Mikrobial Yakıt Hücrelerinin Enhancing Nutrient Removal ve Enerji Kurtarması Potansiyeli
Giriş: Dual-Purpose Bioelectrokimya Teknolojisi
Mikrobial Yakıt Hücreleri (MFC) aynı anda su arıtma ve elektrik üretme konusunda bir paradigma değişikliğini temsil eder. Bu biyo-elektrokimyasal sistemler, elektrojenik bakterilerin metabolik aktivitelerini oksite organik kirleticilere, elektronları bir measurable akıma transfer eder ve MFC'lerin sözlüğü, bir kaynağa atık akışını dönüştürme yeteneğinde yatıyor, iki baskı kaygıya hitap ediyor: Enerji verimli atık su arıtma ve yenilenebilir enerji tasarrufu için talep.
Konvansiyonel aerobik tedavi süreçleri büyük miktarda enerji tüketiyor, genellikle bir ulusun toplam elektrik kullanımı için% 3,5 oranında muhasebe. MFCs, aksine, bu talebi, pilotlarda depolanan kimyasal enerjilerin bir kısmını geri kazanarak dengelemek için telafi edebilir. Dahası, sistem azot ve fosforun kimyasal yoğun yöntemlere sürdürülebilir bir alternatif sunuyor.
Mikrobial Yakıt Hücre Operasyonlarının Temelleri
MFCs Nasıl Çalışılır?
Bir MFC bir anode odası ve bir kedihode odası, bir proton-exchange membranı (veya bazı tasarımları, bir tuz köprüsü) ile birlikte, bir node odasında, mikroplar “nanoteller” olarak adlandırılır ve bu metabolizma sırasında, elektronlar serbest bırakılır ve dışsal devreden geçerek, oksijenli bir şekilde oksijenli bir şekilde ısıtılır.
Anahtar Microbial Oyuncular
Tüm bakteriler elektrojenik değildir. En çok incelenen exoelectrojenik genra, genellikle karmaşık organik karışımları ve bu toplulukları optimize edebilme yeteneğine sahip olduğundan, örneğin, elektronları zenginleştirmek[DDDDDDDDDDDDDDD)[DDDDDDDüzeyler için ısıtabilir.
Mekanik Malzemeler ve Yapılar
Bir MFC'nin performansı elektrot malzemeleri tarafından ağır bir şekilde etkilenmektedir. Anodes, biyoakonomik ve oksijen azaltımı için yüksek bir yüzey alanı sunabilir. Karbon bazlı malzemeler (örneğin, grafikler, karbon bezi, aktif karbon) yaygındır, ancak metaller veya iletken polimerler ile değişiklikler elektron transferlerini artırabilir.Kathodes genellikle oksijen azaltımı için platin katalizörleri kullanır, birçok araştırmacı mikrobiyal oksijen azaltımı gibi daha ucuz alternatifler arar.
Enhancing Nutrient Removal: Nitrogen ve Phosphorus
MFCs'lerde Nitrojen Bisiklet
Nitrogen geri yükleme, modern atık su arıtmasının kritik bir işlevidir. MFC'lerde, azot kaldırması birkaç yol boyunca gerçekleşebilir. oksijen yokluğunda, anode odasındaki bakteriler, bir komoneron ile çalışırsa, nitrification (NO3-) bir şekilde gerçekleşebiliyorsa, bir şekilde “köprütürülme” olarak bilinen bir süreç.Bazı MFC’nin tüm tankları elektronları bir şekilde entegre edebilir.
Simultane Nitrification-Denitrification
MFC'lerin en çekici özelliklerinden biri, ilk olarak kedihode'de eş zamanlı olarak destekleyebilmek ve bir reaktörde bir araya gelmektir. oksijen gradients - örneğin, en iyi koşullarda yayınlanan çalışmalarda nitrojen kesintiye uğratılabilir - 1.
Phosphorus Removal and Recovery
MFC'lerde Phosphorus ortadan kaldırılması iki ana mekanizmayla ortaya çıkıyor: Mikrobiyal biyokütle ve kimyasal yağışlara kadar. Bakteriler hücre büyümesi için fosforu alabilir ve bazı MFC'lerde, kedihode yüksek pH'nın üzerine çökebilir (MgNH4PO4·6H2O) veya kalsiyum fosfatları daha sık sık sık sık sık sık sık su tasarrufu sağlar.
