תחנות ניטור סביבתיות המופעלות על ידי שימוש בתאי דלק מיקרוביאליים

מעקב סביבתי בעידן האנרגיה

ניטור סביבתי מהווה את עמוד השדרה של ניהול מערכות אקולוגיות מושכלות, מחקר אקלים, והגנה על בריאות הציבור.מעקב אחר איכות האוויר במרכזים עירוניים למדידת טוהר המים במרווחי מים מרוחקים, הנתונים שנאספו על ידי תחנות ניטור מאפשרים למדענים ולמקבלי מדיניות לקבל החלטות המבוססות על ראיות.אבל הרשתות המאגדות את המידע הקריטי הזה להתמודד עם אתגר מתמשך: תחנות כוח מסורתיות על חשמל, סוללות חד פעמיות, או לוחות סולאריים – עם מגבלות שכמות סביבתיות, ומגבלות, יכולות לצמצום קבועות, ולהפחית את השפעתן של סוללות, וצמצום קבועות, וכיסוי קבוע של סוללות, וכיסוי קבוע של מערכת השמש, תוך כדי לחץ אוויריחות, תוך כדי לחץ אווירי משקל קבוע, תוך כדי לחץ אוויריחות, וצמצום קבוע, וצמצום קבוע, וצמצום של מגבלות אנרגיה, או מגבלות אנרגיה, וצמצום קבוע, וצמצום קבוע של מגבלות אנרגיה, וצמצום קבוע, וצמצום קבוע של מערכת הפעלה, תוך כדי לחץ אווירי משקל קבוע, תוך כדי לחץ אווירי, וכיסוי קבוע של מגבלות קבוע, וכיסוי קבוע של מערכת הפעלה, תוך שימוש בטמפרטורות מתוחכמותיחותמתנה, וכיסוי קבוע של מערכת הפעלה, וצמצום קבוע של מגבלות אנרגיה, וכיסוי קבוע של מערכת הפעלה, ו

היכנס לתאים דלק מיקרוביאליים (MFCs), טכנולוגיה ביו-אלקטרוניקה המייצרת חשמל מפעילות מטבולית של מיקרואורגניזמים.על ידי רתום התהליכים הטבעיים המפרקים חומר אורגני, MFCs יכולים להפוך פסולת - כגון עלים שנפלו, שאריות חקלאיות או פסולת - במקור כוח יציב ונמוך, כאשר משולבים לתוך ניטור סביבתי, מערכות אלה מופעלות עצמית כדי לחסל את מקורות האנרגיה הקונבנציונאליים שלהם, אשר כבר לבחון את מקורות אנרגיה סטנדרטיים, אשר נמצאים על ידי מיקרו-עולמיים, אשר נמצאים על ידי כוח יציבים, אשר נמצאים על ידי כוח יציבים, על ידי שימוש יציב, על ידי שימוש קבוע, על ידי שימוש קבוע, על ידי שימוש בתחנות כוח ברמה נמוכה.

מה הם תאי דלק מיקרוביאליים?

תאי דלק מיקרוביאליים הם מכשירים שממירים אנרגיה כימית מאוחסנים בתרכובות אורגניות לאנרגיה חשמלית באמצעות הפעילות הקטליטית של המיקרואורגניזמים.העיצוב הבסיסי מורכב משני תאים – או aode and a Cathode – שהופרד על ידי פעילות פרוטון חילופי membrane.בחדר ה-Aode, אלקטרואקטיבי (נקרא לעתים קרובות exoelectrogens) oxidize אורגני, שחרור אלקטרונים, תוך כדי זרם אלקטרו-אלקטרומגנטיטיס חיצוני, כולל את האלקטרומגנטי, תוך כדי זרם אלקטרו-אלקטרומגנטי, עם חומר אלקטרו-אלקטרומגנטיטיס, עם אלקטרו-אדום, זרם אלקטרו-אדום, תוך כדי זרם אלקטרו-אלקטרומגנטי, אלקטרו-אלקטרו-אדום, עם אלקטרו-אלקטרואקטיבי (מדומים, 000).

