עידן חדש ב- Bioelectrochemical Power Generation

הנוף האנרגיה הגלובלי עובר טרנספורמציה עמוקה כמו מהנדסים וחוקרים מחפשים חלופות בר קיימא דלקים מאובנים.בין הטכנולוגיות המבטיחות ביותר אך לעתים קרובות להתעלם ממנו הוא תא הדלק המיקרוביאלי (MFC), מערכת ביו-אלקטרוניקה המנצלת את הפעילות המטבולית של חיידקים לייצר חשמל.בניגוד למקורות מתחדשים נפוצים כגון הנדסת השמש או רוח, MFCs מציעים את היתרון הייחודי של המרת פסולת אורגנית ישירות לתוך תוך טיפול בו זמנית כי הם מביאים פונקציונליות כפולה של אנרגיה מעגלית, כמו מודלים של אנרגיה, כמו מודלים תעשייתית, כמו מודלים תעשייתית מרחוק, כמו מודלים של אנרגיה מעגלית, כמו מודלים של אנרגיה, חומרים מסוכנים, אנרגיה, כמו מודלים של אנרגיה, אנרגיה, כמו מודלים של אנרגיה מעגלית, כמו מודלים של אנרגיה, Mens, חומרים מסוכנים, חומרים מסוכנים, MFC, כמו מודלים של אנרגיה, חומרים מסוכנים, אנרגיה, אנרגיה, כמו מודלים של אנרגיה, MFC, כמו מודלים של אנרגיה, אנרגיה מתחדשת, כמו מודלים של אנרגיה, אנרגיה מתחדשת, מערכות אנרגיה מעגלית, MFC, אנרגיה מעגלית, כמו מודלים של אנרגיה מתחדשת, חומרים מסוכנים, אנרגיה מתחדשת, כמו מודלים של אנרגיה, כמו פיתוח אנרגיה, MFC, MFC, מערכות אנרגיה, מערכות אנרגיה, כמו פיתוח אנרגיה מתחדשת, אנרגיה, מערכות אנרגיה מתחדשת, כמו פיתוח אנרגיה

עבור מהנדסים הפועלים בתחומי איכות הסביבה, האנרגיה וההנדסה האזרחית, הבנת המצב הנוכחי של טכנולוגיית MFC היא חיונית. מאמר זה מספק סקירה טכנית מקיפה של פריצות דרך האחרונות, יישומי הנדסה מעשיים, ואת הדרך קדימה עבור תאי דלק מיקרוביאליים בדור כוח בר קיימא.

מה הם תאי דלק מיקרוביאליים?

תאי דלק מיקרוביאליים הם מכשירים ביו-אלקטרוניקה המרירים את האנרגיה הכימית המאוחסנים בשקעים אורגניים לאנרגיה חשמלית באמצעות פעילות קטליטית של מיקרואורגניזם.העיקרון היסודי מושרש בנשימה חיידקית: חיידקים מסוימים, הידועים כ- exoelectrogens, מעבירים באופן טבעי אלקטרונים מחוץ לחיבוק התא שלהם במהלך החמצן של החומר האורגני.

הפשטות של מושג זה עומדת על המורכבות של התהליכים הביולוגיים והאלקטרוכימיים הבסיסיים.חדר הרוד מכיל ביופיל מיקרוביאלי גדל על פני השטח אלקטרודה.ביופיל זה מורכב קהילה מגוונת של חיידקים שעובדים באופן סינרגי כדי לשבור תרכובות אורגניות מורכבות.חדר קאטודה מכיל בדרך כלל מקבל אלקטרון, בדרך כלל חמצן בשל השפע והפוטנציאל האדום שלו.

MFCs יכול לנצל מגוון רחב של תת-שכבות אורגניות, כולל גלוקוז, אצט, מים פסולת ביתיים, ריצה חקלאית, פסולת עיבוד מזון, ואפילו ללקט אפריבית זה הופך אותם גמישים להפליא עבור יישומים הנדסיים שבו זרמי פסולת כבר נוכחים.תהליך ההמרה אנרגיה פועל בטמפרטורות מתוחכמות ולחץ, הדורשים אנרגיה חיצונית עבור המרכיב הביולוגי, אשר ממבדיל תאים חשמליים אחרים כמו דלקים.

