Giriş: Bioelectrokimyasal Güç Üretiminde Yeni Bir Çağ

Küresel enerji peyzajı mühendisler ve araştırmacıların fosil yakıtlara sürdürülebilir alternatifler aradığı gibi derin bir dönüşüme maruz kalıyor. En umut verici teknolojiler aynı anda bu iki işlev MFC'yi atık su arıtmasında temel alan bir biyoelektrokimyasal sistem olarak, uzaktan algılama ve teknolojik enerji üretimi gibi geleneksel yenilenebilir enerji kaynaklarının aksine, mikrobiyolojik olarak, mikrobiyolojik olarak, bu ikili konumları tedavi ederken, MFC'leri hızla gelişmiştir.

Çevre, enerji ve sivil mühendislik disiplinlerinde çalışan mühendisler için, mevcut MFC teknolojisini anlamak önemlidir. Bu makale, son atılımların, pratik mühendislik uygulamalarının kapsamlı bir teknik bakış açısı ve mikrobiyal yakıt hücrelerinin sürdürülebilir enerji üretiminden önce yol sağlar.

Mikrobial Yakıt Hücreleri Nedir?

Mikrobial Yakıt Hücreleri, organik maddedeki kimyasal enerjiyi organik maddelerde depolayan biyoelektrokimyasal cihazlardır. Temel prensip, bir katoerasyona dayanıyor ve bir elektrik akımı olarak bilinen bazı bakteriler, doğal olarak organik maddedeki hücrelerin içindeki elektronları transfer eder.Bir MFC'de, bu elektronlar bir başka şekilde bir araya gelir ve bir dış devreden bir şekilde bir araya gelir.

Bu kavramın basitliği, temel biyolojik ve elektrokimyasal süreçlerin karmaşıklığını taşır.Anode odası elektrot yüzeyinde büyüyen bir mikrofilm içerir. Bu biyofilm, proton taşımasını sağlayan, sinerjik enerjiyi korumak ve iki elektrot arasındaki elektrik potansiyelini azaltmak için çeşitli bakteri topluluğunun oluşur.

MFCs, şeker, tarım işletmesi, gıda işleme kaybı ve hatta toprak doldurma sistemleri gibi diğer elektrokimyasal sistemler için olağanüstü derecede çok yönlü bir şekilde çalışır. Bu substrat esnekliği, atık akışlarının zaten mevcut olduğu mühendislik uygulamaları için olağanüstü derecede çok yönlü bir şekilde kullanır.

MFCs Nasıl Çalışıyor: Biyolojik ve Elektrokimyasal Temelleri

Exoelectrojenik Bakterilerin Rolü

Herhangi bir MFC'nin kalbi, mikrobiyal topluluk, elektronları ekstra olarak kabul etmelerine izin veren mikrobiyal sistemlerdir.[Dörtücü bakterilere sahipler için kullanılabilirler.)

Bir MFC'deki mikrobiyal konsorsiyum nadiren tek bir türdür. Karma mikrobik topluluklar daha sağlam, dayanıklı ve seçici olarak metabolize kompleks substratlar. Syntrophic ilişkiler, bir grup bakteri karmaşık organik molekülleri daha basit bileşiklere kırıyor (örneğin acetate ve hidrojen gibi) o zaman oksite mühendisliği bu mikrobiyal topluluklar, biyoaugmentasyon yoluyla, genetik modifikasyonu temel bir alandır.

Mekanik reaksiyonları ve Enerji Dengesi

Anodik yarı-reksiyon, birçok laboratuvar çalışması için bir model substratı olarak hizmet eden organik maddenin oxidasyonunu içerir:

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

Kedihode'de, terminal elektron kabulörü azaltılır. oksijen bazlı katolar için:

O2 + 4e - + 4H+ → 2H2O

Bir MFC'den gelen teorik maksimum gerilim, acetate ve oksijen standart koşullarda yaklaşık 1.1 V'dir. Ancak, bu kayıpları elde eden elektrot basıncı ile elde edilen bu kayıpların tipik olarak 0.6 ila 0.8 V arasında değişmektedir ve yüksek mikropiyaller yük altında çalışır.