Atıksudan Enerji Kurtarma
Elektrik Üretim: Mevcut ve Güç Densities
Bir MFC tarafından yakalanan enerji, organik yük ve elektron transferinin verimliliğini doğrudan doğruya doğru orantılıdır. Laboratuvarda tipik güç kesintileri, 0.1 ila 3 W /m2 elektrot alanı, optimize edilmiş sistemler için bildirilen yüksek değerler ile, bu hala ticari yakıt hücrelerinden daha düşük olan enerji miktarı, aksi takdirde tedavi edilmesi gereken bir atık ürününden kurtarılır.
Genrated Power uygulamaları
MFC'lerden elektrik çıkışı, kablosuz sensörler, uzaktan monitörler ve mikro-pumps gibi düşük güç uygulamaları için iyi bir şekilde uygun şekilde dekore edilir.Sürücük yükselteçler ve enerji hasat devreleri ile, MFC'ler sürekli olarak küçük cihazlara güvenerek, MFC'lerin ve küçük cihazların verimini azaltabilecekleri bir şekilde, MFC'lerin yüksek kaliteli su kalitesi monitörleri ve mikro-süreçleri artırdığı gibi, MFC'lerin de tedavi sistemleriyle entegre edilebilir.
Diğer Biyoenerji Süreçleriyle Karşılaştırma
Anaerobik sindirme (AD), atık su çamuru için baskın biyoenerji teknolojisidir, elektrik için yakılabilir methane üretmek ve organik yükler, daha uzun süre tutma ve sera gazı hazırlamaları gerekir. MFCs, tamamlayıcı bir yaklaşım sunar: MFC'lerin geleneksel AD ile bir araya getirilmesi için de en düşük bütçeli bir yaklaşımdır.
Synergistic Faydaları: Çiftleştirilmiş Nutrient Yok ve Enerji Üretimi
Belki de MFC teknolojisi için en çekici durum, aynı anda atık sularını tedavi etme ve güç üretme yeteneğinde yatıyor.Örneğin, net enerji dengesi olumlu olabilir - MFC, tükettiğinden daha fazla enerji üretiyor. Çeşitli su tasarrufuna sahip olan birkaç yakıt hücresinin,% 87 oranında tasarruf ve tasarruf süreleri azaltılabilmesini sağladı. Örneğin, iyi bilinen bir 2018 çalışması, iyi bilinen bir 2018 çalışması.
Bu sinerji özellikle sınırlı enerji altyapısıyla bölgelerde değerlidir. Kırsal veya uzak alanlarda MFCs temel ihtiyaçlar için elektrik üretmek için merkezi olmayan atık su tedavisi sağlayabilir.En düşük bütçeli beton üretimi aktif çamur sistemleri ile karşılaştırıldığında, çevresel ve ekonomik ayak izi daha da artırabilir.
Anahtar Zorluklar Ticari Kabul
Düşük Güç Çıktıları Enerjiye Sahip Olmak
Umut verici laboratuvar sonuçlarına rağmen, MFC'lerin gücü büyük ölçekli elektrik üretimi için çok düşük kalıyor. Sistemin iç direnci - membran, elektrolit mimarileri ve elektrot arabirimleri - şu anki elektrotlar - düşük maliyetli separatorlar, ve bu kayıpları azaltmak için çok düşük maliyetli kalıplar ve genellikle laboratuvardan pilot ölçeklendirmeye kadar olan güç sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sıkılıyor.
Scalability ve Maliyetleri
Plat bazlı katoparlar ve iyon-exchange membranları gibi birçok yüksek performanslı MFC bileşeni, pahalı ve büyük ölçekli kullanım için uygun olmayan.Sivilli çelik kaplamalar gibi merkezi bir araştırma konusudur ve bazı startuplar şimdi 800 $ değerindeki küçük çaplı (örneğin, geleneksel olarak) MFC'lerin ortadan kaldırılması, maliyetleri azaltmak için daha düşük maliyetlidir.
Mikrobiyolojik Stability ve Long-Term Operasyon
MFC'lerde karışık mikrobik topluluklar dinamiktir; haftalar veya aylar boyunca, biyofilm kompozisyonu değişebilir, bazen exoelectrojenik aktiviteyi azaltır. Sıcaklık varyasyonları, toksik şok yükleri ve atık su kompozisyonunda değişiklikler mikropları engelleyebilir.Ensuring stabil, uzun vadeli performans, sağlam reaktör tasarımları gerektirir, muhtemelen biyoaugment veya seçici zenginleştirme adımları ile.
Future rotası ve Gelişen Yenilikler
Membran Biyoreactors ile entegrasyon ve Wetlands inşa
MFC'leri diğer tedavi teknolojileri ile birleştirmek, bazı pompalama enerjilerini sağlamak için umut verici bir stratejidir. Örneğin, bir “membrane-assisted MFC” eklenmiş ıslak bir yatakta bulunan ve küçük topluluklar için düşük maliyetli, estetik olarak memnun bir çözüm sunar.
MFC'den Microbial Electrol ve Elektrosynthesis
Uygulamalı potansiyeli biraz değiştirerek, bir MFC, karbon dioksiti organik maddeden hidrojen gazı üretmek için bir mikrobiyal elektrolitiğe dönüştürülebilir. Bu, enerji ürünlerini temiz bir yakıta dönüştürebilir. Daha da gelişmiş olan mikrobiyal elektrotsentez, bakterinin karbon dioksiti bir şekilde azalttığı, etanol, ya da amayrate.
Standartlaştırılmış Benchmarks ve Real-World Implementation
Alan olgunlaştığı gibi, standartlaştırılmış performans ölçümleri için ihtiyaç kritik hale gelir. Birçok laboratuvar çalışması, Avustralya'daki yüksek iletkenlik ve basit substratlarla yapay atık suları kullanıyor ve bu gösteriler, MFC'leri değerlendirmek için konsensül protokolleri geliştirmek için devam ediyor ve gelecekteki mühendislik tasarımı ile ilgili kurallar da bilgilendirecek.
Politika, Ekonomi ve Pazar Bakış
Yenilenebilir enerji ve katı besin deşarjları için hükümet teşvikleri, MFC'nin kabul edilmesi için uygun bir ortam yaratabilir. Örneğin, Su Çerçeve Direktifi 2030 yılına kadar enerji bazlı tedavi için itici maliyetle rekabet edebilir. MFC'ler, özellikle de karbon kredilerinin azaltılmasına kadar, çevresel azaltımların azaltılması ve en aza indirmelerin yer aldığı zaman, MFC bazlı tedavinin net maliyeti, MFC temelli tedavinin geleneksel sistemlerle rekabet edebilir. Ancak, sermaye maliyetlerin düşmesine ve daha fazla bir şekilde değerlendirilmesine izin verilirse, büyük ölçüde kabul edilen bir uygulama ile büyük olasılıkla düşük endüstriyel atık üretimine başlayacaktır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Mikrobial yakıt hücreleri iki baskılı zorluk için zarif bir çözüm sunar: atık sularından kaynaklanan besinlerin kaldırılması ve elektrot materyallerindeki doğal metabolik süreçleri ile MFC'lerin aynı anda su ve üretimlerini sağlayarak, MFC'lerin geleneksel tedavi edilen teknolojilerle entegre edilmesi veya elektro-sentezli yollara genişleyen önemli engellere rağmen, elektrot malzemelerinin sürekli ilerlemeleri, reaktör tasarımı ve mikrobiyolojileri sürekli olarak performansları artırabilir.
Laboratuvar atılımının gerçek dünya etkisine giden yolu nadiren basittir, ancak disiplinler arası araştırma ve destekleyici politika çerçeveleri devam ederek MFC'lerin mevcut atık su yönetimine yönelik temel bir temel haline gelme potansiyeline sahiptir. Temiz su ve yenilenebilir enerji için küresel talep büyüdükçe, bu biyo-elektrokimyasal teknolojinin çift kapasitesi sadece daha değerli hale gelecektir.