כיצד MFCs עובד: הנדסת חשמל וביולוגיה

התפקיד של Exoelectrogenic Bacteria

(ב) [ה]] [ה]]] [ה]] [ה]]] [ב]]] [ה]]]]] [ה']'[ב]']'[ה']'[ב[[המאה ה-20], ו[[המאה ה-20]], [[המאה ה-20]],]], [[ה[[1924]]]]]],]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

קונסורציום המיקרובי ב- MFC הוא לעתים רחוקות מין אחד.קהילות מיקרוביאליות מעורבות הן חזקות יותר, ממושכות ומסוגלות לטבול מערכות יחסים מורכבות. Syntrophic לפתח שבו קבוצה אחת של חיידקים שוברת מולקולות אורגניות מורכבות לתרכובות פשוטות יותר (כגון acetate ו מימן) כי exoelectrogens יכול אז לחמצן את ה-microbial אלה באמצעות פעילות גופנית, ו-igation הנוכחי, הוא מרכזי של מחקר גנטי.

תגובות אלקטרוניות וצריכת אנרגיה

ה-Anodic half-reaction כרוך בחמצן של חומר אורגני, עם cetate לשמש מודל substrate עבור מחקרים מעבדה רבים:

C2H4O2 (acetate) + 2H2O 2CO2 + 8e - + 8H +

בקטודה, מקבל האלקטרון הטרמינל מופחת.עבור קטודות המבוססות על חמצן:

O2 + 4e - + 4H + 2H2O

המתח המקסימלי התיאורטי מ- MFC באמצעות אצט וחמצן הוא בערך 1.1 V בתנאים סטנדרטיים.עם זאת, מתחים פתוחים-circuit מעשי טווח בדרך כלל מ-0.6 עד 0.8 V, ומתחים התפעוליים תחת עומס נמוך יותר בשל מגבלות בשני אלקטרודות. אלה מעלים יתר על המידה על ידי אובדן הפעלה, הפסדי אומת וריכוז.

צפיפות כוח - ביטוי ב וואט למטר רבוע של שטח פני השטח אלקטרודה או למטר מעוקב של נפח כור - הוא מדד הביצועים המרכזי של המדינה הנוכחית-of-the-art MFCs להשיג ניתנות כוח של 1–3 W/m2 בהגדרות מעבדה, עם כמה דוחות מעל 6 W /mscale באמצעות חומרים מתקדמים ותצורה אופטימיזציה.

התקדמות טכנולוגית חדשה

העשור האחרון היה עד האצה במחקר MFC, הניב שיפורים מוחשיים על פני היבטים מרובים של הטכנולוגיה.ההתפתחויות הללו מסווגות לארבעה תחומים מרכזיים: חומרי אלקטרודה, הנדסה קהילתית מיקרוביאלית, ארכיטקטורת מערכת ושילוב עם תשתיות קיימות.

חומרים אלקטרודה

אלקטרודה היא ככל הנראה המרכיב הקריטי ביותר של MFC, שכן היא משפיעה ישירות על יעילות העברת אלקטרונים, היווצרות ביופילם, ועלות המערכת הכוללת. אלקטרודות המבוססות פחמן מסורתיים - בד פחמן, נייר פחמן, מוטות גרפיט ופחמן הרגיש - נעשה שימוש נרחב בשל ביו-קופטיות שלהם, יציבות כימית, ועלות נמוכה יחסית.