(המיקרואורגניזמים עצמם הם חידוש מפתח.בניגוד לתאי דלק קונבנציונליים הנשען על זרז מתכת יקר כמו פלטינה, MFCs להשתמש במעבורה טבעית או קהילות מיקרוביאליות מונדסות עצמיות והתאמה אישית.FLT:0Common exoelectrogens, כולל מינים של FLT:1Geobacterph:2, LTFal 3R:

סוגים של תאי דלק מיקרוביאליים

במהלך שני העשורים האחרונים, החוקרים פיתחו כמה התנצלות של MFC כדי להתאים לסביבות שונות ולדרישות כוח:

• (FLT:0Sediment MFCs (SMFCs): FLT 1 Placed בתחתית האגמים, הנהרות, או סביבות ימיות, תאים אלה משתמשים בחומר אורגני במשקעים כמו דלק וחמצן מן עמוד המים כמו מקבל אלקטרון קדומים.
• (FLT:0Wastewater MFCs:FLT:1) נועד לשלב עם מתקני טיפול, תאים אלה לייצר בו זמנית כוח וטיפול פסולת.הם יכולים לשמש מקורות כוח עבור חיישנים בתוך צמחי טיפול עירוניים או תעשייתיים.
• (FLT:0) MFCs: FIRLT:1 קבור באדמה הארצית, תאים אלה לקצור אנרגיה מגידול חומר צמחי ושורשים exudates.
• (FLT:0) היברידיות FLT:0 (Plant-MFC: ⁇ F1) צמחים חיים באזור הרוד מספקים אספקה רציפה של exudates אורגניים, המאפשרת הפעלה לטווח ארוך, ללא תחזוקה - הידוע כתאים דלק מיקרוביאלי (P-MFCs).

כל עיצוב מתייחס למגבלות ספציפיות של צפיפות כוח, תוחלת חיים ומורכבות פריסה.עבור תחנות ניטור המופעלות על ידי עצמי, הבחירה של סוג MFC תלויה בסביבה המקומית ואת דרישות הכוח של חיישני לוח וטלמטורי.

תחנות ניטור מבוססות-עצמיות: אדריכלות ומבצע

תחנת ניטור סביבתית מופעלת עצמית המשתמשת בטכנולוגיית MFC היא יותר מסתם מערך חיישן בתוספת סוללה - היא מערכת משולבת שמנהלת קצירת אנרגיה, אחסון וצריכה בלולאה סגורה.

• (FLT:0Microbial דלק מערך: FIRLT:1 , יחידות MFC מרובות להגדיר בסדרה או במקביל לייצר את המתח הדרוש זרם.עבור חיישנים בעלי כוח נמוך (למשל, טמפרטורה, לחות, pH), SMFC יחיד עשוי להספיק; עבור יומני נתונים ורדיו משדרים, מערך של חמישה עד עשרים תאים משותפים.
• (FLT:0) Power Managementמודול:FLT:1 (A DC-DC) ממיר את המתח הנמוך (בדרך כלל 0.3–0.8 V לתא) ל-3.3 V או 5 V הנדרש על ידי אלקטרוניקה. An Energy Harvesting Circle משולב (EH IC) ממקסמת את מיצוי החשמל בתנאים שונים של עומס.
• (FLT:0) אחסון אגורה: FLT:1 Supercapacitors או סוללות טעינה (lithium-ion או ניקל-metal hydride) buffer לסירוגין ייצור כוח.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.מ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.ל.פ.פ.ל.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.א.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.א.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.פ.איי.איי.ג.ג.ג.ג.ג.ג.ג.ג.ג.ל.ל.ל.ג.ג.ג.ג.ג.ג.ג.ל.ל.ל.ל.ג.ל. .ג. . . ⁇ . . ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0)Sensor Suite:FLT:1 חיישנים מיני-אורונדנטים, בעלי כוח נמוך לפרמטרים כגון טמפרטורה, לחות יחסית, לחץ אטמוספרי, פחמן דו-חמצני, מתאן, חומר חלקי, pH, חמצן, זעזוע, זעזועים, ומזהמים ספציפיים (למשל, מתכות כבדות, ניטרטים).
• (FLT:0Microcontroller and data logger:03: ⁇ 1) מיקרובקר בעל כוח אולטרה-נמוך (למשל, ARM Cortex-M0 או ESP32 במצב שינה עמוק) מצליח לקרוא חיישנים, לוגיש נתונים לזיכרון פנימי, וגורם שידורים במרווחים קבועים.
• (FLT:0) מודול תקשורת אלחוטי:FLT:1 LoRaWAN, NB-IoT, או משדרי לוויין (לאתרים מרוחקים קיצוניים) שולחים נתונים לשרת מרכזי.פרוטוקולים אלה נבחרים לצריכת החשמל הנמוכה שלהם ביחס לתא או Wi-Fi מסורתי.
• (FLT:0) מתחם פרוטקטיבית: 1FLT:1 דיור עמיד בפני מזג אוויר המגן על אלקטרוניקה מגשם, אבק וקרינת UV תוך מתן אפשרות אוורור וגישה לתאי MFC לתדלוק או תחזוקה.

