap di mana oksigen tersedia untuk menyelesaikan separuh tindak balas pengurangan.
Output kuasa untuk reka bentuk adalah lebih tinggi dengan ketara sepanjang tempoh apabila sel itu ditenggelami air. Ia beroperasi dengan baik daripada keadaan dalam air sepenuhnya kepada agak kering (41% air mengikut isipadu) namun ia masih mempunyai keperluan kandungan air isipadu (VWC) 41% yang tinggi untuk kekal aktif.
Kajian ini menjawab persoalan mengenai aspek reka bentuk SMFC ke arah meningkatkan konsistensi dan daya tahan terhadap perubahan lembapan. Memandangkan pengarang telah mengeluarkan semua reka bentuk, tutorial dan alat simulasi kepada orang ramai untuk digunakan dan dibina, diharapkan ini dapat diterjemahkan kepada aplikasi yang lebih luas dalam pelbagai bidang seperti dalam pertanian ketepatan dalam masa terdekat.
***
Rujukan:
- Vishwanathan AS, 2021. Sel bahan api mikrob: ulasan komprehensif untuk pemula. 3 Bioteknologi. 2021 Mei; 11(5): 248. Diterbitkan dalam talian 01 Mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y
- Sepuluh B., et al 2024. Pengkomputeran Dikuasakan Tanah: Panduan Jurutera untuk Reka Bentuk Sel Bahan Api Mikrob Tanah Praktikal. Diterbitkan:12 Januari 2024. Prosiding ACM mengenai Teknologi Interaktif, Mudah Alih, Boleh Dipakai dan Di Ubiquitous. Jilid 7 Isu 4No. Artikel: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410
- Universiti Barat Laut. News-Sel bahan api berkuasa kotoran berjalan selama-lamanya. Dihantar pada 12 Januari 2024. Boleh didapati di https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/
***