Power yoğunluk - 1-3 W /m2'nin kare başına ya da reaktör hacminin metreküpsiyon başına gelir - güç sensörlerinin gibi pratik uygulamalar 0.1-1 W /m2 aralığındaki güç kesintilerini gerektirir, yani küçük ölçekli güç üretimi zaten uygulanabilir, büyük ölçekli bir güç nesli hala bir meydan okumadır.

Son Teknolojik Gelişmeler

Son on yılda MFC araştırmalarında bir ivmeye şahit oldu, teknolojinin birden çok yüzüyle somut gelişmeler elde etti. Bu gelişmeler dört temel alana kategorize edildi: elektrot malzemeleri, mikro topluluk mühendisliği, sistem mimarisi ve ölçeklendirme ve mevcut altyapı ile entegrasyon.

Geliştirilmiş elektrot Malzemeleri

Elektrode muhtemelen bir MFC'nin en kritik bileşenidir, çünkü doğrudan elektron transfer verimliliğini, biyofilm oluşumunu ve genel sistem maliyetine sahiptir. Geleneksel karbon bazlı elektrotlar -karbon bezi, karbon kağıt, grafik çubukları ve karbon hissedilir - biyokompatlanabilirliği, kimyasal stabiliteleri ve nispeten düşük maliyet nedeniyle yaygın olarak kullanılır.

[FONT:0) Elektrode malzemelerdeki son atılımlar şunlardır:).

  • DÖRT:0)Graphene bazlı elektrotlar: [Dönetici:[Dönetici:0) Grafen bazlı elektrotlar:[Döneticiler:[Döneticiler) Graphene-coated karbon bezleri, 2-4 kat daha değersiz elektrotlar için düşük maliyetli bir elektrik yoğunluğuna sahiptir.
  • [FONT:0)Carbon nanotube (CNT) kompozitler: CNTs karbon kağıt veya paslanmaz çelik ağ üzerinde depolanmış, yüksek iletkenlik ve kabalık ile bir hiyerarşik yapı oluşturur. Aligned CNT serisi doğrudan elektron yollarına sahiptir ve mevcut yoğunlukları 10 kata kadar karbon elektrotoksit elektrotları planlayıcı ile karşılaştırmıştır.
  • [FONT:0)Kondüktif polimerler: [Dönetici: [Dönetici:0] Polyaniline ve poli pirrole kaplamaları karbon elektrotoksilere uygulanan kapasitansları artırmak ve biyofilm adhesion için biyoalyzegenler için biyoalyzeme sağlar.
  • [FONT:0) Metal tabanlı elektrotlar: [Dönetici: [Dönetici:0] Paslanmaz çelik örgüsü, karbon veya platin nanopartikülleri ile birlikte aktif karbon veya platinler ile kaplı olan paslanmaz çelik kütükler, oksijen azaltımı kinetiğinin genellikle limitli faktör olduğu yerlerde, toksik olmayan metal katalizörler ve komplikeli karbon (metal-free) ve manganzalar, platinlere maliyetle etkili alternatifler olarak dikkat çekiyor.
  • [FONT:0]Biochar ve atık-derived karbonlar: [Döntilmiş tarım atıkları (Sürdürülen kabuklar, mısır sapları veya kanalizasyon çamuru) yüksek sigortalı-tavırdaya dönüştürülebilir, iletken karbon malzemeler.

trend yüksek iletkenliği, büyük yüzey alanını, katalitik aktiviteyi birleştiren çok işlevli elektrot tasarımlarına doğru gidiyor ve bu gelişmiş malzemelerin çoğu, pilot ölçekli değerlendirmelere geçiş yapıyor.

Mikrobiyo Toplulukları

Elektrode malzemeleri MFC performansının donanım tarafını ele alırken, biyolojik bileşen gelişme için eşit derecede önemli fırsatlar sunar.ETHFLT:0)Mikrobi topluluk mühendisliği[D 1: 1), mikroorganizmaların elektron flux'ı anode için en üst düzeye çıkarmak için seçmeyi ve değiştirmesini içerir.