(ב) ,0) פריצות דרך גדולות בחומרי אלקטרודה כוללות: אנדרל 1

  • (FLT:0Graphene מבוסס אלקטרודות: גרף 1) גרף Graphene oxide מופחת כדי לבצע גרפן גרף מציעה שטח משטח גבוה במיוחד (עד 2,600 m2 /g) וניידות אלקטרוניות מעולה. Graphene-coated פחמן בדודהs הראו שיפור צפיפות כוח של 2-4 פעמים על פני אלקטרודות לא מטופל.
  • (FLT:0)Carbon nanotube (CNT) מורכב: ⁇ FLT 1 CNTs שהופקדו על נייר פחמן או נירוסטה פלדה mesh ליצור מבנה היררכי עם מוליכות גבוהה וחוספסות. Aligned CNT מציעים מסלולים אלקטרונים ישירים הוכח להגדיל את צפיפות הנוכחית עד 10 כפול בהשוואה לאלקטרודות פחמן.
  • (FLT:0) פולימרים בולטים:FLT:1ir פוליאנילין וציפוי פוליפידרול החלים על אלקטרודות פחמן לשפר את הציפוי ולספק משטח ביו-אי-תואמים לדבקות ביו-סרטים.
  • (FLT:0) אלקטרודות מבוססות-מתכת:FLT:1 , פלדת סטטינים מצופה פחמן מופעל או פלטינה חלקיקים נחקרו עבור קטודות, שבו קינטיקה מופחתת חמצן הם לעתים קרובות הגורם המגביל. זרזים מתכת לא-precious כגון פחמן דו-דו-פעמי (מאטים ללא-פח) ומדמוצפנתיים הם מקבלים תשומת לב כמו חלופות יעילות לפלטינה.
  • (FLT:0)Biochar ופחמי פסולת:FLT 1:1 Pyrolyzed פסולת חקלאית (כגון קליפות קוקוס, צ'אטים תירס, או שפכים לבב) ניתן להמיר לתוך גבוהה-surface-area, לנהל חומרי פחמן.

המגמה היא לקראת עיצובים אלקטרודה רב תפקודיים המשלבים מוליכות גבוהה, שטח פני השטח גדול, פעילות קטליטית ויציבות ארוכת טווח.רבים מהחומרים המתקדמים הללו עוברים מהפגנות בקנה מידה מעבדה ועד הערכות בקנה מידה פיילוט.

קהילות מיקרוביאליות

בעוד חומרים אלקטרודה מתייחסים לצד החומרה של ביצועי MFC, המרכיב הביולוגי מציע הזדמנויות משמעותיות באותה מידה לשיפור. הנדסת הקהילה המרכזית הנדסה FLT:1 כרוך בבחירת, העשרה, ולשנות ⁇ כדי למקסם את אלקטרואורגניזמים למקסימום את אלקטרון פלוקס לרוד.

אסטרטגיות מפתח כוללות:

  • (העשירה:0) ⁇ :0 (העשירה:0) ⁇ (בדומה ל-Anaerobic ⁇ מתחנות טיפול במים) ויישם מתח מתמשך או זרם כדי לתמוך במינים אלקטרואקטיביים.
  • (FLT:0) synthetic microbial קונסורטוריה: ⁇ 1:1 במקום להסתמך על ברירה טבעית, החוקרים מעצבים תערובת מוגדרות של מיקרואורגניזמים עם יכולות מטבוליות משלימים.לדוגמה, קונסורציום עשוי לכלול תסיסה המפרה סוכרים מורכבים לתוך חומצות פשוטות, exoelectr כי מחמצן את חומצות אלה, ומאני יכול לכלול ניצולים כי לצרוך את הגישה תת-קרקעית יותר מתחרות.
  • (הנדסה:0) הנדסת אקסווגנס: (הדגשה) (הראשונה ל- 1) שינויים ממוקדים בגנום של אורגניזמים מודל כמו FLT:2 Shewanella OnesisofFLT 3 ו-FLT:4Geobacter sulfurreducreensanceFLT:5 יש שיפור של אלקטרון, מורחב, וניצול משופר ל-iOSFIS, כולל שיפור גנטי, כולל שיפור חיצוני של 2.
  • (FLT:0)Quorum sensing מניפולציה: ⁇ FLT:1) תקשורת Bacterial באמצעות מולקולות חישה קוונטית משפיע על היווצרות ביופילם ופעילות מטבולית. הנדסה quorum sensing מסלולים יכולים לקדם ביופילים עבים יותר פעיל יותר על פני השטח של אגד.
  • (FLT:0) התפתחות של Biocathode: FLT:1 בעוד שרוב MFCs מסתמכים על קטודות ביוביוטיים (הפחתה חד-קטלית של חמצן), biocathodes לנצל microאורגניזמים כדי לזרז את התגובה ההפחתה.זה מבטל את הצורך זרזי מתכת יקרים ויכול לאפשר שימוש באלקטרון חלופיים לקבלנים כגון ניטרט, ניטראט, חמצני או מיקרו-חמצני (מיקרו-חמצני).

