پتانسیل سلول های سوخت میکروبی در عملیات استخراج از راه دور

عملیات استخراج از راه دور – چه در نفت و گاز، معدن و یا پمپاژ آب – اغلب با قدرت قابل اعتماد و پایدار مبارزه می کنند. دیزل ژنراتورها برای اجرا هزینه دارند، نیاز به تعمیر و نگهداری مکرر دارند و تولید گازهای گلخانه ای در مسافت های بزرگ غیر عملی است. Microbial Fuel cell (MFCs) یک جایگزین امیدوار کننده با استفاده از فعالیت متابولیک باکتری ها برای تولید برق از زباله های بیولوژیکی (انرژی سنگ آهک) می تواند به عنوان یک سیستم های استخراج از راه دور تبدیل شود.

چگونه سلول های سوخت میکروبی کار می کنند

سلول های سوخت میکروبی، دستگاه های بیوشیمیایی زیستی هستند که انرژی شیمیایی ذخیره شده در بسترهای آلی را از طریق فعالیت کاتالیزور میکروارگانیسم ها، می پذیرند. طراحی اولیه شامل یک محفظه anode و یک محفظه هیدروژنه (گاز = 1) یا یک غشای مبادله گوگرد (یا گاهی اوقات یک پل نمک) است.

اجزای کلیدی و نقش های آنها

  • الکترود: اغلب از مواد مبتنی بر کربن (بنده احساس، پارچه کربن، یا برس کربن) ساخته شده است که یک منطقه سطح بزرگ برای چسبندگی باکتری و انتقال الکترون فراهم می کند.
  • الکترود: به طور معمول استفاده از پلاتین، کاتالیزورهای مبتنی بر کربن، و یا بیوکاتال برای تسهیل واکنش کاهش اکسیژن.
  • غشای تغییر رنگ پروتون (FLT 1) اجازه می دهد حمل و نقل پروتون انتخابی در حالی که جلوگیری از انتشار اکسیژن و مخلوط شدن از anolyte و catholyte.
  • خوراک زیر درجه: منبع سوخت ارگانیک می تواند فاضلاب، بقایای کشاورزی، یا حتی زیست توده های بی نظیر مارمولک از محل استخراج.

مکانیسم های انتقال الکترونی

باکتری های الکترووژنیک می توانند الکترون ها را از طریق سه مسیر اصلی به داخل گره منتقل کنند:

  1. تماس مستقیم: [مباراب بیرونی] سیتکرومها به طور فیزیکی سطح الکترود را لمس می کنند.
  2. Nanowires: هدایت کننده (به عنوان مثال، در Geobacter به عنوان نانوسیم های بیولوژیکی عمل می کند، خاموش الکترون ها در مسافت های میکرون.
  3. (FLT:0 واسطه های سرخی یا خود تولید شده (به عنوان مثال، phenazines، quinones) الکترون ها را از سلول به الکترود حمل می کنند.

درک این مکانیسم ها برای مهندسی MFC های با عملکرد بالا که می توانند پروتزهای قدرت عملی را برای عملیات از راه دور ارائه دهند، بسیار مهم است. همچنین در حال بررسی باکتری های اصلاح شده ژنتیکی با قابلیت های انتقال الکترونی پیشرفته است.

مزایای عملیات استخراج از راه دور

MFC ها مزایای منحصر به فرد زیادی را در مورد منابع قدرت متعارف در سایت های استخراج جداگانه ارائه می دهند:

منبع سوخت پایدار

سایت های استخراج از راه دور اغلب جریان های زباله ارگانیک را تولید می کنند: گل های حفاری، آب با هیدروکربن ها، زباله های غذایی از اردوگاه ها یا بی توده ها از پاکسازی زمین، می توانند به طور مستقیم این زباله ها را به برق تبدیل کنند، به طور همزمان با استفاده از زباله و تولید برق، این کاهش نیاز به دفع زباله و دفع زباله، کاهش می دهد.

نگهداری پایین و طولانی مدت

برخلاف ژنراتورهای دیزل، MFC ها هیچ قطعات متحرک (به جز پمپ های اصلاح) ندارند، آنها می توانند به طور مداوم برای ماه ها با حداقل مداخله کار کنند. جوامع میکروبی می توانند خود را رشد دهند و الکترود ها به طور معمول به سرعت از بین نمی روند.یک پشته MFC به خوبی طراحی شده ممکن است فقط نیاز به بازسازی بستر دوره ای و تمیز کردن غشایی داشته باشد.

قدرت غیرمتمرکز، قراردادی

واحدهای MFC را می توان در آرایه ها، از مقیاس پذیری چند وات برای شبکه های سنسور به کیلووات برای تجهیزات، آنها می توانند به طور مستقیم در چاه، خط لوله، یا شفت معدن قرار داده، از بین بردن تلفات انتقال و وابستگی های شبکه برای سیستم عامل های دریایی یا مکان های حفاری قطب شمال، MFC ها ارائه یک راه حل انرژی فشرده و امن بدون سوخت.

محیط زیست سازگاری زیست محیطی

تنظیم کنندگان به طور فزاینده ای خواستار کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و درمان زباله هستند. MFC ها تقریبا هیچ گونه انتشار گازهای گازی (CO2 آزاد شده بیوژنیک است)، و آنها می توانند آلاینده های آلی را در تولید آب یا دم کردن تولید کنند. شرکت هایی که از MFC استفاده می کنند می توانند ESG (Environmental، Social Governance، Social Governance، Social Governance) را بهبود بخشند و به طور بالقوه اعتبارات کربن را به دست آورند.

چالش ها و محدودیت های فعلی

با وجود وعده های خود، MFC ها با موانع قابل توجهی مواجه هستند که باید قبل از اتخاذ گسترده در عملیات استخراج، غلبه کنند:

چگالی کم قدرت

اکثر MFC ها در محدوده 0.1-1 W/m2 از منطقه الکترود، به مراتب کمتر از موتورهای احتراق (اغلب >1 کیلووات / m2) تولید می کنند، این بدان معنی است که رد پای الکترود بزرگ برای قدرت معنی دار مورد نیاز است.به عنوان مثال، برق 5 کیلووات پمپ ممکن است نیاز به چندین صد متر مربع از الکترودهای سطح باشد.

مقیاس پذیری و هزینه

پشته های MFC با هزاران سلول منفرد، پیچیدگی تولید، چالش های توزیع مایع (و هزینه) غشای تغییر پروتون (به عنوان مثال، Nafion) گران قیمت هستند و کاتالیزورهای فلزی خصیصه اضافه هزینه برای استفاده از غشای ارزان تر (مخش کننده های نسبی، غشایهای cation-exchange) و مطالعات غیر کاتالیزوری (Foxr.Fox) هزینه های بی کربن را کاهش می دهند.

شرایط عملیاتی

سایت های استخراج از راه دور می توانند دمای شدید، pH متغیر، استحکام و فشار را تجربه کنند. اکثر باکتری های الکترووژنیک در دمای mesophilic رشد می کنند (20-40 درجه سانتیگراد) Psychrophilic یا سویه های ترملیک نیز می توانند متابولیسم باکتری را مشخص کنند، اما عملکرد قوی و واقعی تحت شرایط سخت هنوز اثبات نشده است.

ثبات طولانی مدت

رشد بیوفیلم در الکترودها می تواند در طول زمان ناپایدار شود، با باکتری های غیر الکترووژنیک که گونه های مطلوب را بیرون می کشند، Fouling از غشای ها و الکترود ها عملکرد مداوم و گاهی اوقات اوقات کاهش زیستی را کاهش می دهد، ممکن است لازم باشد، اضافه کردن پیچیدگی عملیاتی.

مطالعات موردی و برنامه های تایید-Concept

چندین پروژه آزمایشی نشان داده اند که MFC در تنظیمات از راه دور، ارائه یک نگاه اجمالی از پتانسیل تکنولوژی:

شرکت نفتفیلد تصفیه آب را تهیه کرد

در حوزه Permian، یک کنسرسیوم یک سیستم MFC 1 m3 را آزمایش کرد که با تولید برق کافی برای برق یک شبکه سنسور کوچک، برق کافی را تولید کرد.این سیستم 80 درصد از آلاینده های آلی را حذف کرد و 15 W /m3 حجم راکتور تولید کرد.اگر چه به اندازه کافی برای اجرای یک پمپ نیست، ثابت کرد که MFC ها می توانند جایگزین درمان های هوازی با عملیات انرژی مثبت شوند.

