הפוטנציאל של תאי דלק מיקרוביאליים במבצעי החילוץ מרחוק

פעולות החילוץ מרחוק - בין אם בנפט וגז, כרייה או משאבת מים - לעתים קרובות נאבקים עם כוח מיצוי אמין ובר קיימא. גנרטורים דיזל יקרים לרוץ, דורשים תחזוקה תכופה תכופה, ומייצרת פליטות.הרחבה גריד היא בלתי מעשית על פני מרחקים גדולים.תאים דלק מיקרוביאלי (MFCs) מציעים אלטרנטיבה מבטיחה על ידי רתום הפעילות המטבולית של חיידקים לייצר חשמל אורגני.

כיצד תאי דלק מיקרוביאליים עובדים

תאי דלק מיקרוביאליים הם מכשירים ביו-אלקטרוניקה שממירים אנרגיה כימית מאוחסנת בשקעים אורגניים לאנרגיה חשמלית באמצעות פעילות קטליטית של מיקרואורגניזמים.העיצוב הבסיסי מורכב מתא או תא קטוייד, מופרדים על ידי זרם אלקטרון-מנועי חיצוני (או לפעמים גשר מלח).

תהלוכות מפתח ותפקידיהם

  • (FLT:0) Anode אלקטרודה: 1FLT) לעתים קרובות עשוי חומרים מבוססי פחמן (גרף מרגיש, בד פחמן או מברשת פחמן) המספק שטח גדול של פני השטח עבור מתחיינות חיידקיים והעברה אלקטרונים.
  • (FLT:0Cathode אלקטרודה: FLT:1 בדרך כלל משתמש פלטינה, זרז מבוסס פחמן, או ביוקטאליסיסטים כדי להקל על התגובה הפחתת החמצן.
  • (FLT:0)Proton-exchange membrane:cioFLT:1) מאפשר תחבורה פרוטון סלקטיבית תוך מניעת דיפוזיה חמצן ושילוב של אננוליטיט וקטוליטה.
  • (FLT:0) אכילה:FLT:1, מקור הדלק האורגני - עשוי להיות פסולת, שאריות חקלאיות, או אפילו ביומסה ליגנולוסית מאתר החילוץ.

העברת תרופות אלקטרוניות

חיידקים אלקטרוגניים יכולים להעביר אלקטרונים לאודיה דרך שלושה מסלולים עיקריים:

  1. (ב) ⁇ :0) מגע ישיר: ⁇ 1:1 , Outer-mbrane cytochromes פיזית לגעת על פני השטח אלקטרודה.
  2. (ב) ,0) ,Nanowires: (ב-[[1924]]:2Geobacterph 3) פועל כנווטים ביולוגיים, סוגרים אלקטרונים על פני מרחקים מיקרוניים.
  3. (ב) ⁇ :0; ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הבנת מנגנונים אלה היא חיונית להנדסת ביצועים גבוהים MFC שיכולים לספק גינויים של כוח מעשי עבור פעולות מרוחקות.FLT:0Research בביולוגיה סינתטית FLT:1 הוא גם לחקור חיידקים מהונדסים גנטית עם יכולות העברת אלקטרונים משופרות.

יתרונות לביצוע פעולות חילוץ מרחוק

MFCs מציעים כמה יתרונות ייחודיים על מקורות כוח קונבנציונליים באתרי החילוץ מבודדים:

מקור דלק בר קיימא

אתרי החילוץ מרחוק לעתים קרובות לייצר זרמי פסולת אורגניים: קידוח בוץ, המיוצר מים עם פחמימנים, פסולת מזון ממחנות, או ביומסה מנקה הקרקע. MFCs יכול להמיר ישירות את הפסולת האלה לחשמל, בו זמנית טיפול בבזבוז ובייצור כוח.זה מקטין את הצורך בבזבוז פסולת וסילוק, הורדת עלויות תפעוליות הכוללות.

תחזוקה נמוכה וארוכותיות

בניגוד גנרטורים דיזל, ל- MFC אין חלקים נעים (מלבד משאבות להחלמה) הם יכולים לפעול ברציפות במשך חודשים עם התערבות מינימלית.קהילות מיקרוביאליות יכולות להתקנה עצמית, והאלקטרודות בדרך כלל לא מידרדרות במהירות.ערימה MFC מעוצבת היטב עשויה לדרוש רק שכפול תת-מחזורי וניקוי מסונן.

המונחים: Modular Power

יחידות MFC יכולות להיות פרוסות במערךים, דרוג מכמה וואט עבור רשתות חיישן לקילווואט עבור ציוד. הם יכולים להיות ממוקמים ישירות על גבי ראש, צינורות, או פיר שלי, חיסול אובדן שידור ותלויי רשת. עבור פלטפורמות offshore או אתרי קידוח ארקטי, MFC מציעים פתרון אנרגיה קומפקטי, בטוח ללא דלקים דלים.

איכות הסביבה

רגולטורים דורשים יותר ויותר פליטות מופחתות וטיפול בפסולת.MFCs לייצר כמעט שום פליטות גזיות (CO2 שוחרר הוא ביוגני), והם יכולים להפחית את המזונאים האורגניים בייצור מים או זנבות. חברות באמצעות MFCs יכולות לשפר את ESG שלהם (Environmental, Social, Governance) ולהשיג זיכויים פחמן:0 U.S.S.F.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות ההבטחה שלהם, MFC מתמודדת עם מכשולים משמעותיים שיש להתגבר עליהם לפני אימוץ נרחב במבצעי החילוץ:

הכח הנמוך

רוב MFCs לייצר דגני חשמל בטווח של 0.1-1 W / m2 של אזור אלקטרודה, רחוק מתחת מנועי הבעירה (לעתים קרובות > 1 קילוואט / m2). זה אומר טביעות רגל אלקטרודה גדולות נדרשים עבור כוח משמעותי. לדוגמה, כוח של 5 קילוואט עשוי לדרוש כמה מאות מטרים רבוע של משטח אלקטרודה.

סקלאלה ועלויות

בניית מחסניות MFC עם אלפי תאים בודדים מציגה מורכבות ייצור, אתגרים הפצה נוזלית, ועלות. Proton-exchange membranes (למשל, Nafion) הם יקרים, וזרזים אציליים מוסיפים עלות.Efforts להשתמש במזכרות זולות (עלות דלקת תחתית), החלפת membranes) ולא זרז מתכתי (%) הוכחו עלות פחמן-Frantgnbn) הם להפחית את העלות של 1Frantgn-Frantgn-Frantg.

תנאי הפעלה

אתרי החילוץ מרחוק יכולים לחוות טמפרטורות קיצוניות, pH משתנה, סליטי ולחץ.רוב החיידקים האלקטרוגניים לשגשג בטמפרטורות mesophilic (20–40 מעלות צלזיוס) פסיכותרפיה או תרמופילראלית מאופיינים, אך פעולה חזקה, אמיתית בעולם בתנאים קשים נותרת ללא הוכחה. Contaminants כמו מתכות כבדות או פותרים יכולים גם לעכב חילוף חומרים חיידקיים.

יציבות לטווח ארוך

גידול ביופילם באלקטרודות יכול להיות לא יציב לאורך זמן, עם חיידקים לא-אלקטרוניקה מחוץ למין הרצוי.לנפיחות של קרום ואלקטרודות להפחית את הביצועים. ניטור רציף והדבקה ביולוגית מדי פעם עשוי להיות נחוץ, הוספת מורכבות תפעולית.

תוצאות חיפוש ו- Proof-of-Concept Applications

מספר פרויקטים של טייס הוכיחו את יכולת ה- MFC בהגדרות מרוחקות, ומספקים הצצה לפוטנציאל הטכנולוגיה:

נפטון הפיק טיפול במים

באגן Permian, קונסורציום בדק מערכת M3 MFC שטופלה מים תוך יצירת מספיק חשמל כדי לכפות רשת חיישן קטנה.המערכת הסירה 80% שלמזהמים אורגניים ויצרה 15 W/m3 של נפח כור.למרות שלא מספיק כדי להפעיל משאבה, זה הוכיח כי MFCs יכולים להחליף בריכות אירוביות עם פעילות חיובית באנרגיה.

תחנות מטאורולוגיות מרוחקות

אוניברסיטת טקסס פרסה סימנט MFC ב רטובה ליד תחנת מחקר ארקקטית.היחידה השתמשה בחומר אורגני המתרחש באופן טבעי במשקעים כדי לכפות חיישן טמפרטורה ולחץ במשך יותר משישה חודשים ללא תחזוקה.זה מראה כי MFCs יכולים לשרת מכשירים אולטרה-נמוך בסביבה קיצונית.

המונחים: my Tailings Remediation

טייס בצ'ילה שילב MFCs עם רטובה בנוי לטפל ניקוז ממכר חומצי מכריית נחושת. MFCs הסירו סולפטים ומתכות תוך יצירת -0.5 W לכל m2 של אזור רטובלנד. בעוד פלט חשמל היה צנוע, היתרון הכפול של טיפול בתוספת חשמל עשה את המערכת אטרקטיבי מבחינה כלכלית בהשוואה לשיטות טיפול כימיות.

אפשרויות לעתיד ודרכים מחקר

הדרך ל- MFC המסחריים לייצור מרחוק נמצאת בחדשנות חומרים, שילוב מערכת ואופטימיזציה ביולוגית:

חומרים אלקטרודה מתקדמים

קצףים מוצצים Graphene, צינורות פחמן, ופולימרים מוליכים להגדיל את פני השטח ואת שיעורי העברת אלקטרונים. החוקרים גם לחקור מסגרות אורגניות מתכת (MOFs) כמו ציפויים אלקטרודה שמשפרים את שתי מוליכות ואת ביו-תחרותיות.

מערכות היברידיות

שילוב MFC עם טכנולוגיות מתחדשות אחרות - סולר, רוח, או תאי דלק מימן - יכול ליצור מיקרו-צמחים גמישים.לדוגמה, במהלך לוחות סולאריים קלים יכול להתמודד עם עומסי שיא, בעוד MFCs לספק כוח עומס בסיס מזרמי פסולת בלילה.

מהנדס Microbiomes

ביולוגיה סינתטית מאפשרת עיצוב של קונסורציורציה חיידקית שמדכאת תערובת אורגנית מורכבת (כולל פחמימנים) יעילה יותר.

ניהול חשמל

MFCs לייצר מתח נמוך (0.3-0.8 V לתא) ולהגדיל את הכוח. Custom DC-DC ממירים וצ'יפס איסוף אנרגיה (למשל, טקסס מכשירים BQ25570570) יכול להגביר ולייצב את הפלט עבור עומסים מעשיים. כמו אלקטרוניקה אלה להפוך זול יותר, שילוב MFC הופך להיות יותר פשוט.

מסקנה

תאי דלק מיקרוביאליים מייצגים שינוי פרדיגמטי של כוח תפעולי של מיצוי מרחוק: ממודל ליניארי של תחבורה דלק ופסולת למערכת מעגלית שבה פסולת הופכת לחשמל. בעוד שנקודות החוזק הנוכחיות והעלויות מגבילות את הפריסה מיידית לנישה, יישומים בעלי כוח נמוך, התקדמות מהירה בחומרים, מיקרוביולוגיה, והנדסת מערכות סוגרות את הפער.ה - במיוחד באזורים סביבתיים רגישים או מוגבלים - מ-Mmains, אך לא יכולים להשקיע באופן הדוק בפתרונות חשמליים, אך ורק עם פוטנציאלים עם פיתוח חשמל גמישים, אך ורק עם סיכון תפעוליים וטייסים סביבתיים.