Anahtar stratejileri şunları içerir:

  • [FONT:0) Zenginlik:[Dönetici:[Döneticileri) Bir exoelectrogens kaynağı ile (örneğin, anaerobik atık su arıtma tesislerinden alınan ceza) ve elektroaktif türlerin lehine kalıcı bir gerilim veya mevcut uygulama.
  • [FONT:0]Synic mikrobiyal konortia: [Dönetici] Doğal seçilime güvenmek yerine, araştırmacılar, mikroorganizmaların metabolik kullanım yeteneklerini kullanarak tanımlı karışımları tasarlar. Örneğin, bir konsorsiyum karmaşık şekerleri basit asitlere, oksitlerin bu asitlere ayıran bir mayınlar ve rakip substratları kullanan bir methanogen scavenger.
  • [FONT:0) Eski KeşfetlerinGenetik Mühendisliği: Elektro transfer oranlarına yönelik modifikasyonlar gelişmiştir ve çevresel streslere tolerans sağlar. Örneğin, dış hafızadaki sinerjik sinerjik sinertokromlerin aşırılaştırılması[DörtDüzeyler ve ·FLT:6)Shewanella[DDDörtgenler için 2.5 kat daha fazla üretime kadar yükseltilir.
  • [FONT:0)Quorum algılayıcısı: Bakterik iletişim quorum algılama molekülleri biyofilm oluşturma ve metabolik aktiviteyi etkiler. Engineering quorum algılamak yol yolları kalın, daha aktif biyofilmleri anode yüzeyinde teşvik edebilir.
  • [FONT:0)Biocathode gelişimi: Çoğu MFCs, birbiyotik katoluşlara (tipik olarak platin-katalyzed oksijen azaltımı) güveniyor, biyocathodes, mikroorganizmaları kataly olarak azaltımı için kullanır.

Gelişmiş elektrot malzemeleri ile mikrobiyal mühendisliğin entegrasyonu, MFC performansını ticari olarak ilgili eşlere doğru kullanan sinerjik etkiler yaratır.

Öpücük ve Scaling Architectures

MFC teknolojisi için kalıcı zorluklardan biri, laboratuvar ölçekli başarıları (bir litreye birkaç milili reaktörler) pratik, büyük ölçekli sistemlere yönelik. Single MFC birimleri düşük gerilim ve sınırlı mevcut, bu nedenle pratik güç nesli, seri veya paralel konfigürasyonlarda birden fazla birim gerektirir.

[FONT:0) ölçeklendirmede yenilikler şunlardır: ).

  • [[DÜŞÜNÜ:0)Modular, MFC tasarımları: Bireysel MFC birimleri, bataryalar veya piller gibi yığılabilen modüller olarak inşa edilir. Bu yaklaşım, birkaç watt'ın yüksek çözünürlük ve güç çıktılarını artırır.
  • [FONT:0]Hydraulically bağlı cascades:[Dönetici: [Döntgende] Atıksu arıtma bağlamlarında, akrepleksiyonda kullanılan bir dizi MFC birimi, influent ve enerji kurtarmasında, en yüksek gücü en yüksek gücü ortadan kaldırır.
  • [FONT:0]Güncel-flow ve tubular konfigürasyonları: Reaktörler dikey akış yolları ayak izi ve hidrolik yönetimi azaltır. Tubular MFCs, bir tubular membranın ve kedihode'nin dışarıda olduğu yerde, birkaç araştırma grubu ve şirket tarafından pilotlanır ve pilotlanırlar.
  • [FONT:0) Hava-cathode tasarımları: [DÜDÜT:1] Pasif bir hava-breathing kedihode kullanarak ayrı bir katalizör odasına ihtiyacı ortadan kaldırmak için, pompalanan reaktör inşaatını ve hacmi dramatik bir şekilde basitleştirir.
  • [FONT:0) Orta ölçekli pilot bitkiler: [Dönetici: Avustralya'daki, Hollanda, Çin ve ABD, MFC yığınlarını günde 1.000 litre atık sulara tedavi ettiğini gösterdi. Bu pilotlar uzun vadeli istikrar, olumsuzluk oranları, güç bozulmaları ve ekonomik fizibiliteleri sağladı.

Scaling, özellikle üniforma akış dağılımı, mevcut koleksiyon verimliliği ve büyük çöplerdeki iç direnişe vurgu yapan bir mühendislik araştırma alanı olarak kalmaktadır.