תקציב אנרגיה ו-Sing

תכנון תחנת בטיחות עצמית מתחיל עם תקציב אנרגיה זהיר.יש חיישן סביבתי בעל כוח נמוך טיפוסי שואב 50-100 מיקרוA במצב שינה ו 50-150 מ"א במהלך חישה ומשלוח פעיל, אם הצומת מתעורר כל 15 דקות כדי לקחת מדידה ולהעביר תפוקה של 20 מ"ר עבור שטח אלקטרו-קרב, צריכת החשמל הממוצעת עשויה להיות 5-20 מ"ו.

יתרונות על מקורות כוח

תחנות ניטור מבוססות MFC מבוססות על MFC מציעות הטבות נפרדות בהשוואה ל-Network-tied, סוללות בלבד, או חלופות המופעלות על ידי השמש:

• (FLT:0)בל כליות: FLT:1 , פסולת אורגנית זמינה כמעט בכל מערכת אקולוגית - עבור הכיפה, שאריות חקלאיות, פסולת בעלי חיים, ומשקעים מימיים. MFCs הופכים לבעיה של סילוק אנרגיה.
• (FLT:0) חידוש התחזוקה: 1FLT:1אנדרה, MFCs יכול לפעול במשך חודשים ללא התערבות, שכן קהילות מיקרוביאליות הן בעלות עצמית. Batteries, לעומת זאת, דורשות תחליף תקופתי שניתן לאסור באופן לוגיסטי באזורים מרוחקים.
• (FLT:0) פעולה בלתי פוסקת ללא קשר למזג אוויר: FIRLT:1 בניגוד ללוחות סולאריים, MFCs לייצר חשמל 24/7, כולל בלילה ובמהלך מצבים מצופים או גשום.אמינות זו חשובה לתחנות ניטור שחייבות לתפוס מחזורים ואירועי סערה.
• (FLT:0) טביעת הרגל הסביבתית של לואוור: 1FLT:1 MFCs אינם מייצרים לוואי רעילים במהלך המבצע, והם יכולים אפילו לשפר את טיפול הפסולת המקומי. Disposal של סוללות מובזבז הוא דאגה סביבתית גוברת; תחנות המבוססות על MFC מבטלות במידה רבה את זרם הפסולת.
• (FLT:0) סודיות והתנגדות ונדליזם: ⁇ 1:1 ⁇ MFC קבורים לעתים קרובות או submerged, מה שהופך אותם פחות אטרקטיביים עבור גניבה או ונדליזם מאשר לוחות סולאריים חשופים.
• (FLT:0) חיסכון מצטבר על מחזור החיים: FLT:1 למרות עלויות ההתקנה הראשוניות עבור מערך MFC יכול להיות גבוה יותר מאשר עבור ערכות סוללות פשוטות, חיסול של נסיעות החלפת סוללות יכול להוביל בעלות נמוכה יותר, במיוחד עבור תחנות שקשה לגשת (למשל, הרים, הרכות, יערות עמוקים).

אתגרים טכניים ומחקר מתמשך

למרות היתרונות המשכנעים הללו, טכנולוגיית MFC עדיין אינה פתרון של Plug-and-play לכל תרחישי המעקב.