השילוב של הנדסה מיקרוביאלית עם חומרים אלקטרודה מתקדמים יוצר אפקטים סינרגטיים שמניעים את ביצועי MFC לעבר סףים רלוונטיים מבחינה מסחרית.

אדריכלות ואדריכלות

אחד האתגרים המתמשכים של טכנולוגיית MFC היה התרגום של הצלחות בקנה מידה מעבדה (הכורים הזמניים של כמה מ"ל ליטר אחד) למערכות מעשיות, בקנה מידה גדול. יחידות MFC יחיד לייצר מתח נמוך וזרם מוגבל, כך שדור כוח מעשי דורש ערימה של יחידות מרובות בסדרה או מקבילות.

(ב) ,0) חידושים גדולים בסקאלה כוללים: ⁇ 1

  • (FLT:0)Modular מחסנים עיצובים MFC: ההרחבה 1 (יחידות MFC בודדות) בנויות כמו צלחות שטוחות או מודולים אירוביים שניתן לערעור כמו סוללות. גישה זו מאפשרת דחיסה מצטברת ותחזוקה קלה.התצורה המוערת עולה באופן מוחלט למספר יחידות בסדרה, בעוד קשרים מקבילים להגדיל את הערימה של 40-50 יחידות מתקדמות יותר ויותר מ- 30 תפוקה של חשמל ו-V ריק.
  • (FLT:0) Hydraully מחובר cascades:Build:ofFLT) 1 בהקשרים לטיפול במים פסולת, סדרה של יחידות MFC מסודרים בתצורה של זרימה דרך זרימה מאפשר טיפול מתקדם של influent.היחידות הראשונות להסיר את החומר האורגני הטוב ביותר, ייצור הכוח הגבוה ביותר, בעוד מטה הזרם מבודד את האנרגיה המאולתרת והמשגרת.
  • (FLT:0) תצורה של זרימה ותאמבטיות: (FLT:1) מגיבים שעוצבו עם נתיבי זרימה אנכיים להפחית את טביעת הרגל ולפשט את הניהול הידראולי MFCs, שבו ה aode נמצא בפנים של מנברן אמבטית וקטודה עוטפים סביב בחוץ, הוכחו מדרגים ומופעלים על ידי מספר קבוצות מחקר וחברות.
  • (FLT:0) עיצובים של Air-cathode:FLT:1 לנטרל את הצורך בתא נוזלי קטודי נפרד על ידי שימוש בקטודה אווירית פסיבית מפשט באופן דרמטי את בניית הכור ומפחית את נפח.הקטוייד נחשף ישירות לאוויר, וחמצן מתפזר באמצעות מבנה ⁇ לשכבה.
  • (FLT:0) מפעלי טייס בקנה מידה תעשייתי: ההרחבה 1 (Nancy טייסים) באוסטרליה, הולנד, סין וארצות הברית הפגינו ערימות MFC המתייחסות ל-1,000 ליטר של מים פסולת ביום. הטייסים האלה סיפקו נתונים קריטיים על יציבות ארוכת טווח, תעריפים מרעילים, השפלה כוח וכדאיות כלכלית.

סלינג נשאר תחום פעיל של מחקר הנדסי, עם דגש מיוחד על חלוקת זרימה אחידה, יעילות איסוף נוכחית, וצמצום ההתנגדות הפנימית בערימות גדולות.

שילוב עם תשתיות טיפול פסולת

היישום הכמעט-טווחי של MFCs הוא שילוב שלהם לתוך צמחי טיפול פסולת קיימים. תהליכי טיפול אירוביים האמנה לצרוך אנרגיה חשמלית משמעותית עבור הפסקת חשמל - באופן חד-פעמי 0.3–0.8 קילוואטה למ"ק של מי פסולת מטופלים. MFCs לא רק מכבה את צריכת האנרגיה הזו אלא גם לייצר עודף חשמל.