Atık Tedavisi Altyapısı ile entegrasyon

MFC'lerin en çekici yakın uygulaması, mevcut atık su arıtma tesislerine entegrasyonlarıdır. Konvansiyonel aerobik tedavi süreçleri, aerasyon için önemli elektrik enerjisini tüketmektedir - ya da atık suların metre başına 0.3-0.8 kWh. MFCs sadece bu enerji tüketimini dengelemez, aynı zamanda fazla elektrik üretir.

Son bütünleşik tasarımlar şunları içerir:

  • [FONT:0]MFCs, anaerobik sindiricilere gömülüdür: Anaerobik sindiriciler içinde MFC elektrotları, aynı anda elektrik üretmek için organik madde dönüşümünü geliştirirler. MFC aksi takdirde metajen flora üretimini ele alır ve retorik methane hala enerji için hasat edilebilir.
  • [FONT:0]MFCs, ıslak alanlarda inşa edilmiş bir elektrik çıktısı ile çiftleştirildi: Kondi ıslak bölgeler bitki ve mikrobiyal aktiviteye güvenen düşük maliyetli, pasif tedavi sistemleridir. Tüm MFC elektrotları ıslak toprak matrisine entegre etmek, tedavi performansına önemli ölçüde değişiklik yapmadan elektriksel bir çıkış yapar.
  • 0:0) MFC'nin ürettiği elektrik alanı, membran biyoreactors'u bir araya getirir.

MFC'lerin atık tedavisi ile entegrasyonu virtüz bir döngü yaratır: atık yakıt sağlar, tedavi birincil hizmettir ve elektrik her iki sürecin ekonomik uygulanabilirliğini artıran değerli bir üründür.

Mühendislik Uygulamaları

Mikrobial Yakıt Hücreleri çeşitli mühendislik disiplinleri boyunca uygulama bulmaktır. Büyük ölçekli güç nesli uzun vadeli bir hedef olsa da, birkaç niş uygulama zaten teknik ve ekonomik olarak uygulanabilir.

Enerji Kurtarma ile Atıksu Tedavisi

Bu, en olgun ve yaygın olarak MFC uygulaması. Belediye ve endüstriyel atıksu, geleneksel tedavi ile karşılaştırılabilir olan elektrik miktarını temsil eden organik madde içerir. Pilot çalışmaların enerji içeriği, 0.1-0.5 kg olan kimyasal oksijen talebinin 1.5-0.5 W'nin şu anda konvansiyonel tedavi prosesleri için boşanmasıyla tahmin edilmektedir. MFCs, bu sistemlerin geleneksel olarak önemli bir tedaviye kıyasla% 30-50 oranında elektrik tasarrufu sağlayabilir. Pilot çalışmalar 60-80'i% 80 kimyasal oksijen talep etmektedir.

Gıda işleme atıksu, yüksek organik güce sahip ve toksik kirleticilerden ücretsiz olan, özellikle MFC tedavisi için uygundur.Afrikalar, süt bitkileri ve meyve işleme tesisleri, birkaç ticari ölçekli sistemlerle, şimdi işletmektedir.

Sensörler ve Takip Ekipmanları için Uzak Güç Sağlayıcısı

Çevre izleme istasyonları, boru hatları korozyon sensörleri, su kalitesi probları ve vahşi yaşam takip cihazları genellikle ağların mevcut olduğu yerlerde çalışır ve batarya yedekleri bu tür uygulamalar için idealdir. MFCs, zeminde sürekli olarak çevre organik maddede bulunabilirler, sediment mikrobiyal yakıt hücreleri) [SMFCler) bir yıldan fazla bir süre boyunca dış müdahale için dışsal veya pahalı MFC tipidir.

Güç yönetimi devrelerinde son gelişmeler MFC'lerin süper kapasiteye veya küçük bataryalara şarj etmelerini ve kablosuz veri iletimi için patlama gücünü sağlamalarını sağladı. Bu sistemler, veri intermittly. Şirketler ve araştırma kurumlarının iletişim kurduğu düşük güç sensörleri için yeterlidir.

Yenilenebilir Enerji Hibrit Sistemleri

Mikrobial Yakıt Hücreleri, güneş ve rüzgar kaynaklarından oluşan enerji kaynaklarını sürekli olarak 24 saat içinde üretebiliyorlar, bu da güneş panelleri ve güneş panelleri ile birlikte depolanabilir ve koşulları uygun olduğunda rüzgar türbinleri katkıda bulunabilirler. MFCs atıklardan sürekli olarak 24 saat alıyor. MFC bileşeni de enerji tasarrufu sağlar.

Bu tür hibrit sistemler özellikle kapalı-grid topluluklar için caziptir, yerdeki atık akışları ile endüstriyel tesisler ve güvenilir güç kritik ve yakıt tedarik zincirlerinin bozulduğu felaket yardım senaryoları.

Çevre Sensörleri ve Biyosensors

MFC'lerin organik madde konsantrasyonunda değişiklikler için duyarlılığı, pH, sıcaklık ve toksik kirleticiler onları doğal biyosensorlar yapar. MFC tabanlı biyosensor, mevcut çıktıyı ölçerek organik kirleticilerin varlığını tespit edebilir - mevcut toksisiteyi azaltın - şu anda azalır.

Uygulamaların gerçek zamanlı olarak atık su verimsizliği, endüstriyel dökülmeler için erken uyarı sistemleri ve doğal su vücutlarında biyolojik oksijen talebinin tespiti. MFC biyosensörler nehir izleme ve endüstriyel efflu deşarj noktalarına entegre edilmiştir, sürekli veri sağlamak için hücresel veya uydu ağları ile aktarılır.

Bioremediation and Soil Cleanup

Sıvı atıkları tedavi etmenin yanı sıra, MFC'ler petrol hidrokarbonları, klorlanmış sıvı metaller ve yeraltı suyu ve yeraltı suyu izleme ekipmanının ölçülmesi gibi doğal mikroplar için bir elektrik batmış durumdalar.

Güç nesli ile biyoremedikleştirmenin darbesi, çevresel restorasyon projeleri için zorlayıcı bir değer önermesi yaratır, elektrik üretilen bazı iyileştirme maliyetleri dengeleyebilir.

Meydanlar ve Sınırlar

Son on yılın önemli ilerlemesine rağmen, MFC'lerin ana kabule ulaşmadan önce birkaç teknik ve ekonomik zorluk kalır.

  • [FONT=0)Power yoğunluk ve enerji kurtarma:[Döneticiler) Mevcut MFC güç kirliliği, gelişmişken, mikropulüplerin ve altta yatan iki boyut azaltımının altında hala bir miktar yüksek çözünürlükte.
  • [FONT:0]Uzun vadeli istikrar ve dayanıklılık: MFC biyofilm ve elektrot malzemeleri zamanla bozuluyor. 3-5 yıl boyunca performans koruyan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte 20-50 düşüş gösteriyor.
  • [FONT:0]Economic düşünceler: [DDDDÜT:1] MFC sistemlerinin sermaye maliyeti, özellikle de elektrot malzemeleri ve proton değişim membranları, geleneksel atık su arıtma teknolojilerinin değeri yüksek olduğunda, ekonomi genellikle kare başına birkaç yüz dolar daha iyi hale gelir ve mevcut maddi yeniliklere mal olur.
  • [FONT:0]Temperyatür duyarlılığı: [Dönetici: 1) Çoğu exoelectrojenik bakteriler, 30–40 °C aralığında en iyi aktivite ile, bu sınırlamayı ele almak için araştırılıyor.
  • [FONT:0) Kombineden gelen hesaplamalar: [Döneticileri, methanojenik arşivler, substratlar için rekabet eder. Methanogens hidrojen ve acetate elektrik üretimine dönüşür. Kontrollü methanojenik aktiviteyi operasyonel parametrelerle (örneğin, düşük pH veya belirli inhibitörlerin ekleri) karmaşıktır.

Future Perspektifleri

MFC araştırma ve geliştirme noktalarının bu sistemlerin sürdürülebilir altyapının ayrılmaz bir parçası olduğu bir geleceğe doğru.ASIFLT:0) Önümüzdeki MFC teknolojisi nesli şekillendirecek:).

