MFC που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη: α) πλευρά καθόδου και β) πλευρά ανόδου. Πίστωση: Royal Society Open Scienc..." /> MFC που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη: α) πλευρά καθόδου και β) πλευρά ανόδου. Πίστωση: Royal Society Open Scienc..." /> MFC που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη: α) πλευρά καθόδου και β) πλευρά ανόδου. Πίστωση: Royal Society Open Scienc..." />Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές – KOUTSOBOLIS.COM
Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές


Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές

MFC που χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη: α) πλευρά καθόδου και β) πλευρά ανόδου. Πίστωση: Royal Society Open Science, doi: 10.1098/rsos.210996

Σε μια νέα έκθεση που δημοσιεύτηκε τώρα στις Royal Society Open Science, ο Mohammed Taha Amen και μια ομάδα επιστημόνων στη μηχανική βιο-νανοσυστημάτων, τη χημική μηχανική και τη μικροβιολογία στο Εθνικό Πανεπιστήμιο Chonbuk της Νότιας Κορέας και στο Πανεπιστήμιο Zagazig της Αιγύπτου, έδειξαν τη δυνατότητα χρήσης του βρόχινου νερού ως βιώσιμου αναλύτη σε μια κάθοδο αέρα μικροβιακή κυψέλη καυσίμου (MFC). Τα αποτελέσματα έδειξαν πώς οι κατασκευές θα μπορούσαν να λειτουργήσουν μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας, σε αερόβιο και αναερόβιο περιβάλλον.


Το έργο ανέδειξε τη σημαντική επιρροή του σεζόν κάτω , όπου το καλοκαιρινό βρόχινο νερό πέτυχε δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος (OCP) 553 ± 2 mV, χωρίς την προσθήκη θρεπτικών ουσιών σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η προσθήκη θρεπτικών συστατικών αύξησε περαιτέρω την τάση των κυττάρων. Η ομάδα απέκτησε το μέγιστο δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος για το χειμερινό βρόχινο νερό εκθέτοντας τον αντιδραστήρα στον αέρα (αερόβιες συνθήκες) σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Το προκύπτον μικροβιακό νερό της βροχής Η κυψέλη (RMFC) παρήγαγε μέγιστη ισχύ εξόδου 7 ± 0,1 mWm-2 σε αντίστοιχη τιμή πυκνότητας ρεύματος 44 ± 0,7 mAm-2 στους 30 βαθμούς Κελσίου. Οι επιστήμονες απέκτησαν τη μέγιστη ισχύ εξόδου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με το καλοκαιρινό βρόχινο νερό. Κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, Lactobacillus spp. αποτελούσε το κυρίαρχο ηλεκτροενεργό γένος, ενώ Staphylococcus spp. κυριαρχούσε το χειμωνιάτικο βρόχινο νερό. Η ανάλυση κυκλικής βολταμετρίας επιβεβαίωσε πώς τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να παραδοθούν απευθείας από το βακτηριακό βιοφίλμ στην επιφάνεια της ανόδου, χωρίς κανέναν μεσολαβητή για να ανοίξει μια νέα οδός για βιώσιμες μικροβιακές κυψέλες καυσίμου με βάση το βρόχινο νερό (RMFCs).

Μετατροπή χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια σε μικροβιακή κυψέλη καυσίμου (MFC)

