Microbial Fuel Cells의 잠재적인 Powering Remote Extraction Operations에 대한

이 연구는 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발, 연구 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발 및 개발.

Microbial Fuel Cells는 어떻게 작동합니까?

Microbial Fuel Cell은 미생물의 촉매 활동을 통해 유기 기판에 저장된 화학 에너지를 변환하는 바이오 전기 화학 장치입니다. 기본 디자인은 양극 구획과 엽록 구획으로 이루어져 있으며, proton-exchange Membrane (또는 때때로 소금 다리)에 의해 분리되는 음극성 박테리아를 구성합니다. 양극 챔버에서, 전자 박테리아 인자 (]Shewanella oneidensis 또는 ] 또는 [FLT:] 또는 [FLT:]) 또는 [Fluns]를 통해 유기 화합물을 전달하는 것입니다.

핵심 구성 요소 및 역할

양극 전극: 탄소 기반 재료로 만든 종종 ( 흑연 펠트, 탄소 피복, 또는 탄소 브러시) 박테리아 접착 및 전기 이동에 대 한 큰 표면 영역을 제공.
Cathode 전극: 일반적으로 석회, 탄소 기반 촉매, 또는 산소 감소 반응을 촉진하는 biocatalysts를 사용합니다.
Proton-exchange Membrane: 산소 확산 및 anolyte 및 catholyte의 혼합을 방지하는 동안 선택적 인 proton 수송을 허용한다.
보통 피드: 유기 연료 소스-물류, 농업 잔류물, 또는 추출 사이트에서 lignocellulosic 바이오 매스.

Electron Transfer 메커니즘

Electrogenic 박테리아는 3개의 주요 노선을 통해 양극에 electrons를 이동할 수 있습니다:

직접접:외부 멤브레인 시크롬 물리적으로 전극 표면을 터치합니다.
Nanowires: Geobacter]]])는 생물학 나노 와이어로 작동하며, 미크론 거리에서 전자를 차단합니다.
미디어:유효성 또는 자기제작된 redox 미디어tors(예: phenazines, quinones)는 세포에서 전극으로 전자를 운반합니다.

이러한 메커니즘을 이해하는 것은 원격 작업에 대한 실용적인 힘 밀도를 제공 할 수있는 고성능 MFC를 설계하는 것이 중요합니다. [[FLT :0]] 합성 생물학 연구[FLT : 1]은 또한 향상된 전기 전달 기능을 가진 유전자 변형 박테리아를 탐구하고 있습니다.

원격 추출 작업에 대 한 장점

MFCs는 고립된 적출 위치에 있는 전통적인 전원에 몇몇 유일한 이익을 제안합니다:

Sustainable 연료 근원

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낮은 정비 및 Longevity

디젤 발전기와 달리 MFCs는 이동 부품 (재순환을 위한 펌프를 제외하고)가 없습니다. 그들은 최소한의 개입을 가진 달 동안 지속적으로 작동할 수 있습니다. 미생물 공동체는 각자 재생산할 수 있고, 전극은 전형적으로 급속하게 degrade하지 않습니다. 잘 디자인된 MFC 더미는 단지 정기적인 기질 보충 및 막 청소를 요구할지도 모릅니다.

분산, 모듈 전력

MFC 단위는 배열에서, 장비를 위한 킬로와트에 감지기 네트워크를 위한 몇몇 와트에서 스케일링 할 수 있습니다. 그들은 잘 머리, 파이프라인, 또는 광산 갱구, 삭제 전송 손실 및 격자 의존성에 직접 둘 수 있습니다. 근해 플랫폼 또는 Arctic 교련 위치를 위해, MFCs는 가연성 연료 없이 조밀한, 안전한 에너지 해결책을 제안합니다.

환경 준수

MFC는 가스 배출과 폐기물 처리량을 늘리고 있습니다. MFC는 거의 가스 배출(CO2 방출은 비스코스)를 생산하고 있으며, 물이나 꼬리에 유기 오염물질을 분해할 수 있습니다. MFC를 사용하는 기업은 ESG(Environmental, Social, Governance) 메트릭을 개선하고 잠재적으로 탄소 크레딧을 획득할 수 있습니다. 미국 에너지부]는 MFC가 통합된 폐기물 기술로 MFC를 획기적으로 파괴했습니다.

도전과 현재 제한

약속에도 불구하고 MFCs는 추출 작업에서 광범위한 채택 전에 극복해야 할 중요한 장애물을 직면 :

낮은 힘 조밀도

대부분의 MFC는 연소 엔진 (often >1 kW/m2)의 밑에 전극 지역의 0.1-1 W/m2의 범위에 있는 힘 조밀도를 일으킵니다. 이것은 큰 전극 발자국이 의미있는 힘을 위해 필요합니다 의미합니다. 예를 들면, 5개 kW 펌프를 강화하는 것은 전극 표면의 몇몇 백 평방 미터를 요구할지도 모릅니다. nanomaterial 코팅 및 3D 전극 건축술에 있는 전진은 더 높은 조밀도를 밀어 이고, 그러나 실제적인 문턱은 elusive 남아 있습니다.

