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토양 미생물 연료 전지(SMFC): 새로운 디자인은 환경과 농부에게 도움이 될 수 있습니다 

토양 미생물 연료 (SMFC)는 토양에서 자연적으로 발생하는 박테리아를 사용하여 전기를 생성합니다. SMFC는 장기적으로 분산된 재생 에너지원으로서 다양한 환경 조건을 실시간으로 모니터링하기 위해 영구적으로 배치될 수 있으며 정밀도 향상에도 기여할 수 있습니다. 농업 그리고 스마트시티. 그러나 SMFC는 100년 넘게 존재했음에도 불구하고 전력 출력의 불일치로 인해 실제 적용이 거의 이루어지지 않았습니다. 현재 습도가 높은 수질 조건 밖에서도 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 SMFC는 없습니다. 최근 연구에서 연구원들은 다양한 설계 버전을 만들고 비교한 결과 수직 셀 설계가 성능을 향상시키고 SMFC가 토양 수분 변화에 더 탄력적으로 반응한다는 사실을 발견했습니다.   

미생물 연료 전지들 (MFC)는 화학 결합의 에너지를 변환하여 전기를 생산하는 생물 반응기입니다. 유기적인 미생물에 의한 생체촉매작용을 통해 화합물을 전기 에너지로 변환합니다. 기질의 세균 산화에 의해 양극 구획에서 방출된 전자는 음극으로 이동하여 산소 및 수소 이온과 결합합니다.  

예를 들어, 기질인 아세테이트에 대한 호기성 조건에서의 생화학 반응은 다음과 같습니다. 

양극에서의 산화 반쪽 반응 

CH3구구- + 3H2오 → 일산화2 +HCO3- + 8H+ + 8e 

음극에서의 환원 반쪽 반응 

2 O 2 + 8 H + + 8e -   → 4시간 2 O 

혐기성 환경에서 MFC는 바이오폐기물을 기질로 사용하여 전기를 생산할 수 있습니다. 

MFC는 지속 가능한 에너지와 관련된 환경 문제에 대한 해결책 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 지구 온난화 및 바이오폐기물 관리. 녹색 인프라, 초원, 습지, 지하 등 일반 화학 배터리와 태양광 패널이 기대에 미치지 못하는 지역에 적용할 수 있는 확실한 사례를 보유하고 있습니다. 이 지역에서는 태양광 패널이 밤에 작동하지 않으며 일반적으로 화학 물질의 구성 요소가 먼지나 초목으로 덮여 있습니다. 배터리 환경으로 침출. 토양 미생물 연료 (SMFC)는 농업, 초원, 산림, 황무지 등의 지역에서 저에너지 장치에 전력을 공급하는 지속 가능한 에너지원입니다.  

토양 미생물 연료전지(SMFC)는 토양에서 자연적으로 발생하는 박테리아를 이용해 전기를 생산합니다. 최적의 조건에서 SMFC는 200mV의 전압으로 최대 731μW의 전력을 생산할 수 있습니다. 장기적으로 분산된 재생 가능 전력원인 SMFC는 다양한 환경 조건 및 지침 정책을 실시간으로 모니터링하기 위해 영구적으로 배치될 수 있습니다. 이는 또한 스마트시티의 성장에 기여할 수 있으며, 전원.  

그러나 100년 넘게 존재했음에도 불구하고 지상에서의 SMFC의 실제 적용은 매우 제한적이었습니다. 현재, 습도가 높은 수질 조건 밖에서도 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 SMFC는 없습니다. 출력의 불일치는 환경 조건, 토양 수분, 토양 유형, 토양에 서식하는 미생물 등의 차이로 인해 발생하지만 토양 수분의 변화는 출력의 일관성에 가장 큰 영향을 미칩니다. 세포는 일정한 전력 출력을 위해 적절하게 수분과 산소를 ​​공급받아야 하는데, 이는 지하의 건조한 흙에 묻힐 때 어려운 문제가 될 수 있습니다.   

수직 셀 설계는 성능을 향상시키고 SMFC가 토양 수분 변화에 더 탄력적으로 반응하도록 합니다.  

최근 연구(2개월 간의 SMFC 구축 데이터를 결합한 3년 간의 반복 설계 프로세스 포함)에서는 일반적인 설계 지침에 도달하기 위해 셀 설계를 체계적으로 테스트했습니다. 연구팀은 음극과 양극이 서로 평행한 전통적인 디자인을 포함해 네 가지 버전을 만들어 비교했다. 연료전지의 수직형 설계(버전 XNUMX: 양극 방향 수평 & 음극 방향 수직)가 가장 좋은 성능을 보이는 것으로 나타났습니다. 침수상태부터 다소 건조한 상태까지 수분이 많은 범위에서 잘 작동했습니다.  

수직 설계에서는 양극(박테리아가 방출한 전자를 포획하기 위해 탄소로 만들어짐)이 지면 표면에 수직인 습한 토양에 묻혀 있고 음극(비활성 전도성 금속으로 만들어짐)은 양극 위에 수직으로 지면에서 수평으로 놓여 있습니다. 환원 반쪽 반응이 완료되기 위해 산소를 쉽게 이용할 수 있는 수준.  

셀이 물에 잠겨 있는 동안 설계를 위한 전력 출력은 상당히 높았습니다. 완전히 수중 상태에서 다소 건조한 상태(부피 기준 수분 함량 41%)까지 잘 작동했지만 활성 상태를 유지하려면 여전히 체적 수분 함량(VWC)이 41%로 높았습니다.  

이 연구는 수분 변화에 대한 일관성과 탄력성을 향상시키기 위한 SMFC의 설계 측면에 관한 질문을 다룹니다. 저자는 대중이 사용하고 구축할 수 있도록 모든 디자인, 튜토리얼 및 시뮬레이션 도구를 공개했기 때문에 가까운 미래에 정밀 농업과 같은 다양한 분야에서 더 넓은 응용 프로그램으로 전환될 수 있기를 바랍니다.  

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참조 :  

  1. Vishwanathan AS, 2021. 미생물 연료 전지: 초보자를 위한 종합 검토. 3 생명공학. 2021년 11월; 5(248): 01. 2021년 XNUMX월 XNUMX일 온라인에 게시됨. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 
  1. 텐비, 2024. 토양 기반 컴퓨팅: 실용적인 토양 미생물 연료 전지 설계를 위한 엔지니어 가이드. 게시일: 12년 2024월 7일. 대화형, 모바일, 웨어러블 및 유비쿼터스 기술에 관한 ACM 간행물. 4권 196호기사 번호: 1pp 40–XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 
  1. 노스웨스턴 대학교. 뉴스-먼지로 구동되는 연료전지는 영원히 작동합니다. 게시일: 12년 2024월 XNUMX일. 사용 가능 위치: https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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우메시 프라사드
우메시 프라사드
과학 저널리스트 | Scientific European 잡지 창립 편집자

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