עיצובים משולבים אחרונים כוללים:

  • (FLT:0)MFCs משובצים בעיכולות אנירוביות:FLT:1 פלאג אלקטרודות MFC בתוך מעכל אנירובי משפר את המרה של חומר אורגני להתאן בעת ייצור חשמל בו זמנית. MFC לוכד חלק של אלקטרון פלוקס כי אחרת ילך לייצור מתאן, ואת המתאן השוכנת ניתן עדיין לקציר אנרגיה.
  • (FLT:0)MFCs יחד עם רטובות בנויות: רינגפל:1 בנוי רטובות בעלות נמוכה, מערכות טיפול פסיביות שמסתמך על פעילות צמחית ומיקרוביאלית. integrating MFC אלקטרודות לתוך ממטריקס רטוב מוסיף פלט חשמל מבלי לשנות באופן משמעותי את ביצועי הטיפול. גישה זו מתאימה במיוחד עבור מים מבוזרים באזורים כפריים או מתפתחים.
  • (FLT:0)MFCs in membrane bioreactors:FLT:1 שילוב MFCs עם סינון membrane יוצר מערכת היברידית אשר משיגה יעילות באיכות גבוהה תוך יצירת כוח.שדה החשמלי שנוצר על ידי MFC יכול גם להפחית את מרעון מרעישת membrane - עלות תפעולית גדולה במרבגי.

שילוב של MFCs עם טיפול פסולת יוצר מחזור רוטט: הפסולת מספקת את הדלק, הטיפול הוא השירות העיקרי, וחשמל הוא תוצר לוואי יקר שמשפר את הכדאיות הכלכלית של שני התהליכים.

יישומים הנדסיים

תאי דלק מיקרוביאליים הם מציאת יישום על פני מגוון רחב של דיסציפלינות הנדסיות.בעוד שדור כוח בקנה מידה גדול נשאר מטרה ארוכת טווח, כמה יישומים נישה כבר מבחינה טכנית וחסכונית.

טיפול במים עם אנרגיה התאוששות

זהו היישום הבוגר ביותר ומחקר נרחב MFC. מים עירוניים ותעשייתיים מכיל חומר אורגני המייצג משאב אנרגיה משמעותי.תוכן האנרגיה של פסולת מקומית מוערך 1.5-2.0 קילוואטה לכללוגרם של הביקוש לחמצן כימי הוסר - אנרגיה אשר בזבזה כיום בתהליכים טיפול קונבנציונליים. MFC יכול ללכוד 30–50% של אנרגיה זו תוך השגת איכות דומה לטיפול משני, הוכחו הביקוש ל- 60 ליטרים של אנרגיה, כאשר נפח של אנרגיה מופחת של אנרגיה מופחת של אנרגיה מופחתת של אנרגיה, 000 ליטרים, 000 ליטרים, לעומת נפח של אנרגיה, 000 ליטרים, 000 ליטרים, 000, 000 של אנרגיה, 000 ליטרים של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה, 000 של אנרגיה זה יכול ללכוד את צריכת חשמל זה יכול ללכוד את צריכת חשמל זה יכול ללכוד את צריכת חשמל זה יכול ללכוד כמות אנרגיה זה יכול ללכוד את צריכת אנרגיה זה יכול ללכוד 30- 50% של אנרגיה זה כמו חשמל זה כמו חשמל, 000-50% של אנרגיה זה כמו חשמל, 000 של אנרגיה זה כמו חשמל, 000 של אנרגיה זה כמו חשמל, 000-50% של אנרגיה דומה, 000- 50% של אנרגיה זה כמו חשמל,

מזון עיבוד פסולת מים, שיש לו כוח אורגני גבוה והוא חינם של חומרים רעילים, מתאים במיוחד לטיפול MFC. ברונטריות, צמחי חלב ומתקני עיבוד פירות הם מאיצים מוקדם, עם כמה מערכות בקנה מידה מסחרי עכשיו פועל.התועלת הכלכלית היא כפולה: דמי שחרור מופחתת מים ועלויות מופחתות חשמל.

אספקה מרחוק לחיישנים ולציוד

תחנות ניטור סביבתיות, חיישני קורוזיה של צינורות, בדיקות איכות מים, ומכשירי מעקב חיות לעתים קרובות לפעול במקומות שבהם כוח רשת אינו זמין וחלופה סוללות היא לא מעשית או יקרה. MFCs אידיאלי עבור יישומים כאלה כי הם יכולים לפעול באופן רציף על חומר אורגני מתפתל נוכח באדמה, סימנט, או מים.FLT:0Sedimental דלק microbial דלק תאים פליטה 1Flastic (FC) הם תקופות של מזג אוויר אחד של תאים חשמליים ו-מתאים אקוסטיים (מתאים חד-מדומים) אשר נמצאים בטמפרטורה אחת של תאים מימיים (מכחול אחד) ואווירהחלים) נמצאים בטמפרטורה חיצונית של תאים מימיים (Mic) נמצאים ב-מכחול אחד (מכחול אחד) על פני כדור אחד (מכחול) על פני כדור אחד) נמצאים בתקופות של תאים חשמליים (מכחול אחד (מכחול) על פני כדור אחד (מכחול אחד) ואווירהחלוריד (מכחול אחד) נמצאים בתקופות של תאים חשמליים) נמצאים בתקופות של תאים חשמליים) נמצאים בתקופות של תאים חשמליים ללא מים מופעלת) על פני כדור אחד (מכחול אחד (מכחול אחד) על פני כדור אחד) על פני כדור אחד (מכחול אחד

ההתפתחויות האחרונות במעגלי ניהול חשמל אפשרו ל- MFC לטעון על supercapacitors או סוללות קטנות ולספק כוח פרץ לשידור נתונים אלחוטיים.עם כוח פלט בטווח מילימטריוואט, מערכות אלה מספיקות עבור חיישנים בעלי כוח נמוך שמעבירים נתונים באופן בלתי צפוי.חברות ומוסדות מחקר הפרו רשתות חיישן SMFC המופעלות על ידי נמלים, נהרות, אתרי יער מרוחקים, ומדגימים תפעול ארוך טווח.

מערכות היברידיות אנרגיה מתחדשת

תאי דלק מיקרוביאליים אינם צפויים להחליף פאנלים סולאריים או טורבינות רוח עבור כוח רשת בקנה מידה גדול, אבל הם יכולים לשחק תפקיד משלים במערכות אנרגיה מתחדשת היברידית. MFC לייצר כוח ברציפות (24 שעות ביממה, ללא קשר למזג אוויר), אשר יכול לחלק את הפלט לסירוגין ממקורות סולאריים ורוח.במערכת משולבת, לוחות סולאריים מספקים כוח שיא בשעות היום, טורבינות לתרום כאשר הם נוחים, MFC יכול לספק חשמל מחוזק, וספק כוח אחסון אנרגיה אורגני.

מערכות היברידיות כאלה אטרקטיביות במיוחד לקהילות מחוץ לרצועה, מתקנים תעשייתיים עם זרמי פסולת באתר, ותרחישים הקלה אסון שבו כוח אמין הוא קריטי ושרשרת האספקה דלק משבשת.

חיישן סביבתי וביוסנסורים

הרגישות של MFC לשינויים בריכוז החומר האורגני, pH, טמפרטורה ומזהמים רעילים גורמת להם ביוסנסורים טבעיים.ביוסנסטור מבוסס MFC יכול לזהות נוכחות של אבקות אורגניות במים על ידי מדידה של התפוקה הנוכחית - ירידה בהווה מצביעה על רעילות מעכבת חילוף חומרים חיידקיים.

יישומים כוללים ניטור בזמן אמת של איכות מים משפע, מערכות התראה מוקדמת עבור שפך תעשייתי, וגילוי של הביקוש לחמצן ביולוגי בגופים טבעיים.ביוsensors MFC כבר משולבים לתוך buoys ניטור הנהר ונקודות פריקה יעילות תעשייתית, מתן נתונים רציף מועבר באמצעות רשתות סלולריות או לווייני.

המונחים: Soil ניקוי

בנוסף לטיפול בפסולת נוזלית, ניתן להשתמש ב- MFCs עבור (FLT:0)in situ bioremediation של אדמה מזוהמת ומווטרל 1 (הטבע קבור בזרע מזוהם יוצר כיור אלקטרונים הממריץ את ההידרדרות המיקרוביאלית הטבעית של אבקות כגון הידרוקרבנים, מפלטים מחוסנים, מתכות כבדות, אשר נוצרות, מספק אמצעי של פעילות מיקרו-מקוקאלית של חומרים מטוהרים ודלקים, כגון הידרו-קרקעים.

ההפיכה של הביו-remediation עם דור כוח יוצרת הצעת ערך משכנעת לפרויקטים לשיקום סביבתי, שם החשמל שנוצר יכול להדוף חלק מהעלויות המחודשות.

אתגרים ומגבלות

למרות ההתקדמות המשמעותית של העשור האחרון, כמה אתגרים טכניים וכלכליים נותרו לפני ש- MFCs להשיג אימוץ הזרם המרכזי.

  • (FLT:0) צפיפות אנרגיה ושיקום אנרגיה: FLT:1 הנוכחי של כוח MFC, בעוד שיפור, הם עדיין סדר גודל מתחת אלה של תאי דלק מימן ושני הזמנות של גודל מתחת למנועי הבעירה פנימית. עבור רוב היישומים, MFCs לא יכול להתחרות עם מקורות כוח קונבנציונליים על בסיס בנפח של כוח-נפח כוח.המגבלה הבסיסית מגיעה מן הנטיקים של אלקטרו-ביוטיקה והעברות נמוכות יחסית של ריכוזים אורגניים.
  • (FLT:0) יציבות לטווח ארוך ועמידות: FIRLT:1 ; MFC biofilms וחומרים אלקטרודה מחלחלים לאורך זמן. Fouling של הפונקציה Proton Exchange membrane, קורוזיה של אספנים נוכחיים, ו biofilm חיתוך להפחית ביצועים.ארוכי זמן מחקרים מראים בדרך כלל ירידה של 20-50% בתפוקה כוח מעל שישה חודשים עד שנה של פעילות רציפה.
  • (FLT:0) שיקולים ארגונומיים: FLT:1 העלות הון של מערכות MFC, במיוחד חומרים אלקטרודה ופרוטון חילופי membranes, נשאר גבוה יחסית לטכנולוגיות טיפול במים קונבנציונאליים.המגרשים של Nfion בשימוש בדרך כלל עלות כמה מאות דולרים למ"ר.גם עם אלקטרודות מבוססות פחמן מתקדמות, העלות לוואט של יכולת מותקנת היא גבוהה פי 10 -100 פעמים מאשר חומר משומן, כאשר הוא מקבל יותר מצריכת שומן יעיל יותר, כאשר הוא מקבל יותר מצריכת חשמל משומן מתקדם.
  • רגישות טמפרל:0 (FLT:1) רוב החיידקים exoelectrogenic הם mesophilic, עם פעילות אופטימלית בטווח 30-40 מעלות צלזיוס. בטמפרטורות נמוכות (below 15 ° C), פלט חשמל טיפות באופן משמעותי.זה מגביל פריסת MFC באקלים קר אלא אם כן בידוד או חימום מסופק, אשר מוסיף עלויות אנרגיה.
  • (FLT:0)תחרות מ methanogens: ⁇ 1) בקהילות מיקרוביאליות מעורבות, ארכאאנית מאנית להתחרות עם exoelectrogens עבור substrates. methanogens להמיר מימן ו acetate to methane, להסיט אלקטרונים הרחק מדור חשמל.

פרספקטיבה עתידית

מסלול המחקר והפיתוח של MFC מצביע על עתיד שבו המערכות הללו הן חלק בלתי נפרד מהתשתית בת קיימא.FLT:0Several המתעוררת מגמות יעצבו את הדור הבא של טכנולוגיית MFC: ⁇ FLT:1