Ένα μικροβιακό σύστημα κυψελών καυσίμου παρέχει μια ρύθμιση για τη μετατροπή των μικροοργανισμών ενσωματώνονται σε ορισμένες οργανικές ενώσεις για την ηλεκτρική ενέργεια με την οξείδωση αυτών των ενώσεων σε ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη) μέσω διαδοχικών αντιδράσεων. Τα MFC διέφεραν από άλλους τύπους κυψελών καυσίμου, καθώς οι ζωντανοί οργανισμοί μπορούν να λειτουργήσουν ως καταλύτης για την οργάνωση οργανικών υλικών που υπάρχουν στον θάλαμο ανόδου. Η διαδικασία ανάπτυξης MFC παρέχει μια καθαρή, αξιόπιστη και αποτελεσματική διαδικασία, χωρίς τοξικά υποπροϊόντα. Ενώ η ενέργεια που παράγεται από τα MFC είναι σχετικά χαμηλή, θα μπορούσε να αποκτήσει ενέργεια από διάφορους τύπους αποβλήτων που υπάρχουν φυσικά σε διαφορετικά περιβάλλοντα για άμεση μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε απομακρυσμένες περιοχές, τα MFC θεωρούνται επομένως βολικά συσκευή παραγωγής ενέργειας για ασύρματους αισθητήρες. Το νερό της βροχής περιέχει μια ποικιλία μικροοργανισμών που συλλέγονται από την ατμόσφαιρα, με άφθονα στοιχεία για μικροβιακή δραστηριότητα στον αέρα. Τα δείγματα γλυκού βρόχινου νερού περιέχουν μια ευρεία φυλογενετική ποικιλία συμπεριλαμβανομένων γονιδιωματικών αλληλουχιών όπως π.χ Αλφαπρωτεοβακτήρια, Actinobacteria, Bacteriodetes και Lentisphaerae. Η παρουσία διαφορετικών μικροοργανισμών παρακίνησε τον επιστήμονα να μελετήσει τη δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας μικροβιακές κυψέλες καυσίμου βρόχινου νερού (RMFC) λόγω της ικανότητάς τους να μεταβολίζουν οργανικά και ανόργανα συστατικά. Σε αυτό το έργο, οι Amen et al. διερεύνησε δύο διαφορετικά δείγματα βρόχινου νερού με βάση την εποχή συλλογής δειγμάτων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέσω ενός MFC καθόδου αέρα ενός θαλάμου. Τα αποτελέσματα παρείχαν εκπληκτικά μια πολλά υποσχόμενη ισχύ εξόδου από μια ατμόσφαιρα σχετικά υψηλής ποιότητας.

Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές

OCP για (α) SRMFC και WRMFC σε θερμοκρασία περιβάλλοντος· και (β) στους 30°C. Πίστωση: Royal Society Open Science, doi: 10.1098/rsos.210996

Τα πειράματα και οι εποχιακές επιπτώσεις

Η ομάδα συνέλεξε το βρόχινο νερό τον Απρίλιο και τον Δεκέμβριο για το καλοκαιρινό και το χειμώνα βρόχινο νερό, αντίστοιχα, και χρησιμοποίησε τα δείγματα είτε χωρίς πρόσθετα είτε με Μέσα θρεπτικής ουσίας ζωμού. Οι Amen et al. Στη συνέχεια κατασκεύασε ένα MFC για να λειτουργεί ως μια κάθοδος αέρα ενός θαλάμου από διαφανές πολυακρυλικό μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Η ομάδα τοποθέτησε ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς αργύρου/χλωριούχου αργύρου (Ag/AgCl) στο διαμέρισμα της ανόδου για να μετρήσει το δυναμικό των ηλεκτροδίων. Συναρμολόγησαν το MFC και το αποστείρωσαν χρησιμοποιώντας υπεριώδη ακτινοβολία και στη συνέχεια δοκίμασαν την απόδοσή του με καθαρό νερό της βροχής ως ανολύτη (ηλεκτρολύτη στην πλευρά της ανόδου), μαζί με το νερό της βροχής με θρεπτικά μέσα ζωμού. Για να εξετάσει τις αερόβιες/αναερόβιες συνθήκες, η ομάδα στη συνέχεια παρείχε άμεση επαφή του ατμοσφαιρικού αέρα με τους MFC και σε μια άλλη περίπτωση απέκλεισε την πρόσβαση στο οξυγόνο για τη δημιουργία αναερόβιες συνθήκες. Οι Amen et al. αναμενόταν ότι οι τύποι των μικροοργανισμών και οι ποσότητες τους στο νερό της βροχής θα ποικίλλουν ανάλογα με την εποχή. Το καλοκαιρινό βρόχινο νερό παρείχε μέγιστο δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος σε σχέση με το χειμώνα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος μετά από 15 ημέρες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν πώς οι προτεινόμενες μικροβιακές κυψέλες καυσίμου του βρόχινου νερού θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα πολύ αποδεκτό δυναμικό ανεξάρτητα από την εποχή συλλογής, αν και το καλοκαιρινό βρόχινο νερό παρήγαγε έναν πιο ευνοϊκό ανολύτη.

Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές

Το OCP για (α) τόσο αναερόβιους όσο και αερόβιους αντιδραστήρες στην περίπτωση SRMFC και (β) WRMFC. Πίστωση: Royal Society Open Science, doi: 10.1098/rsos.210996

Ηλεκτροχημικός χαρακτηρισμός και πειραματικά αποτελέσματα στο στήσιμο

Η ομάδα εξέτασε επίσης την ηλεκτροχημική απόδοση μικροβιακών κυψελών καυσίμου χρησιμοποιώντας ανάλυση ποτενσιοστάτη και κυκλικής βολταμετρίας σε διάταξη τριών ηλεκτροδίων, όπου όρισε την άνοδο ως ηλεκτρόδιο εργασίας, την κάθοδο και Ag/AgCl ως αντίθετο ηλεκτρόδιο και ηλεκτρόδιο αναφοράς, αντίστοιχα. . Μετά από 22 ημέρες λειτουργίας, η ομάδα αποσυναρμολόγησε τη συσκευή και καλλιέργησε το βιοφίλμ που λήφθηκε ως δείγμα τόσο από την επιφάνεια της ανόδου όσο και από τον ανολύτη, σε θρεπτικό μέσο άγαρ. Μετά την απομόνωση της βακτηριακής ανάπτυξης, οι Amen et al. εξήγαγε το γονιδιωματικό DNA για ανάλυση. Η ομάδα βρήκε ότι η διατήρηση των αναερόβιων συνθηκών στα MFC ήταν αρκετά δύσκολη στην πράξη και ως εκ τούτου ερεύνησε τα κύτταρα υπό αερόβιες συνθήκες για να προσδιορίσει τον επιτυχημένο ρόλο του βρόχινου νερού ως ανολύτη στη ρύθμιση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Πίστεψαν τα ευρήματα στον γρήγορο μεταβολισμό των θρεπτικών συστατικών στους 30 βαθμούς Κελσίου. Οι τιμές εξόδου έδωσαν έμφαση στις εφαρμογές των RMFC (μικροβιακό καύσιμο βρόχινου νερού ) το καλοκαίρι ή το χειμώνα υπό τις κατάλληλες συνθήκες ενδιαφέροντος.

Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές

Το SRMFC με και χωρίς θρεπτικά συστατικά, (α) τάση εξόδου και (β) πυκνότητα ισχύος, καθ’ όλη την περίοδο λειτουργίας. Πίστωση: Royal Society Open Science, doi: 10.1098/rsos.210996

Αξιολόγηση της αξιοπιστίας των κατασκευών

Μόνο το καλοκαιρινό βρόχινο νερό (με την ένδειξη SRMFC-A) παρήγαγε μέγιστη τάση εξόδου 553 ± 0,6 mV σε σύγκριση με το καλοκαιρινό βρόχινο νερό με θρεπτικά συστατικά (με την ένδειξη SRMFC-WN). Η εγκατάσταση μόνο με το καλοκαιρινό βρόχινο νερό παρήγαγε μέγιστη απόδοση κατά 18 ημέρες, ενώ εκείνα με θρεπτικά συστατικά στα μέσα πέτυχαν μέγιστη ισχύ εξόδου σε τρεις ημέρες. Δεδομένου ότι η προσθήκη θρεπτικών ουσιών σε μια κυψέλη καυσίμου σε μια πρακτική ρύθμιση είναι κουραστική, τα αποτελέσματα έδειξαν πώς η ρύθμιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μόνη της χωρίς θρεπτικά συστατικά για να παράγει μια λογική τάση για εφαρμογές σε πραγματικό χρόνο. Πρόσθετα αποτελέσματα με κυκλική βολταμετρία έδειξαν πώς τα ηλεκτρόνια παραδόθηκαν από το βακτηριακό βιοφίλμ στην επιφάνεια της ανόδου μέσω άμεσης επαφής χωρίς μεσολαβητές. Και χειμώνα και καλοκαίρι έδειξε επίσης ένα παχύ, καλά δομημένο ηλεκτροενεργό φιλμ μέσω ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, καθιστώντας δυνατή τη μεταφορά ηλεκτρονίων στην άνοδο.

Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές

Εικόνες SEM για βακτηριακό βιοφίλμ και για τα δύο. (α) SRMFC και (β) και WRMFC. Πίστωση: Royal Society Open Science, doi: 10.1098/rsos.210996

Αναλύσεις και προοπτικές βακτηριακής κοινότητας

Οι επιστήμονες εξέτασαν τις μικροβιολογικές παραλλαγές για να διερευνήσουν τη μικροβιακή κοινότητα στο χρησιμοποιούμενο νερό της βροχής. Σημείωσαν την παρουσία συνεργιστικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μικροοργανισμών ως σημαντικό παράγοντα για το σχηματισμό ηλεκτροενεργών βιοφίλμ που συντηρούν τα βιοηλεκτροχημικά συστήματα μακροπρόθεσμα. Ενώ το Lactobacillus spp. που σχηματίζονται ως τα κύρια ηλεκτρενεργά βακτήρια στην καλοκαιρινή εγκατάσταση μικροβιακών κυψελών καυσίμου, Staphylococcus spp. ήταν περισσότερο παρόντες στο χειμερινό στήσιμο. Η προτεινόμενη μικροβιακή κυψέλη καυσίμου (MFC) είναι εφαρμόσιμη σε περιοχές σε όλο τον κόσμο. Στην πράξη, η ομάδα αναμένει εφαρμογές της εγκατάστασης σε απομακρυσμένες περιοχές όπου η κυψέλη μπορεί να γεμίσει πρώτα με νερό της βροχής και να αφεθεί σε λειτουργία ανοιχτού κυκλώματος για να σχηματιστεί ένα βιοφίλμ στην επιφάνεια της ανόδου και να δημιουργηθεί ένα σταθερό δυναμικό ανοιχτού κυκλώματος. Με αυτόν τον τρόπο, ο Mohammed Taha Amen και οι συνεργάτες του έδειξαν την ανάπτυξη μιας μικροβιακής κυψέλης καυσίμου μονού θαλάμου καθόδου αέρα που λειτουργούσε αποτελεσματικά με το νερό της βροχής ως ανολύτη. Το προϊόν που προκύπτει δεν είναι μόνο χρήσιμο για την τροφοδοσία ασύρματων αισθητήρων, αλλά μπορεί επίσης να είναι αποτελεσματικό ως εργαλείο βιοαισθητήρα για την παρακολούθηση της μικροβιακής κοινότητας.


Οι κυψέλες καυσίμου που λειτουργούν με εδάφους υπόσχονται φθηνό, βιώσιμο καθαρισμό του νερού


Περισσότερες πληροφορίες:
Mohamed Taha Amen et al, μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το βρόχινο νερό για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές, Royal Society Open Science (2021). DOI: 10.1098/rsos.210996

Brent C. Christner et al, Ubiquity of Biological Ice Nucleators in Snowfall, Επιστήμη (2008). DOI: 10.1126/science.1149757

© 2022 Science X Network

Παραπομπή: Μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που οδηγούνται από το νερό της βροχής για παραγωγή ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές (2022, 10 Ιανουαρίου) που ανακτήθηκαν στις 11 Ιανουαρίου 2022 από τη διεύθυνση https://phys.org/news/2022-01-rainwater-driven-microbial-fuel-cells-power. html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *