Mikrobien polttokennojen mahdollisuudet kauko-ohjaustoiminnoissa

Kauko-uuttotoiminnot.Olipa öljy- ja kaasu-, kaivos- tai vesipumppujen .Tusin kamppailee luotettavan ja kestävän sähkön kanssa. Dieselgeneraattorit ovat kalliita ajaa, vaativat usein huoltoa, ja tuottaa päästöjä. Ruudukon laajennus on epäkäytännöllinen pitkiä matkoja. Mikrobipolttoainekennot (MFC) tarjoavat lupaavan vaihtoehdon valjastamalla bakteerien metabolisen toiminnan tuottaa sähköä orgaanisesta jätteestä. Tämä biologinen sähköntuotanto voi muuttaa vastuun (jäte) voimavaraksi (teho) ja vähentää ympäristöjalanjälkeä. Teknologian kehittyessä MFC:t voisivat tulla kulmakiveksi kaukolouhintaenergiajärjestelmissä.

Miten mikrobiaaliset polttokennot toimivat

Mikrobipolttoainekennot ovat bioelektrokemiallisia laitteita, jotka muuntavat orgaanisiin substraatteihin varastoituvan kemiallisen energian sähköenergiaksi mikro-organismien katalyyttisen toiminnan kautta. Perussuunnittelu koostuu anodilokerosta ja katodiosastosta, joka on erotettu protoninvaihtokalvolla (tai joskus suolasillalla). Anodikammiossa elektrogeeniset bakteerit (kuten Shewanella oneidensis[] tai [Geobakteerisulfurreducens[[])) hajottavat orgaanisia aineita. Elektronit liikkuvat sitten ulkoisen piirin kautta katodiin, tuottavat virtaa. Protonit siirtyvät kalvon kautta katodikammioon, jossa ne yhdistyvät elektronien ja elektronien kanssa. Elektronit siirretään anodielektrodiin joko suoraan sytokromien tai epäsuorasti liukoisten välittäjäaineiden kautta.

Keskeiset osat ja niiden roolit

  • Anodielektrodi:[, joka on usein valmistettu hiilipohjaisista materiaaleista (grafiittihuopa, hiilikangas tai hiiliharja), jotka tarjoavat suuren pinta-alan bakteerien tarttumiselle ja elektronin siirrolle.
  • Kathodielektrodi:[] Käytät tavallisesti platina-, hiili-pohjaisia katalysaattoreita tai biokatalyyttiä hapen pelkistysreaktion helpottamiseksi.
  • Protoninvaihtokalvo:[ mahdollistaa selektiivisen protonin kuljetuksen estäen hapen diffuusion ja anolyyttien ja kissalyyttien sekoittumisen.
  • Tavararehu:[ Luomupolttoaineen lähde.

Elektroninsiirtomekanismit

Sähkögeeniset bakteerit voivat siirtää elektronit anodiin kolmella pääreitillä:

  1. Suora kosketus: [] Ulko-membraani sytokromit fyysisesti koskettaa elektrodin pintaa.
  2. Nanolangat:[ Johtava leipä (esim. ]Geobacter[]) toimivat biologisina nanowireinä, jotka sulkevat elektronit mikronin etäisyyksiltä.
  3. Mediat:[] eksogeeniset tai itse tuotettuja redokseja välittävät elektronit (esim. fenatsiinit, kinonit) solusta elektrodiin.

Näiden mekanismien ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää sellaisten korkean suorituskyvyn MFC-yhdisteiden suunnittelulle, jotka voivat tuottaa käytännön tehotiheyden etäkäyttöön. []Tutkimus synteettisen biologian [] tutkimuksessa tutkitaan myös geneettisesti muunnettuja bakteereja, joilla on paremmat elektroninsiirtovalmiudet.

Etälouhintatoimintojen edut

MFC-yhdisteet tarjoavat useita ainutlaatuisia etuja verrattuna perinteisiin voimalähteisiin eristetyllä louhintapaikalla:

Kestävä polttoainelähde

Etälouhoslaitokset tuottavat usein orgaanisia jätevirtoja: mutaa poraamalla, tuottamalla vettä hiilivetyjä, ruokajätettä leireistä tai biomassaa maan raivauksesta. MFC-yhdisteet voivat muuntaa jätteet suoraan sähköksi, samalla kun ne käsittelevät jätettä ja tuottavat sähköä. Tämä vähentää jätteen kuljetus- ja loppukäsittelytarvetta ja alentaa kokonaistoimintakustannuksia.

