Seli za Mafuta ya Mikrobili ya Udongo (SMFCs): Muundo Mpya Unaoweza Kufaidi Mazingira na Wakulima 

The Soil Microbial Fuel Seli (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and can also contribute to the growth of precision kilimo and smart cities. However, despite being in existence for over a century, the practical application of SMFCs has been nearly non-existent due to inconsistency in power output. Currently, there is no SMFC that can generate electricity consistently outside high moisture watery conditions. In a recent study, the researchers created and compared different design versions and found that the vertical cell design improves performance and makes SMFCs more resilient to changes in soil moisture.   

Vidudu seli za mafuta (MFCs) are bioreactors that produce electricity by converting the energy in the chemical bonds of kikaboni compounds into electrical energy through biocatalysis by microbes. The electrons released in the anode compartment by bacterial oxidation of substrate are transferred to cathode where they combine with oxygen and hydrogen ions.  

Athari za kibayolojia chini ya hali ya aerobic, kwa mfano, kwa acetate kama substrate ni: 

oxidation nusu-metiki kwenye anode 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ +8e^-  

kupunguza majibu ya nusu kwenye cathode 

2 ya ₂ + masaa 8 ⁺ + 8 nd ^-   → 4H ₂ O 

Katika mazingira ya anaerobic, MFCs zinaweza kutumia taka taka kama sehemu ndogo ya kuzalisha umeme. 

MFCs zina uwezo wa kutumika kama suluhisho la masuala ya mazingira ya nishati endelevu, ongezeko la joto duniani na usimamizi wa takataka. Ina kipochi dhabiti cha kutumika katika maeneo ambapo betri za kawaida za kemikali na paneli za miale ya jua hazifikii matarajio kama vile katika miundombinu ya kijani kibichi, nyanda za majani, ardhi oevu, au chini ya ardhi. Katika maeneo haya, paneli za jua hazifanyi kazi usiku na kwa kawaida hufunikwa na uchafu au mimea wakati vipengele vya kemikali. betri leach into the environment. The Soil Microbial Fuel Seli (SMFCs) come as a sustainable source of energy in such areas in farming, grassland, forest and wasteland to power low energy devices.  

The Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) use naturally occurring bacteria in the soil to generate electricity. Under optimal conditions, SMFCs can produce up to 200 μW of power with a voltage of 731 mV. As a long-term, decentralised source of renewable power, the SMFCs could be perpetually deployed for real-time monitoring of various environmental conditions and guide policy. These can also contribute to the growth of smart cities and mashamba.  

Hata hivyo, licha ya kuwepo kwa zaidi ya karne moja, matumizi ya vitendo ya SMFC katika ngazi ya chini yamepunguzwa sana. Hivi sasa, hakuna SMFC inayoweza kuzalisha umeme mara kwa mara nje ya hali ya unyevu mwingi wa maji. Kutowiana kwa pato la nguvu kunachangiwa na tofauti za hali ya mazingira, unyevu wa udongo, aina za udongo, vijidudu wanaoishi kwenye udongo n.k. lakini mabadiliko ya unyevu wa udongo yana athari kubwa katika uthabiti wa pato la nishati. Seli zinahitaji kusalia na unyevu wa kutosha na oksijeni ili kutoa nishati thabiti ambayo inaweza kuwa suala gumu wakati imezikwa chini ya ardhi kwenye uchafu mkavu.   

Muundo wa seli wima huboresha utendakazi na kufanya SMFCs kustahimili mabadiliko ya unyevu wa udongo.  

Utafiti wa hivi majuzi (unaohusisha mchakato wa usanifu unaorudiwa wa miaka 2 pamoja na data ya utumiaji ya SMFC ya miezi tisa) umefanyia majaribio miundo ya seli ili kufikia miongozo ya jumla ya muundo. Timu ya utafiti iliunda na kulinganisha matoleo manne tofauti ikiwa ni pamoja na muundo wa kitamaduni ambapo cathode na anode zinalingana. Muundo wa wima (toleo la 3: uelekeo wa anode mlalo & uelekeo wa cathode perpendicular) wa seli ya mafuta ulipatikana kuwa utendakazi bora zaidi. Ilifanya kazi vizuri katika safu ya unyevu wa hali iliyofurika hadi hali kavu.  

Katika muundo wa wima, anode (iliyotengenezwa kwa kaboni ili kunasa elektroni iliyotolewa na bakteria) huzikwa kwenye udongo unyevu ulio sawa na uso wa ardhi wakati cathode (iliyoundwa kwa chuma isiyo na hewa, conductive) inakaa wima juu ya anode kwa usawa chini. kiwango ambapo oksijeni inapatikana kwa urahisi kwa ajili ya kukamilisha kupunguza majibu ya nusu.  

Nguvu ya pato la muundo ilikuwa kubwa zaidi katika muda wote ambapo seli ilijazwa na maji. Ilifanya kazi vizuri kutoka katika hali ya chini ya maji hadi kavu kwa kiasi fulani (asilimia 41 ya maji kwa ujazo) hata hivyo ilikuwa na mahitaji ya juu ya 41% ya maji ya ujazo (VWC) ili kusalia hai.  

Utafiti huu unashughulikia swali kuhusu kipengele cha muundo wa SMFCs kuelekea kuboresha uthabiti na ustahimilivu wa mabadiliko ya unyevu. Kwa kuwa waandishi wametoa miundo yote, mafunzo na zana za kuiga kwa umma ili kutumia na kujenga, tunatumai, hii inapaswa kutafsiri kwa matumizi mapana katika maeneo mbalimbali kama vile kilimo cha usahihi katika siku za usoni.  

*** 

Marejeo:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Seli ndogo za mafuta: mapitio ya kina kwa wanaoanza. 3 Bayoteknolojia. 2021 Mei; 11(5): 248. Imechapishwa mtandaoni tarehe 01 Mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Kumi B., et al 2024. Kompyuta Inayoendeshwa na Udongo: Mwongozo wa Mhandisi wa Usanifu wa Kiini cha Seli ya Mikrobi ya Udongo. Iliyochapishwa:12 Januari 2024. Mijadala ya ACM kuhusu Interactive, Mobile, wearable and Ubiquitous Technologies. Juzuu ya 7 Toleo la 4 Kifungu Na.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Chuo Kikuu cha Northwestern. Seli ya mafuta inayoendeshwa na News-Dirt hutumika milele. Iliwekwa mnamo 12 Januari 2024. Inapatikana kwa https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***