הכח הנמוך

תפוקה טיפוסית של כוח MFC נשאר פקודות בגודל מתחת לאלה של מנועי הבעירה או תאים פוטו-וולטאיים.אפילו מערכות המעבדה הטובות ביותר להשיג רק כמה וואט למטר רבוע.זה אומר כי חיישנים כוח-המוח (למשל, ספקטרום המוני המוצג, מצלמות אבטחה גבוהה) הם חסרי מצפון עם MFC בלבד.

סקלאלה ועלויות של חומרים

פריסה בקנה מידה גדול של MFCs דורש חומרים סבירים. membranes יקר (למשל, Nafion) וזרזי טיהור גבוה עלויות מנופחות. חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חקרו עיצובים ללא משוא פנים ושימוש בחומרים מבזבזניים כגון אלקטרודות ביושר, אשר יכול לקצץ בעלויות של 50–70% תוך שמירה על פרויקטים מקובלים בהודו ומזרח אפריקה הפגינו חומרים המבוססים על הקרקע שמיוצרים מ- MFC חודשים קטנים ועלולים לנפחים עם אפס LED.

יציבות מיקרוביאלית וארוכותיות

עם הזמן, קהילות מיקרוביאליות יכולות להשתנות עקב שינויים סביבתיים (למשל, סחף pH, קיצוניות טמפרטורה, פיזור תת-קרקעי) זה יכול להפחית את תפוקת החשמל או לגרום לכישלון מערכת.אסטרטגיות לשמור על קונסוררציה יציבה כוללים בידוד תקופתי עם תרבויות טריות, העשרה סלקטיבית של exoelectrogens באמצעות פוטנציאלים מכופים, ועיצוב תא כדי לשמור על חיץ של חומר מרוכז (ב) מאפשר מעקב פנימי, מאפשר ניטור פנימי (מפרק) של חומרים מתקדמים, מאפשר, מאפשר, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, זרם של חומרים פנימיים, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, כולל, בתנאי בקרה, בתנאי בקרה, בתוך מערכת הפעלה נוכחית, כדי לפתח, זרם של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים, כדי לפתח, כדי לפתח, אשר מאפשר, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, בתוך מערכת הפעלה מושלמת של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים של חומרים פנימיים, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי לפתח, כדי

קר-סטאר והתחדשות

כאשר תחנת ניטור היא הראשונה פרוסה, MFC עשוי לקחת ימים עד שבועות כדי להגיע לכוח שיא כמו האוכלוסייה המיקרוביאלית גדל.הוספת סוללה קטנה של סטארט-אפ אשר גובה במהלך תקופת ה-up יכול לגשר על הפער הזה.עבור ניתוח ארוך טווח, מדי פעם "הזנת" של תא הרוד עם תת-סטריט אורגני (למשל, פתרון acetate) יכול להחיות את התפוקה האוטונומית באמצעות מערכות מומיות פשוטות כדי לחסל את הגורמות לפירוק של פעילות אנושית.

מחסומים אמיתיים ומקריות

קבוצות מחקר רבות וסטארט-אפים כבר בנו ובחנו תחנות ניטור סביבתיות המופעלות על ידי MFC.מחקרים אלה ממחישים הן את הפוטנציאל והן את השיעורים המעשיים שלמדו:

1 ניטור איכות מים בסקוטלנד

חוקרים מאוניברסיטת אברדין פרסו buoy מופעל על ידי MFC בנהר Dee כדי לפקח על pH, לפזר חמצן, וזעזועים.המערכת השתמשה ב aode גרם 0.5 m2 גרף קבור בנהר סירוד הנהר, אך חתול אל-חלד אל-חלד מושעה במים הפתוחים.

2. Forest Microclimate Stations in the הברזילאי אמזון

פרויקט בראשות המכון הלאומי למחקר אמזון (INPA) השתמש ב- MFC מבוסס קרקע כדי לטמפרטורת אוויר, לחות ו- CO2 חיישנים ביערות הגשם צפופים שבו לוחות סולאריים יוצלו על ידי הקפיפון.ה- MFCs נקברו 20 ס"מ עמוק עם aodes שנעשו פחם מקור מקומי וקטורדות שנחשפו לקומה החבית.