  • (FLT:0)Nanomaterial-enhanced אלקטרודות:FLT:1 הפיתוח המתמשך של גרפן aerogels, מסגרות מתכת-אורגניות, וננופולטים פולימרים מוליכים לדחוף את מאגרי החשמל מעבר לסף 5-10 W/m2, מה שהופך את MFCs תחרותי עבור מגוון רחב יותר של יישומים.
  • (FLT:0Microbial סינתטי ביולוגיה:FLT:1 גנטיקה ממונדס exoelectrogens עם שיעורי העברת אלקטרונים משופרים, טווח תת-קרקעי מורחב, והתנגדות ללחץ סביבתי יהפכו סטנדרטי במערכות MFC. סטרינס מותאם לסוגים מסוימים של פסולת (כגון רזות גבוהה או מכופרים תעשייתיים) יהיה סטנדרטי ופותח מסחרי.
  • (FLT:0)Low-cost, חומרים הניתנים למחזור: ⁇ FLT:1 השינוי בחומרים בר-קיימא - biochars, פחמן מגורשים, מזכרים קרמיקה, ו-Sparators מבוסס תאוז - יפחית את טביעת הרגל הסביבתית ואת העלות של MFCs. מחקר לתוך רכיבי MFC בעלי ערך ביו-מ"ק עבור יישומים זמניים (כגון ניטור סביבתי במהלך שמן) הוא גם לשפוך התקדמות.
  • (FLT:0) למידה ותיאומים דיגיטליים: FLT:1 הדינמיקה המורכבת, הלא ליניארית של MFCs להפוך אותם מועמדים אידיאליים עבור אופטימיזציה המונעת על ידי נתונים.מודלים למידה מכונה מאומן על נתונים תפעוליים יכול לחזות פלט חשמל, לזהות כישלונות בלתי פוסקים, ולהמליץ על התאמות למחזור זרימה, עומס, או ריכוז תת-קרקעי.
  • (FLT:0) מקיפים את מערכות מגה-וואט בקנה מידה: OVAFLT:1 בעוד עדיין מטרה מרוחקת, עיצובים מושגיים עבור חוות MFC בקנה מידה גדול משולבת עם צמחי טיפול עירוניים שפכים הוצעו.העיצובים אלה של מודולים סטנדרטיים MFC שוכנו באגן בטון, אנלוגי לתצורה מבוססת טנק המשמש טיפול שפכים קונבנציונלי.
  • (FLT:0) שחזור מוצר מתוחזק: ההרחבה 1 (Beleue-aded Product Recovery:BuildFLT:1) Beyond חשמל, MFCs ניתן להגדיר לייצר כימיקלים יקרי ערך כגון מימן (בתאים אלקטרוליטיים מיקרוביאליים), מימן peroxide, סודה סיבתית, וחומצות אורגניות.

ההתכנסות של מגמות אלה מרמזת כי MFCs יפתחו מסקרנות מחקר נישה לתוך כלי הנדסי מעשי על 10–20 השנים הבאות.היכולת של הטכנולוגיה לטפל בו זמנית בטיפול פסולת, ייצור אנרגיה, ניטור סביבתי תואם את עקרונות אקולוגיה תעשייתית וכלכלה מעגלית כי הם יותר ויותר אינפורמטיבי הנדסה.

מסקנה

תאי דלק מיקרוביאליים מייצגים התכנסות יוצאת דופן של מיקרוביולוגיה, אלקטרוכימיה ועיצוב הנדסי.ההתפתחויות האחרונות בחומרי אלקטרודה, הנדסה קהילתית מיקרוביאלית, אדריכלות כור, ושילוב מערכות עברו MFCs מהספסל המעבדה להפגנות בקנה מידה פיילוט ופריסה מסחרית מוקדמת.בזמן אתגרים של צפיפות כוח, עמידות, ועלות להישאר, שיעור ההתקדמות הוא מאיץ, על ידי חידושים מונעים בביולוגיה, מדעי חומר.

עבור מהנדסים הפועלים בתחומי הסביבה, האנרגיה והאזרחיות, MFCs מציעים מסלול מעשי להפוך זרמי פסולת למשאבים יקרי ערך - חשמליות, מים מטופלים ומוצרים כימיים - תוך צמצום טביעת הרגל של תשתיות חיוניות.כפי שהטכנולוגיה ממשיכה להתבגר, תאי דלק מיקרוביאליים מופעלים להפוך לכלי סטנדרטי בערכת כלי ההנדסה עבור ייצור חשמל בר קיימא ושיקום.

(ב) לבחון יישומים ספציפיים ופרויקטים מחקריים מתמשכים, קוראים מעודדים לבחון את נקודת היסוד של הסקירה:0.121C, שפורסם ב-FLT:1ScienceFLT:203FLT 3, תוך התייחסות לעקרונות היסוד וכיוונים מתעוררים ב-microbial אלקטרוכימיה, בנוסף, מחקר ה-FLT:4U.S של מחלקת האנרגיה של MLT5 מומן על גירסאות מתקדמות של מחקר: