Piles de combustible microbianes del sòl (SMFC): el nou disseny podria beneficiar el medi ambient i els agricultors 

El combustible microbià del sòl Les cèl · lules (SMFC) utilitzen bacteris naturals al sòl per generar electricitat. Com a font d'energia renovable descentralitzada a llarg termini, els SMFC es podrien desplegar perpètuament per al seguiment en temps real de diverses condicions ambientals i també poden contribuir al creixement de la precisió. agricultura i ciutats intel·ligents. No obstant això, tot i existir durant més d'un segle, l'aplicació pràctica dels SMFC ha estat gairebé inexistent a causa de la inconsistència de la potència de sortida. Actualment, no hi ha cap SMFC que pugui generar electricitat de manera constant fora de condicions aquòtiques d'alta humitat. En un estudi recent, els investigadors van crear i comparar diferents versions de disseny i van trobar que el disseny de la cel·la vertical millora el rendiment i fa que els SMFC siguin més resistents als canvis en la humitat del sòl.   

Microbià piles de combustible (MFC) són bioreactors que produeixen electricitat convertint l'energia en els enllaços químics de orgànic compostos en energia elèctrica mitjançant biocatàlisi per microbis. Els electrons alliberats al compartiment de l'ànode per l'oxidació bacteriana del substrat es transfereixen al càtode on es combinen amb ions d'oxigen i hidrogen.  

Les reaccions bioquímiques en condicions aeròbiques, per exemple, per a l'acetat com a substrat són: 

semireacció d'oxidació a l'ànode 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ + HCO₃^- + 8H⁺ + 8e^-  

semireacció de reducció sobre càtode 

2 O. ₂ + 8 h ⁺ + 8n ^-   → 4 hores ₂ O 

En un entorn anaeròbic, els MFC poden utilitzar residus biològics com a substrat per produir electricitat. 

Els MFC tenen potencial per servir com a solució als problemes ambientals de l'energia sostenible, l'escalfament global i gestió de bioresidus. Té un cas sòlid per a l'aplicació en zones on les bateries químiques habituals i els panells solars no compleixen les expectatives, com ara infraestructures verdes, prats, aiguamolls o subterranis. En aquestes zones, els panells solars no funcionen a la nit i solen quedar coberts per la brutícia o la vegetació mentre que els components de la substància química. bateries lixiviar al medi ambient. El combustible microbià del sòl Les cèl · lules (SMFC) es presenten com una font d'energia sostenible en aquestes àrees agrícoles, prats, boscos i erms per alimentar dispositius de baix consum.  

Les piles de combustible microbianes del sòl (SMFC) utilitzen bacteris naturals al sòl per generar electricitat. En condicions òptimes, els SMFC poden produir fins a 200 μW de potència amb una tensió de 731 mV. Com a font d'energia renovable descentralitzada a llarg termini, els SMFC es podrien desplegar perpètuament per al seguiment en temps real de diverses condicions ambientals i guiar la política. Aquests també poden contribuir al creixement de les ciutats intel·ligents i granges.  

No obstant això, tot i existir durant més d'un segle, l'aplicació pràctica dels SMFC a nivell del sòl ha estat molt limitada. Actualment, no hi ha cap SMFC que pugui generar electricitat de manera consistent fora de condicions aquòtiques d'alta humitat. La inconsistència en la producció de potència s'atribueix a les diferències en les condicions ambientals, la humitat del sòl, els tipus de sòl, els microbis que habiten el sòl, etc., però els canvis en la humitat del sòl tenen una influència màxima en la consistència de la potència de sortida. Les cèl·lules han de romandre adequadament hidratades i oxigenades per obtenir una potència constant, cosa que pot ser un problema difícil quan s'enterren sota terra en brutícia seca.   

El disseny de la cel·la vertical millora el rendiment i fa que els SMFC siguin més resistents als canvis en la humitat del sòl.  

Un estudi recent (que implica un procés de disseny iteratiu de 2 anys de durada amb nou mesos combinats de dades de desplegament de SMFC) ha provat sistemàticament els dissenys de cèl·lules per arribar a directrius generals de disseny. L'equip d'investigació va crear i comparar quatre versions diferents, inclòs el disseny tradicional en què tant el càtode com l'ànode són paral·lels entre si. El disseny vertical (versió 3: orientació de l'ànode horitzontal i orientació del càtode perpendicular) de la pila de combustible es va trobar que tenia el millor rendiment. Va funcionar bé en el rang d'humitat de condicions inundades a condicions una mica seques.  

En el disseny vertical, l'ànode (fet de carboni per capturar els electrons alliberats pels bacteris) està enterrat al sòl humit perpendicularment a la superfície del sòl, mentre que el càtode (fet d'un metall inert i conductor) s'asseu verticalment sobre l'ànode horitzontalment a terra. nivell on l'oxigen està disponible per completar la meitat de reacció de reducció.  

La potència de sortida per al disseny va ser significativament més alta durant tota la durada quan la cel·la es va inundar d'aigua. Funcionava bé des d'una condició completament submarina fins a una mica sec (41% d'aigua en volum), però encara tenia un alt requisit de contingut volumètric d'aigua (VWC) del 41% per mantenir-se actiu.  

Aquest estudi aborda la pregunta sobre l'aspecte del disseny dels SMFC per millorar la consistència i la resistència als canvis d'humitat. Atès que els autors han llançat tots els dissenys, tutorials i eines de simulació al públic per utilitzar-los i construir-los, amb sort, això s'hauria de traduir en aplicacions més àmplies en àrees diverses, com ara l'agricultura de precisió en un futur proper.  

*** 

Referències:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Piles de combustible microbianes: una revisió completa per a principiants. 3 Biotecnologia. maig 2021; 11(5): 248. Publicat en línia l'01 de maig de 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Deu B., et al 2024. Soil-Powered Computing: The Engineer's Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design. Publicació:12 de gener de 2024. Actes de l'ACM sobre tecnologies interactives, mòbils, wearable i ubiqua. Volum 7 Número 4Article núm.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Universitat del Nord-oest. Notícies: la pila de combustible alimentada per la brutícia funciona per sempre. Publicat el 12 de gener de 2024. Disponible a https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***