  • [FONT:0]Nanomate-enhanced elektrotlar: Grafikte aerogels, metal-organik çerçeveler ve iletken polimer nanokompozitleri 5-10 W /m2 eşinin ötesinde güç kesintilerini zorlayacak, MFC'ler daha geniş bir uygulama yelpazesi için rekabetçi hale getirecek.
  • [FONT:0)Mikrobiyo sentetik biyolojisi:[Dönetici: 0,4] Genetik olarak tasarlanmış elektron transfer oranları, genişletilmiş substrat aralığı ve çevresel strese karşı direnç MFC sistemlerinde standart hale gelecektir. Strains özel atık su türleri için optimize edilmiştir (örneğin yüksek seviyeli brines veya endüstriyel effluentler gibi) geliştirilecektir.
  • [Düzükler, düşük maliyetli, yeniden kullanılabilir malzemeler: Sürdürülebilir malzemelere geçiş -biyokarlar, atık bazlı karbonlar ve hücre bazlı separatörler - hem çevresel ayak izi hem de MFC'lerin sermaye maliyetini azaltacaktır. Geçici uygulamalar için biyodegrad edilebilir MFC bileşenleri için araştırma (örneğin petrol kirliliği sırasındaki çevresel izleme gibi) de ilerlemektedir.
  • [FONT:0]Makine öğrenme ve dijital ikizler:[Döneticileri MFC'lerin karmaşık, doğrusal olmayan dinamikleri, onları veri odaklı optimizasyon için ideal adaylar yapar. Operasyonel veriler üzerinde eğitilmiş makine öğrenme modelleri, güç çıktısını tahmin edebilir, kesintiye uğramayı önerir ve ayarlamaları akış hızı, yük veya substrat konsantrasyonuna tavsiye eder. Dijital ikizler - fiziksel MFC sistemlerinin gerçek zamanlı olarak kopyalanabilir gerçek zamanlı izleme ve kontrol, performans ve güvenilirlikleri geliştirir.
  • [FONT:0] megawatt-öldürülen sistemlere açık bir şekilde: Yine de uzak bir hedef olsa da, belediye atıksu arıtma tesisleri ile entegre edilen megawatt-scale MFC çiftlikleri, standart MFC modülleri beton basıldı, geleneksel atık su arıtmasında kullanılan tank tabanlı konfigürasyonlara analog olarak.
  • [FONT:0]Value-added ürün kurtarma: Elektrik ötesinde, MFCler, hidrojen ( mikrobiy elektroliz hücreleri) gibi değerli kimyasalları üretebilecek ve hidrojen peroksit, caustic soda ve organik asitler.

Bu trendlerin yakınlığı, MFC'lerin önümüzdeki 10-20 yıl boyunca pratik bir mühendislik aracına bir niş araştırma merakından evrimeceğini gösteriyor. Teknolojinin atık tedavisi, enerji üretimi ve çevresel izleme, endüstri ekoloji ve dairesel ekonomi ilkeleri ile giderek artan bir şekilde uyum sağlama yeteneği.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mikrobiyo Yakıt Hücreleri, mikrobiyolojinin olağanüstü bir yakınlığını, elektrokimya ve mühendislik tasarımı temsil eder. Elektrode malzemelerdeki son gelişmeler, mikrobiyoloji, reaktör ve sistemler entegrasyonu MFC'leri laboratuvar tezgahlarından pilot ölçekli gösterilere ve erken ticari dağıtımlara taşıdı.

Çevre, enerji ve sivil alanlarda çalışan mühendisler için, MFCs, atık akışlarını değerli kaynaklara dönüştürmek için pratik bir yol sunar - su, ve kimyasal ürünler - ancak temel altyapının karbon ayak izinini azaltırken, mikro yakıt hücreleri sürdürülebilir güç nesli ve kaynak kurtarma için mühendislik aracı haline gelmeye devam ediyor.

Daha ayrıntılı uygulamaları ve devam eden araştırma projeleri hakkında, okuyucular, [FONTD:0] Fena ait olan kapsamlı bir inceleme), mikrokimyadaki temel ilkeleri ve ortaya çıkan yönleri tartışır.(Ücretsiz Su Derneği)[Üye Olmayanlar İçin Tıklayınız.