सॉइल मायक्रोबियल फ्युएल सेल (एसएमएफसी): नवीन डिझाइनचा पर्यावरण आणि शेतकऱ्यांना फायदा होऊ शकतो 

माती सूक्ष्मजीव इंधन सेल (SMFCs) वीज निर्मितीसाठी जमिनीत नैसर्गिकरित्या आढळणारे जीवाणू वापरतात. नूतनीकरणक्षम उर्जेचा दीर्घकालीन, विकेंद्रित स्त्रोत म्हणून, विविध पर्यावरणीय परिस्थितींच्या वास्तविक-वेळेच्या निरीक्षणासाठी SMFCs कायमस्वरूपी तैनात केले जाऊ शकतात आणि अचूकतेच्या वाढीस देखील योगदान देऊ शकतात. शेती आणि स्मार्ट शहरे. तथापि, एक शतकाहून अधिक काळ अस्तित्वात असूनही, पॉवर आउटपुटमधील विसंगतीमुळे SMFCs चा व्यावहारिक वापर जवळजवळ अस्तित्वात नाही. सध्या, उच्च आर्द्रता असलेल्या पाणचट परिस्थितीच्या बाहेर सातत्याने वीज निर्माण करू शकणारी SMFC नाही. अलीकडील अभ्यासात, संशोधकांनी वेगवेगळ्या डिझाइन आवृत्त्या तयार केल्या आणि त्यांची तुलना केली आणि असे आढळले की उभ्या सेल डिझाइनमुळे कार्यप्रदर्शन सुधारते आणि SMFCs जमिनीतील आर्द्रतेतील बदलांना अधिक लवचिक बनवते.   

सूक्ष्मजीव इंधन पेशी (MFCs) हे बायोरिएक्टर आहेत जे रासायनिक बंधांमध्ये ऊर्जा रूपांतरित करून वीज निर्मिती करतात सेंद्रीय सूक्ष्मजीवांद्वारे बायोकॅटलिसिसद्वारे विद्युत उर्जेमध्ये संयुगे. सब्सट्रेटच्या जिवाणू ऑक्सिडेशनद्वारे एनोड कंपार्टमेंटमध्ये सोडलेले इलेक्ट्रॉन कॅथोडमध्ये हस्तांतरित केले जातात जेथे ते ऑक्सिजन आणि हायड्रोजन आयनांसह एकत्र होतात.  

एरोबिक स्थितीत जैवरासायनिक प्रतिक्रिया, उदाहरणार्थ, एसीटेटसाठी सब्सट्रेट आहेत: 

एनोडवर ऑक्सिडेशन अर्ध-प्रतिक्रिया 

CH₃सीओओ^- + 3 एच₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8 एच⁺ +8e^-  

कॅथोडवरील अर्ध-प्रतिक्रिया कमी करणे 

2 ओ ₂ + 8 एच ⁺ + 8 रा ^-   H 4 एच ₂ O 

ॲनारोबिक वातावरणात, MFCs वीज निर्मितीसाठी सब्सट्रेट म्हणून बायोवेस्ट वापरू शकतात. 

MFC मध्ये शाश्वत ऊर्जेच्या पर्यावरणीय समस्यांवर उपाय म्हणून काम करण्याची क्षमता आहे, जागतिक तापमानवाढ आणि जैव कचरा व्यवस्थापन. हिरव्या पायाभूत सुविधा, गवताळ प्रदेश, पाणथळ प्रदेश किंवा भूगर्भात नियमित रासायनिक बॅटरी आणि सौर पॅनेल अपेक्षेपेक्षा कमी पडतात अशा क्षेत्रांमध्ये याचा वापर करण्यासाठी ठोस केस आहे. या भागात, सौर पॅनेल रात्री काम करत नाहीत आणि सामान्यतः रासायनिक घटक असताना घाण किंवा वनस्पतींनी झाकलेले असतात. बैटरी वातावरणात प्रवेश करणे. माती सूक्ष्मजीव इंधन सेल (SMFCs) कमी उर्जा उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी शेती, गवताळ प्रदेश, जंगल आणि पडीक जमीन अशा क्षेत्रांमध्ये उर्जेचा शाश्वत स्रोत म्हणून येतात.  

Soil Microbial Fuel Cells (SMFCs) वीज निर्मितीसाठी जमिनीतील नैसर्गिकरित्या उद्भवणाऱ्या जीवाणूंचा वापर करतात. इष्टतम परिस्थितीत, SMFC 200 mV च्या व्होल्टेजसह 731 μW पर्यंत पॉवर तयार करू शकतात. नूतनीकरणक्षम उर्जेचा दीर्घकालीन, विकेंद्रित स्त्रोत म्हणून, विविध पर्यावरणीय परिस्थिती आणि मार्गदर्शक धोरणांच्या वास्तविक-वेळेच्या निरीक्षणासाठी SMFCs कायमस्वरूपी तैनात केले जाऊ शकतात. हे स्मार्ट शहरांच्या वाढीसाठी देखील योगदान देऊ शकतात आणि शेत.  