Matala huolto ja pitkäikäisyys

Toisin kuin dieselgeneraattorit, MFC-yhdisteillä ei ole liikkuvia osia (paitsi kiertopumppuja). Ne voivat toimia jatkuvasti kuukausia, jos interventio on vähäinen. Mikrobiyhteisöt voivat itse uudistua, eivätkä elektrodit yleensä hajoa nopeasti. Hyvin suunniteltu MFC-pino voi vaatia vain säännöllistä substraatin täydentämistä ja kalvojen puhdistusta.

Hajautettu, modulaarinen teho

MFC-yksiköitä voidaan käyttää rakenteissa, skaalautuen muutamasta watista anturiverkkoihin ja kilowatteihin laitteiden osalta. Ne voidaan sijoittaa suoraan kaivonpäähän, putkistoon tai kaivoskuiluun, jolloin voidaan poistaa siirtohäviöt ja ruuduston riippuvuussuhteet. Offshore-alustoille tai arktisille porauspaikoille MFC-laitteet tarjoavat kompaktin ja turvallisen energiaratkaisun ilman palavia polttoaineita.

Ympäristövaatimusten noudattaminen

Sääntelyviranomaiset vaativat yhä enemmän päästöjen vähentämistä ja jätteiden käsittelyä. MFC-yhdisteet tuottavat lähes lainkaan kaasupäästöjä (CO2 on biogeeninen), ja ne voivat vähentää orgaanisia yhdisteitä tuotetussa vedessä tai rikastuksessa. MFC-yhdisteitä käyttävät yritykset voivat parantaa ESG-mittareitaan (ympäristö, yhteiskunta, hallinto) ja mahdollisesti ansaita hiilidioksidihyvityksiä. []Yhdysvaltain energiaministeriö on korostanut MFC-päästöjä häiriöteknologiaksi integroiduissa jäte-energiajärjestelmissä.

Haasteet ja nykyiset rajoitukset

Lupauksistaan huolimatta MFC-tuotteilla on merkittäviä esteitä, jotka on poistettava ennen kuin ne otetaan laajalti käyttöön louhintatoimissa:

Matalatehoinen tiheys

Useimmat MFC-yhdisteet tuottavat tehotiheydet 0,1...1 W/m2 elektrodialueella, paljon alle polttomoottoreiden (usein >1 kW/m2). Tämä tarkoittaa sitä, että tarvitaan suuria elektrodijalanjälkiä mielekkääseen tehoon. Esimerkiksi 5 kW:n pumpun virta saattaa vaatia useita satoja neliömetrejä elektrodipintaa. Nanomateriaalien pinnoitteiden ja 3D-elektrodiarkkitehtuurien kehitys on erittäin voimakasta, mutta käytännön raja-arvot jäävät saavuttamatta.

Skaalattavuus ja kustannukset

MFC-pinot, joissa on tuhansia yksittäisiä soluja, tuovat mukanaan valmistuskompleksisuutta, nesteenjakeluhaasteita ja kustannuksia. Protoninvaihtokalvot (esim. Nafion) ovat kalliita ja jalometallikatalysaattorit lisäävät kustannuksia. Halvempien kalvojen (keramiikkaerottimet, kationi-vaihtokalvot) ja muiden metallien katalysaattoreiden (esim. rauta-typpi-hiili) käyttö on käynnissä. Viimeisimmät tutkimukset ovat osoittaneet kalvottomia MFC-yhdisteitä, jotka vähentävät kustannuksia tehokkuuden kustannuksella.

Toimintaolosuhteet

Etälouhintakohteet voivat kokea äärimmäisiä lämpötiloja, muuttuvaa pH:ta, suolapitoisuutta ja painetta. Useimmat sähkögeeniset bakteerit viihtyvät mesofiilisissä lämpötiloissa (20.40 °C). Psykrofiiliset tai termofiiliset kannat ovat ominaisia, mutta kestävä, todellinen toiminta ankarissa olosuhteissa jää todistamatta. Myös raskasmetallien tai liuottimien kaltaiset vierasaineet voivat estää bakteerien metaboliaa.

Pitkän aikavälin vakaus

Biofilmin kasvu elektrodeilla voi muuttua ajan mittaan epävakaaksi, kun ei-sähkögeeniset bakteerit ovat toivottuja lajeja vastaan. Membraanien ja elektrodien kiinnittyminen vähentää suorituskykyä. Jatkuva seuranta ja satunnaiset bio-augmentaatiot voivat olla tarpeen, mikä voi lisätä operatiivista monimutkaisuutta.