3. Agricultural Runoff Sensors in the Holland

לוח המים ההולנדי Hoogheemraadschap ואן דלפללנד בדק מערכת היברידית צמח-MFC על תעלה ניקוז ליד שדה פלופי. Rushes ו קטפרים שגדלו בתא הרוד סיפק אספקה רציפה של exudates שורש.המערכת הפעילה ניטראט וחיישנים פוספטפטים אשר שלחו התראות כאשר הפריה עלתה על הסף.

תחזית עתיד: שילוב עם IoT ואינטליגנציה מלאכותית

הגבול הבא לתחנות ניטור MFC המופעלות על ידי כוח עצמי הוא באינטליגנציה דיגיטלית ושילוב מערכת. רשתות בעלות כוח נמוך (WAN) כמו LoRaWAN כבר עושה את זה כלכלי לפרוס מאות צמתים על פני נוף. בשילוב עם כוח MFC, רשתות חיישן אוטונומיות באמת ניתן לממש.מכונות למידה אלגוריתמיות יכולות לנתח את דפוסי קצירת החשמל כדי לחזות מתי MFC תצטרך דחיפה תת-סטרופה או כאשר הסיכון הגלום הוא פליטה של אנרגיה.

כיוון מבטיח אחר הוא השימוש ברגישים ביולוגיים כי הם עצמם משולבים עם MFC אלקטרודות.לדוגמה, MFC יכול לשמש כמקור כוח ו biosensor עבור contaminants ספציפיים: כאשר מתכות רעילות נכנסות לחדר הרוד, הם מעכבים חילוף החומרים מיקרוביאלי, גרימת ירידה משמעותית בהווה.

לבסוף, מערכות היברידיות שצמדות MFC עם פסים פוטו-וולטאיים קטנים או גנרטורים תרמואלקטריים מפותחות כדי לכסות עומסי שיא וריאציות עונתיות קיצוניות.חברות כמו FLT:0Evoqua Water TechnologiesFLT:1 וספין- offs אקדמי כגון FLT:2Plant-PowerFLT 3 הם מסחרי מבוסס MFC עבור חיישנים מים חקלאיים, המציין שוק גדל.

מסקנה

טכנולוגיית תאי דלק מיקרוביאלית מציעה נתיב אמין לתחנות ניטור סביבתיות המופעלות על ידי שליטה עצמית, בעלות קיימא, בעלות נמוכה, וגמישות, על ידי המרת פסולת אורגנית זמינה מקומית לחשמל, MFCs עקף רבים מהעלות והחסמים לוגיסטיים המגיפים רשתות ניטור קונבנציונליות, בעוד שרשתות ניטור קונבנציונליות של כוח זוהוות נשארות צנועות, תכנון מערכת זהירה - כולל יבול אנרגיה יעיל, אחסון, תחזוקה אולטרה סגולה, ואלקטרוניקה אולטרה סגולה - יכולות לערימות - יש יציבות עבור מבנים סביבתיים, יציבות, ואווירה, ואווירה, מערכות מוצקות, יציבות, יציבות, יציבות, מערכות מבוזרות, מערכות מבוזרות, כולל שיפור רחבות, מערכות מבוזרות, יציבות, יציבות, יציבות, יציבות, יציבות, ואלקטרוניקה, מערכות מבוזרות, יציבות, יציבות, יציבות, יציבות, יציבות, מערכות מבוזרות, מערכות סביבתית, מערכות סביבתית, מערכות מדידה של מבנים סביבתיים, ואלקטרוניקה יעילה, לטווח רחב של מבנים ארגונית, ואלקטרוניקה יעילה, מערכות מדידה של מבנים ארגונית, מערכות מדידה של מבנים יציבים, כולל שיפור רחב של מבנים יציבים, מערכות מדידה, מערכות מדידה של מבנים.

ככל שחומרי אלקטרודה הופכים זולים יותר ומיקרוביאליים חזקים יותר, נקודת הטיפאזינג הכלכלית תוטה עוד יותר לטובת תחנות המופעלות על ידי MFC.עבור ecologist, התיולוגים ומדענים אקלים הזקוקים לנתונים מהפינות הבלתי נגישות ביותר של הפלנטה, מערכות ביו-אלקטרוניקה אלה עלולות להפוך בקרוב לבחירה ברירת המחדל - ובכך להפוך את הפסולת והטבע לאנרגיה המסייעת לנו להבין ולהגן עליה.