מבוא: טכנולוגיה כפולה-Purpose Bioelectrochemical

תאי דלק מיקרוביאליים (MFCs) מייצגים שינוי פרדיגמטי בניהול פסולת על ידי טיפול בו זמנית במים ויצר חשמל.מערכות ביו-אלקטרוניקה אלה לנצל את הפעילות המטבולית של חיידקים אלקטרוגניים כדי להחמצן את המזהמים האורגניים, להעביר אלקטרונים לאודיה, ומייצרות זרם למדידה של אנרגיה מתחדשת.

תהליכי טיפול אירוביים של האמנה צורכים כמויות גדולות של אנרגיה, לעתים קרובות חשבונאות עבור 3-5% מכלל השימוש בחשמל של האומה. MFC, לעומת זאת, יכול לבטל את הביקוש הזה על ידי שחזור חלק מהאנרגיה הכימית המאוחסנים במי פסולת. יתר על כן, היכולת של המערכת להסיר חומרים מזינים כגון חנקן ו זרחן מציע אלטרנטיבה בת קיימא לשיטות כימיות.

מימון של Microbial דלק Cell Operation

איך MFC עובד

MFC מורכב תא aode ותא קטוודה, מופרד על ידי a proton-exchange membrane (או מעבורת כמה עיצובים, גשר מלח) בתא aode, microbes ליצור ביופיל על פני השטח אלקטרודה ומטבוליטים substrates אורגניים הנמצאים במים.

שחקני מיקרוביאלי

לא כל החיידקים הם אלקטרוגניים (הגנוגרפיה הנלמדת ביותר) כוללים את ה-FLT:0GeobacterFLT:1 ו-FLT:2 ShewanellaveFLT:3, אשר יכול ביעילות להעביר אלקטרונים לאלקטרודות מוצקות.

חומרים אלקטרודה וידויים

הביצועים של MFC מושפע מאוד על ידי חומרים אלקטרודה. Anodes צריך להיות התנהגות, ביו-אי-תואמים, ומציע שטח על פני השטח גבוה לצמיחה ביו-סרטמה.חומרים המבוססים על פחמן (למשל, גרפנטציה מורגשת, בד פחמן מופעל פחמן) נפוצים, אבל שינויים עם מתכות או פולימרים מוליכים יכולים לשפר את העברת אלקטרון.

Enhancing Acent Removal: Nitrogen ו Phosphorus

Nitrogen Cycling in MFCs

הסרת Nitrogen היא פונקציה קריטית של טיפול במים מודרניים של פסולת.ב MFCs, הסרת חנקן יכול להתרחש דרך מספר מסלולים. בהיעדר חמצן, denitrating חיידקים בחדר השבר יכול לקבל אלקטרונים מהאלקטרודה כדי להפחית את הניטראט (NO3-) כדי dinitrogen גז (N2), תהליך המכונה "קטודי denitrification" כאשר קטנופולד הוא חלק מ-מסטרואלי, לאחר מכן, הוא מסוגל לשלב את האלקטרון, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, הוא מופעל על ידי אלקטרון, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן מופעל על ידי אלקטרון מתקן אלקטרון, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, עם אלקטרון, לאחר מכן מופעל על ידי אלקטרון, לאחר מכן מופעל על ידי אלקטרון, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, עם מיקרוסקופי תיבות של מיקרוסקופיטר, לאחר מכן מופעל על ידי אלקטרון, לאחר מכן מופעל על ידי אלקטרון, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן מופעלת, לאחר מכן, לאחר

ניטרינג - Denitrification

אחת התכונות האטרקטיביות ביותר של MFCs היא היכולת שלהם לתמוך ניטרינג סימולטי בו זמנית ואת denitrification בכור יחיד.על ידי שליטה ב ⁇ חמצן - למשל, עם תא קטואדה אירובי ו תא aoxic anoxic anode - ammonium הוא קודם חמצון לחנק / ניטראט בקטודה, ולאחר מכן מופחת גז חנקן ב חנקן ב חנקן של שני מחקרים כגון:

Phosphorus Removal and Recovery

הסרת Phosphorus ב MFCs מתרחשת באמצעות שני מנגנונים עיקריים: הטמעת ביומסה מיקרוביאלית ומשקעים כימיים. Bacteria לקחת זרחן עבור צמיחה תאים, ובכמה MFCs, ה- pH הגבוה ליד קטוודה יכול לגרום למשקעים של pH סטרוייט (MgNH4PO4PO4%H2O) או סיינטטיפטפטפטים זה יכול להיות מכווץ לתוך זרם אמיתי של נוזל, אם כי הוא לעתים קרובות מחמצן, אם כי הוא יכול להיות מזין יותר מ-מפוסט.

אנרגיה מתחדשת משפכים

דור חשמל: הכחשה נוכחית ועוצמה

האנרגיה שנתפסה על ידי MFC היא פרופורציה ישירות לעומס האורגני וליעילות העברת אלקטרון.דויות חשמל אופייניות בטווח MFCs בקנה מידה מעבדה מ 0.1 עד 3 W /m2 של אזור אלקטרודה, עם ערכים גבוהים יותר המדווחים עבור מערכות אופטימיזציה. בעוד זה עדיין הזמנות של גודל נמוך יותר מאשר תאים דלק מסחרי, האנרגיה התאוששה מפסולת אשר אחרת תדרוש אנרגיה מעוקבת.

דרישות הכוח שנוצר

הפלט החשמלי מ- MFCs מתאים היטב ליישומים בעלי כוח נמוך כגון חיישנים אלחוטיים, צגים מרחוק ומיקרו-מפיסטים במערכות טיפול.עם ממריצים מתח ומעגלים קציר אנרגיה, MFCs יכולים לכפות מכשירים קטנים ברציפות.חלק מפרויקטי הטייס הוכיחו את התאורה המועצמת של MFC במערכות טיפול מחוץ לקהילות או מעקב עצמי של איכות מים.

השוואה עם תהליכים ביולוגיים אחרים

העיכול אנאירובי (AD) הוא הטכנולוגיה הדומיננטית של אנרגיה ביולוגית עבור פסולת מים, ייצור מתאן שניתן לשרוף עבור חשמל.עם זאת, AD דורש עומסים אורגניים גבוהים, זמני שימור ארוכים יותר, ומייצר גז חממה. MFC מציעים גישה משלימה: הם יכולים לטפל זרמי פסולת דילוליים (ביקוש כימי מתחת 1 / L) עם ייצור מלוטש מינימלי, ואין צורך לטיפול בגז.

יתרונות סינרגיסטים: שילוב של חומרים מזינים נשללים ואנרגיה

אולי המקרה המשכנע ביותר עבור טכנולוגיית MFC הוא ביכולתו לטפל בו זמנית במי פסולת וליצור כוח.כאשר הסרת חומרים מזינים ושיקום אנרגיה ממוטבים יחד, מאזן האנרגיה הנקי יכול להיות חיובי - כלומר MFC מייצרת יותר אנרגיה מאשר הוא צורב.מספר מחקרים הראו כי על ידי שליטה קפדנית של פוטנציאלים אלקטרודה וזמני שימור הידראוליים, הסרת חנקן יכולה להיות מוגברת ללא תפוקה של כוח, לדוגמה, ידוע של 46% של תאים חנקן / 1D2, 000 1D2, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 1D.

סינרגיה זו היא בעלת ערך רב באזורים עם תשתיות אנרגיה מוגבלות. באזורים כפריים או מרוחקים, MFCs יכול לספק טיפול מבוזר של פסולת מים תוך יצירת חשמל לצרכים בסיסיים.הייצור הפחתת הפעוט בהשוואה למערכות סלז מופעלות גם מוריד את עלויות הטיפול וההסכמת, שיפור נוסף של טביעת הרגל הסביבתית והכלכלית.

אתגרים מרכזיים מתעתקים באימוץ מסחרי

כוח נמוך OUTTEED RELECT TO אנרגיה

למרות תוצאות מעבדה מבטיחות, מאגרי הכוח של MFC נשארים נמוכים מדי עבור הדור הגדול של חשמל בקנה מידה גדול.ההתנגדות הפנימית של המערכת - הנגרמת על ידי membrane, אלקטרוליטה, ממשקי אלקטרודה אלקטרודה - מגבילים את הזרם שניתן לקחת.S.S. עד סנטימטר מעוקב מעוקבים מעצימות אלה, וכוח לעתים קרובות מאופטים על ידי הוראות גודל של חוקרים בקנה מידה מעבדה ועד לפלס גבוה הם מטפלים בתבניות אלקטרודות יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, קרינת אלקטרודות נמוכה יותר, 3Dup-Dup-תלויות, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .

סקלאלה ועלויות של חומרים

רכיבים רבים בעלי ביצועים גבוהים MFC, כגון קטונים מבוססי פלטינה ו-ion-exchange membranes, יקרים ולא מתאימים לשימוש נרחב.תחליפים כמו מזחלות אל-סטרל עם ציפויים מבוססי פחמן מבוססי זרז, או חיסול של מזכרון (כמו ב"שליח" MFC), יכולים להפחית את עלויות ה-MFC נמוכות יותר, אך ייתכן גם עלייה משמעותית של טיפול ב-2,000 דולר, אך היא נמוכה יותר, כמו גם כן, כלומר, כלומר, כלומר, עלייה של עלויות מחקר רגיל, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עלות נמוכה יותר, עלות נמוכה יותר, עלות נמוכה יותר, עלות נמוכה יותר, עלות של פחות או יותר, עלות של פחות או יותר, עלות של יותר, עלות של פחות או יותר, עלות של יותר, עלות של יותר, עלות של יותר, עלות של יותר, עלות של כמה מ-2,000 דולר, עלות של חברות סטארט-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-2,000 דולר, עלות, עלות, עלות, עלות של צריכת הסטארט-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב

יציבות מיקרוביולוגית ומבצע ארוך-טווח

קהילות מיקרוביאליות מעורבות ב- MFCs הן דינמיות; במשך שבועות או חודשים, הרכב ביופיל יכול להשתנות, לפעמים להפחית פעילות exoelectrogenic. Factors כמו וריאציות טמפרטורה, עומסי הלם רעילים, ושינויים בהרכב של פסולת יכול לעכב את המיקרובים. Ensuring יציבה, לטווח ארוך דורש עיצובים יציבים, אולי עם ביו-אגרציה או פעולות בחירה על quirdanceing.

כיוונים עתידיים וחדשנות מתפתחת

שילוב עם Membrane bioreactors ו-Motlands

שילוב MFC עם טכנולוגיות טיפול אחרות הוא אסטרטגיה מבטיחה להתגבר על מגבלות אישיות.לדוגמה, "MFCed-sted MFC" משתמש במזכרה לפירוק של מים נקיים, ומייצרת מים נקיים יותר בעוד MFC מספקת כמה מאנרגיה מודגשת של 0.51, כמו גם, בניית "CW-MFC" (מתאים חשמליים רטובים) לאלקטרוביקולאריים זעירים, לעומת מספר קבוצות של חשמל רטובות של CFDL, לעומת 0.

מ- MFC ועד מיקרוביאלי אלקטרוליטיזה ואלקטרוסינתזה

על ידי שינוי קטן הפוטנציאל הישומי, MFC יכול להיות מומר לתוך תא אלקטרוליטי מיקרוביאליזה (MEC) לייצר גז מימן מחומר אורגני.זה מרחיב את המוצר האנרגיה לדלק נקי.עוד מתקדם יותר הוא אלקטרוסינתזה מיקרוביאלית (microbial אלקטרוסינתזה), שבו חיידקים משתמשים נוכחי כדי להפחית פחמן דו חמצני לכימיקלים יקר כמו אצט, אלמול, או אבל מערכות כאלה, המכונה לעתים קרובות "מיקרוביאומי" אלקטרוניקה, יכול להפוך לפח," כימיקלים טהורים, כמו גם לפח, כמו גם לפח, כמו גם אנרגיה, וצריכת מים.

Benchmarks ו- Real-World Implementation

ככל שהשדה בוגר, הצורך במדדי ביצועים סטנדרטיים הופך קריטי.מחקרים מעבדה רבים משתמשים במי פסולת מלאכותי עם מוליכות גבוהה ו substrates פשוטים, אשר אינם משקפים תנאים אמיתיים.Efforts הם בדרך לפיתוח פרוטוקולים קונצנזוס עבור הערכת MFCs, כולל הנחיות של האגודה הבינלאומית לאלקטרוכימיה מיקרוביאלית וטכנולוגיה (ISM ET) בדיקות טייס על ביוב אמיתי הם בעלי ביצועים בולטים באוסטרליה, ו-זמנית, אשר מספקים נתונים חיוניים על פני השטח, על פני סין, וחדשנות, אשר מפעילים, וכן הלאה, אשר מספקים.

מדיניות, כלכלה ו- Market Outlook

תמריצים ממשלתיים לאנרגיה מתחדשת ומגבלות פריקה תזונתיות מחמירות יותר יוצרים סביבה נוחה לאימוץ MFC באיחוד האירופי, למשל, הוראת מסגרת המים דוחפת לטיפול בנפט עד 2030. MFCs יכול לשחק תפקיד בהשגת מטרה זו, במיוחד אם הפעלת פחמן מוחלת על מנת להימנע מפליטת פליטות.ניתוח מחזור חיים מצביע על כך שיתרונות סביבתיים של צריכת אנרגיה מופחתת ולהפחית את הייצור, ככל הנראה, ניתן יהיה לעקוב אחר עלויות נמוכות יותר של פחמן, עם ירידה תחרותיות, עם עלויות טיפול סטנדרטיות, עם עלויות טיפול סטנדרטיות של צריכת מים.

מסקנה

תאי דלק מיקרוביאליים מציעים פתרון היברידי לשני אתגרים דחופים: הסרת חומרים מזינים משפכים ודור של אנרגיה מתחדשת.על ידי ניצול התהליכים המטבוליים הטבעיים של חיידקים, MFCs יכול במקביל לטפל במים לייצר חשמל, עם היתרון הנוסף של שחזור זרחן עבור reuse.למרות מכשולים משמעותיים הקשורים לתפוקה, עלות, והיקף, התקדמות מתמשכת בחומרים אלקטרו-סינטרופיים, שיפור מתמיד של טכנולוגיות מיקרוביות או תכנות אלקטרוניות, במהירות, הן יכולות להשתלב באופן קבוע.

הדרך מתוצאות פריצת דרך במעבדה להשפעה של העולם האמיתי היא לעתים רחוקות פשוטה, אבל עם המשך מחקר בינתחומי ומסגרות מדיניות תומך, MFCs יש פוטנציאל להפוך אבן הפינה של ניהול פסולת בר קיימא. כמו הביקוש העולמי למים נקיים ואנרגיה מתחדשת גדל, היכולת הכפולה של טכנולוגיה אלקטרונית זו טכנולוגיה אלקטרונית-אלקטרוניקה רק תהפוך להיות בעלת ערך רב יותר.