확장성 및 비용

MFC는 수천 개의 개별 셀을 가진 MFC 스택은 복잡한 유체 배포 과제 및 비용 제조를 소개합니다. Proton-exchange 멤브레인 (예 : Nafion)은 비싸고 noble-metal 촉매는 비용을 추가합니다. Effort는 저렴한 멤브레인 (세라믹 분리기, cation-exchange 멤브레인) 및 비 귀금속 촉매 (예 : 철 ‐nitrogen ‐carbon)을 사용하여 비용이 절감됩니다. [FFC]의 비용 절감 : MFC [F] [F]]의 비용 절감 : MFC [F]의 비용 절감 : MFC]의 비용 절감 : [F]

롱터램 안정성

전극에 Biofilm 성장은 바람직하지 않은 종을 멸균하지 않고 시간이 지남에 불안정 할 수 있습니다. 막과 전극의 붓기는 성능을 감소시킵니다. 지속적인 모니터링 및 때때로 생물 효험은 필요한 경우, 조작 복잡성을 추가 할 수 있습니다.

사례 연구 및 증거 ‐의 동의 신청

여러 파일럿 프로젝트는 원격 설정에서 MFC의 viability를 입증했으며, 기술의 잠재력을 제공합니다.

유전 생산 물 처리

Permian Basin에서, 컨소시엄은 작은 센서 네트워크를 강화하기 위해 충분한 전기를 생성하면서 생산 된 물 1 m3 MFC 시스템을 테스트했습니다. 시스템은 유기 오염 물질의 80 %를 제거하고 원자로 볼륨의 15 W / m3을 생산했습니다. 펌프를 실행하는 것은 충분하지 않다는 것을 증명했습니다. MFC는 에너지 효율적인 작동으로 에어로빅 치료 연못을 대체 할 수 있다고 증명했습니다.

원격 기상역

텍사스 대학은 북극 연구 역 근처 습지에서 침습 MFC를 배치했다. 이 장치는 자연적으로 발생 유기 물질을 사용하여 온도와 압력 센서를 6 개월 동안 유지 보수없이 전원을 공급합니다. 이 쇼 MFCs는 극한 환경에서 매우 낮은 ‐ 전원 장치를 제공 할 수 있습니다.

광산 테일링 구제

칠레의 파일럿은 구리 광산에서 산 광산 배수를 치료하기 위해 건설 된 습지가있는 MFCs를 결합했습니다. MFCs는 습지 지역의 m2 당 ~0.5 W를 생성하면서 황산염과 금속을 제거했습니다. 전원 출력이 겸손했지만 전기 처리의 이중 이점은 화학 처리 방법과 비교하여 경제적으로 매력적인 시스템을 만들었습니다.

미래 전망과 연구 방향

원격 추출을위한 상업용 MFCs 경로는 재료 혁신, 시스템 통합 및 생물학적 최적화에 속합니다.

고급 전극 재료

그래핀 코팅 폼, 탄소 나노 튜브 및 전도성 폴리머 증가 표면 및 전해질 전송률. 연구자들은 또한 전도성과 생체 호환성을 강화 전극 코팅으로 금속 무기 프레임 (MOF)을 탐구하고 있습니다.

Hybrid 시스템

다른 재생 기술 - 태양, 바람, 또는 수소 연료 전지와 MFCs를 결합하여 탄력있는 마이크로 그리드를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 일광 태양 전지판 동안 피크 부하를 처리 할 수 있으며 MFCs는 밤에 폐기물 스트림에서 기본 부하 전력을 제공합니다. 이러한 하이브리드는 배터리 저장 요구 사항을 줄일 수 있습니다.

Microbiomes를 설계

합성 생물학은 복잡한 유기 혼합물 (포함 탄화수소)를 더 효율적으로 분해하는 세균성의 디자인을 가능하게 합니다. 엔진 Shewanella]스트레인]] 향상된 전자 수송 체인을 통해 야생 유형보다 5배 더 높은 전류 밀도를 달성했습니다.

전력 관리 전자공학

MFCs는 낮은 전압 (cell 당 0.3-0.8 V)를 일으키고 전력을 공급합니다. 주문 DC ‐ DC 변환기와 에너지 수확 칩 (예를들면, 텍사스 인스투르스' BQ25570)는 실제적인 짐을 위한 산출을 밀어넣을 수 있습니다. 이 전자공학이 더 싼 것 같이, MFC 통합은 더 똑바른 것 시킵니다.

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