Tapaustutkimukset ja todiste-konseptisovellukset

Useat pilottihankkeet ovat osoittaneet MFC-yhdisteiden elinkelpoisuuden etäympäristössä, mikä tarjoaa vilauksen teknologian mahdollisuuksista:

Öljykenttä Valmistetun veden käsittely

Permian-alueella konsortio testasi 1 m3 MFC-järjestelmää, joka käsitteli vettä ja tuotti samalla tarpeeksi sähköä pienen anturiverkon käynnistämiseksi. Järjestelmä poisti 80% orgaanisista yhdisteistä ja tuotti 15 W/m3 reaktorin tilavuusmäärää. Vaikka se ei riittänyt pumpun pyörittämiseen, se osoitti, että MFC-yhdisteet voisivat korvata aerobiset käsittelylammikot energiapositiivisella toiminnolla.

Kaukosääasemat

Texasin yliopisto käytti sedimenttiä MFC-yhdisteellä kosteikolla lähellä arktista tutkimusasemaa. Yksikkö käytti sedimentissä luonnostaan esiintyvää orgaanista ainetta yli kuuden kuukauden ajan ilman huoltoa. Tämä osoittaa, että MFC-yhdisteet voivat palvella ultra-low-voimalaitteita äärimmäisissä ympäristöissä.

Minun laattani korjaustyöt

Chilessä toimiva pilotti yhdisti MFC-yhdisteet rakennettuun kosteikkoon kuparikaivosten valumisen hoitoon. MFC-yhdisteet poistivat sulfaatteja ja metalleja samalla kun ne tuottivat ~0,5 W/m2 kosteikkoa. Vaikka teho oli vaatimaton, käsittelyn ja sähkön kaksinkertainen hyöty teki järjestelmästä taloudellisesti houkuttelevan verrattuna kemiallisiin käsittelymenetelmiin.

Tulevaisuuden näkymät ja tutkimussuuntaukset

Tie kaupallisiin MFC-yhdisteisiin kaukolouhintaa varten on materiaalien innovaatio, järjestelmien integrointi ja biologinen optimointi:

Kehittyneet elektrodimateriaalit

Grafeenilla päällystetyt vaahtot, hiilinanoputket ja johtavat polymeerit lisäävät pinta-alaa ja elektroninsiirtonopeutta. Tutkijat tutkivat myös metalli-orgaanisia elementtejä elektrodipinnoitteina, jotka parantavat sekä johtavuutta että biokompetenssia.

Hybridijärjestelmät

MFC-yhdisteiden yhdistäminen muihin uusiutuviin tekniikoihin. Solaari-, tuuli- tai vetypolttokennot voivat luoda kestäviä mikrogridejä. Esimerkiksi päivänvalon aurinkopaneelit pystyvät käsittelemään huippukuormitusta, kun taas MFC-yhdisteet tuottavat perustehoa jätevirroista yöllä. Tällaiset hybridit vähentävät akun varastointitarvetta.

Integroidut mikrobiot

Synteettinen biologia mahdollistaa sellaisten bakteeriyhteenliittymien suunnittelun, jotka hajottavat monimutkaisia orgaanisia seoksia (myös hiilivetyjä) tehokkaammin. []Sengineeroidut ]Shewanella[] -kannat ovat parantuneet elektronin kuljetusketjujen ansiosta viisinkertaisesti suuremmat kuin villit.

Virranhallintaelektroniikka

MFC-tuotteet tuottavat matalajännitettä (0,3...0,8 V per solu) ja vaihtelevaa tehoa. Mukautettu DC-DC-muuntimet ja energiantalteenottosirut (esim. Texas Instruments. BQ25570) voivat tehostaa ja vakauttaa käytännön kuormitusta. Koska nämä elektroniikkajärjestelmät tulevat halvemmiksi, MFC-integrointi muuttuu yksinkertaisemmaksi.

Päätelmä

Mikrobipolttoainekennot ovat paradigman muutos kaukolouhintatoimintojen voimansiirtoon: lineaarisesta polttoainekuljetusten ja jätteiden loppukäsittelyn mallista kiertoon, jossa jätteestä tulee sähköä. Vaikka nykyiset sähköntiheydet ja kustannukset rajoittavat välitöntä käyttöönottoa kapea-alaisiin, matalatehoisiin sovelluksiin, materiaalien nopea edistyminen, mikrobiologia ja järjestelmätekniikka ovat sulkemassa kuilua.Erityisesti ympäristöherkillä tai logistisesti rajoitetuilla alueillaporausteollisuuden .Erityisesti niiden olisi seurattava MFC-teknologiaa tarkasti ja investoitava pilottihankkeisiin. Jatkuvalla kehittämisellä MFC-yhdisteet voivat tuottaa puhdasta ja vähän huoltotehoa, joka on sopusoinnussa kestävyystavoitteiden kanssa ja vähentää operatiivisia riskejä.