तथापि, एक शतकाहून अधिक काळ अस्तित्वात असूनही, जमिनीच्या पातळीवर SMFCs चा व्यावहारिक उपयोग खूपच मर्यादित आहे. सध्या, उच्च आर्द्रता असलेल्या पाणचट परिस्थितीत सातत्याने वीज निर्माण करू शकणारी SMFC नाही. पॉवर आउटपुटमधील विसंगतीचे श्रेय पर्यावरणीय परिस्थिती, मातीची आर्द्रता, मातीचे प्रकार, मातीमध्ये राहणारे सूक्ष्मजंतू इत्यादींमध्ये फरक आहे, परंतु जमिनीतील आर्द्रतेतील बदलांचा पॉवर आउटपुटच्या स्थिरतेवर जास्तीत जास्त परिणाम होतो. सतत पॉवर आउटपुटसाठी पेशी पुरेसे हायड्रेटेड आणि ऑक्सिजनयुक्त राहणे आवश्यक आहे जे कोरड्या घाणीत जमिनीखाली दफन केल्यावर एक कठीण समस्या असू शकते.   

उभ्या सेल डिझाइनमुळे कार्यप्रदर्शन सुधारते आणि SMFCs जमिनीतील ओलावा बदलण्यासाठी अधिक लवचिक बनते.  

अलीकडील अभ्यासात (2-वर्षांच्या पुनरावृत्तीच्या डिझाइन प्रक्रियेचा समावेश असलेल्या एकत्रित नऊ महिन्यांच्या SMFC उपयोजन डेटासह) सामान्य डिझाइन मार्गदर्शक तत्त्वांवर येण्यासाठी सेल डिझाइनची पद्धतशीरपणे चाचणी केली आहे. संशोधन कार्यसंघाने पारंपारिक डिझाइनसह चार भिन्न आवृत्त्या तयार केल्या आणि त्यांची तुलना केली ज्यामध्ये कॅथोड आणि एनोड दोन्ही एकमेकांना समांतर आहेत. इंधन सेलची अनुलंब रचना (आवृत्ती 3: एनोड ओरिएंटेशन क्षैतिज आणि कॅथोड ओरिएंटेशन लंब) ही सर्वोत्तम कामगिरी असल्याचे आढळले. ओलाव्याच्या श्रेणीमध्ये ते काहीसे कोरड्या स्थितीत चांगले काम करते.  

उभ्या रचनेत, एनोड (जीवाणूंद्वारे सोडलेले इलेक्ट्रॉन्स कॅप्चर करण्यासाठी कार्बनपासून बनवलेले) जमिनीच्या पृष्ठभागावर लंब असलेल्या ओलसर मातीमध्ये गाडले जाते, तर कॅथोड (अक्रिय, प्रवाहकीय धातूपासून बनवलेले) जमिनीवर आडव्यापणे एनोडच्या वर अनुलंब बसते. कमी अर्धी प्रतिक्रिया पूर्ण करण्यासाठी ऑक्सिजन सहज उपलब्ध असेल अशी पातळी.  

जेव्हा सेल पाण्याने भरला होता तेव्हा संपूर्ण कालावधीत डिझाइनसाठी पॉवर आउटपुट लक्षणीयरीत्या जास्त होते. हे पूर्णपणे पाण्याखालील स्थितीपासून ते काहीसे कोरडे (वॉल्यूमनुसार 41% पाणी) पर्यंत चांगले कार्य करते परंतु तरीही सक्रिय राहण्यासाठी उच्च 41% व्हॉल्यूमेट्रिक वॉटर कंटेंट (VWC) आवश्यक होते.  

हा अभ्यास SMFCs च्या डिझाइन पैलूंशी संबंधित प्रश्नांना संबोधित करतो ज्यामध्ये सुसंगतता आणि आर्द्रता बदलांना लवचिकता सुधारते. लेखकांनी सर्व डिझाईन, ट्यूटोरियल्स आणि सिम्युलेशन साधने लोकांसाठी वापरण्यासाठी आणि तयार करण्यासाठी प्रसिद्ध केली असल्याने, आशा आहे की, हे नजीकच्या भविष्यात अचूक शेतीसारख्या विविध क्षेत्रांमध्ये व्यापक अनुप्रयोगांमध्ये भाषांतरित होईल.  

*** 

संदर्भ:  

1. विश्वनाथन एएस, 2021. मायक्रोबियल इंधन पेशी: नवशिक्यांसाठी सर्वसमावेशक पुनरावलोकन. 3 बायोटेक. 2021 मे; 11(5): 248. ऑनलाइन प्रकाशित 01 मे 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. दहा बी., इत्यादी 2024. माती-संचालित संगणन: व्यावहारिक माती सूक्ष्मजीव इंधन सेल डिझाइनसाठी अभियंता मार्गदर्शक. प्रकाशित:12 जानेवारी 2024. इंटरएक्टिव्ह, मोबाइल, वेअरेबल आणि सर्वव्यापी तंत्रज्ञानावरील ACM ची कार्यवाही. खंड 7 अंक 4 लेख क्रमांक: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. नॉर्थवेस्टर्न विद्यापीठ. बातम्या-डर्ट-चालित इंधन सेल कायमचा चालतो. 12 जानेवारी 2024 रोजी पोस्ट केले. येथे उपलब्ध https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***