ایستگاه های هواشناسی راه دور

دانشگاه تگزاس یک MFC رسوب در یک تالاب نزدیک به یک ایستگاه تحقیقاتی قطب شمال مستقر کرد. واحد به طور طبیعی در رسوب مواد آلی را در رسوب به قدرت یک سنسور دما و فشار برای بیش از شش ماه بدون تعمیر و نگهداری استفاده می کند.این نشان می دهد که MFC ها می توانند دستگاه های فوق العاده کم انرژی را در محیط های شدید خدمت کنند.

دانلود بازی های Mine Tailings Remedia

یک خلبان در شیلی MFC ها را با یک تالاب ساخته شده ترکیب کرد تا بتواند زهکشی معدنی اسید را از معدن مس درمان کند. MFC ها سولفات ها و فلزات را در حالی که تولید ~0.5 W در هر متر مربع از منطقه تالاب را کاهش داد، در حالی که تولید برق کم بود، مزایای دوگانه درمان به علاوه برق سیستم را به لحاظ اقتصادی جذاب تر از روش های درمانی شیمیایی ساخت.

آینده چشم انداز و مسیر تحقیقات

مسیر استخراج از راه دور در نوآوری مواد، ادغام سیستم و بهینه سازی بیولوژیکی قرار دارد:

پیشرفته ترین مواد الکترولیتی

فوم های پوشش گرافن، نانولوله های کربنی و پلیمر های رسانا، سطح و نرخ انتقال الکترون را افزایش می دهند. محققان همچنین در حال بررسی چارچوب های آلی فلزی (MOF) به عنوان پوشش الکترود هستند که هر دو هدایت و بی طرفی را افزایش می دهند.

سیستم های هیبریدی

ترکیب MFC ها با دیگر تکنولوژی های تجدید پذیر - سلول های سوخت خورشیدی، باد یا هیدروژن - می تواند میکروشبکه های انعطاف پذیر را ایجاد کند.به عنوان مثال، در طول روز پانل های خورشیدی می توانند بارهای اوج را کنترل کنند، در حالی که MFC ها انرژی ذخیره شده از جریان های زباله در شب را فراهم می کنند.

Microbiomes

زیست شناسی مصنوعی امکان طراحی اختلال باکتریایی را فراهم می کند که مخلوط های پیچیده آلی (از جمله هیدروکربن) را به طور موثر تر تجزیه کند. Engineered اووانلا با زنجیره های حمل و نقل الکترون بهبود یافته به پنج برابر بیشتر از انواع وحشی دست یافته است.

مدیریت برق الکترونیک

MFC ها ولتاژ پایین (0.3-0.8 V در هر سلول) و قدرت جذب کننده را تولید می کنند. مبدل DC-DC سفارشی و تراشه های برداشت انرژی (به عنوان مثال، BQ 25570) ابزار تگزاس می تواند خروجی را برای بارهای عملی افزایش دهد و تثبیت کند.

نتیجه گیری

سلول های سوخت میکروبی نشان دهنده یک تغییر پارادایم برای عملیات استخراج از راه دور قدرت است: از یک مدل خطی حمل و نقل سوخت و دفع زباله به یک سیستم دایره ای که زباله تبدیل به برق می شود، در حالی که تراکم قدرت فعلی و هزینه های محدود کردن استقرار فوری به طاقچه، برنامه های کم انرژی، پیشرفت سریع در مواد، میکروبیولوژی، و مهندسی سیستم بسته شدن شکاف است - به ویژه در مناطق حساس زیست محیطی - آنها می توانند با استفاده از انرژی پایدار، و فن آوری نظارت دقیق، و نظارت بر انرژی، به طور دقیق، و مهندسی انرژی، به طور دقیق، سرمایه گذاری کنند.