18新利最新登入Plant-microbial燃料电池的工作原理

土壤,事实证明,充满了未开发(电气)的潜力。

绿色植物的业务光合作用把阳光的能量转化为化学能,然后储存在糖类如葡萄糖——他们通过根散发出废物土层称为根际。那里,细菌吃植物的砍掉了细胞,蛋白18新利最新登入质和糖类释放的根部[来源:英]。

PMFC而言,这意味着,只要工厂生活,细菌有饭票和燃料电池发电。热力学第一定律,一些翻译为“没有免费的午餐,”仍然适用,因为系统接收能量从外部来源,即太阳。

但如何在18新利最新登入地球上,或在它,做微生物产生电只需消耗和代谢食物吗?与爱或烘烤,所有这一切都归结到化学。

一般来说,mfc电池工作通过分离的两部分一个electro-biochemical过程(新陈代谢)和连接在一起成一个电路。理解,让我们来看看详细细胞代18新利最新登入谢。

在课本的例子中,葡萄糖和氧气反应生成二氧化碳和水[来源:Bennetto;Rabaey和•韦斯特拉特]。

C₆H₁₂O₆+ 6 o₂→6摄氏度_O2+ 6 h₂O

但在单个细胞或单细胞生物如细菌——这广泛的声明掩盖了一系列的中间步骤。其中的一些步骤暂时释放电子,我们都知道,是方便发电。所以,代替葡萄糖和氧气反应生成二氧化碳和水,葡萄糖和水产生二氧化碳,质子带正电的氢离子(H⁺(e)和电子^{- - - - - -})[来源:Bennetto;Rabaey和•韦斯特拉特]。

C₆H₁₂O₆+ 6 h₂O→6有限公司₂+ 24小时⁺e + 24^{- - - - - -}

在PMFC,这一半的过程定义了一个燃料电池的一半。这部分位于植物根系的根际,浪费和细菌。细胞的另一半在于富氧水渗透膜的另一侧。在自然环境中,这个膜是由水保边界[来源:Bennetto;Rabaey•韦斯特拉特;邓、陈和赵]。

下半年的细胞,自由质子和电子与氧结合生成水,这样的:

6 o₂+ 24小时⁺e + 24^{- - - - - -}→12 h₂O

质子在流动达到这下半年在离子交换膜,创建一个净正电荷,一个诱发电子流动电势沿外部连接线。瞧!电流[来源:Bennetto;Rabaey•韦斯特拉特;邓、陈和赵]。

但多少钱18新利最新登入?

截至2012年,PMFCs不产生能量和工作只有在水生环境中,与植物芦苇mannagrass (Glyceria最大值)、大米、常见的带状草地(摘要anglica)和巨大的里德(Arundo donax)[来源:邓、陈和赵;PlantPower]。如果你跑过一片PMFCs屋顶补丁在荷兰瓦赫宁根生态研究所,你永远不会知道这是任何超过植物的集合,除了丰富多彩的布线后从土壤[来源:威廉姆斯]。

不过,其潜在的应用在解决其他全球性可持续发展问题,包括资源紧张生物燃料已经负担过重的全球食品供应体系,继续鼓励研究人员和至少一个勘探风险,5.23耗费上百万欧元的项目PlantPower[来源:邓、陈和赵;PlantPower;特南鲍姆]。

因为PMFCs已经水生植物,农民和村庄不需要转储水性水稻为了实现它们。在更大的范围内,社区可以设立PMFCs湿地或地区土壤质量差,避免土地之间的竞争能源和粮食生产[来源:斯特里克等。]。全年生产像温室设置可以产生能量,但农田发电量将取决于生长季节[来源:PlantPower]。

在当地生产更多的能量可以降低碳排放量减少对燃料的需求航运本身——一个主要温室气体的贡献。但是有一个问题,这是一个非常重要的一个:即使PMFCs变得尽可能有效,他们仍然面临一个瓶颈——植物的光合效率和浪费生产本身。

植物在将太阳能转换成生物质惊人的效率低下。这种转换限制弹簧部分从量子影响光合作用的因素,部分是因为叶绿体只吸收光线在400 - 700纳米带,占大约45%的入射太阳辐射[来源:宫本茂]。

地球上两个最普遍类型的光合作用的植物被称为C3和C4,如此命名是因为碳原子的数目的分子形成过程中有限公司₂分解[来源:Seegren, Cowcer和罗密欧;SERC]。的理论转换限制C3植物,地球上的植物占95%,包括树木,上衣只有4.6%,而C4植物像甘蔗和玉米攀升至接近6%。然而在实践中,这些植物类型18新利最新登入通常实现只有70%的这些值[来源:邓、陈和赵;宫本茂;SERC]。

PMFCs,与任何机器,一些能源是迷失在运行工作——或者,在这种情况下,在种植植物。的生物量由光合作用,只有20%的人达到根际,只有30%的可用微生物食品[来源:邓、陈和赵]。

PMFCs恢复9%左右的能量从微生物代谢产生的电力。完全,这相当于PMFC solar-to-electrical转化率接近0.017%为C3植物(转化率(70%的4.6%)x x 30% 20% 9%) 0.022%, C4植物(0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09)[来源:邓、陈和赵;宫本茂;SERC]。

事实上,一些研究人员认为这些假设可能低估PMFCs的潜力,这对消费者只能是一个好消息。

就像任何新技术,PMFCs面临着一系列的挑战;例如,他们需要一个衬底,同时有利于植物生长和能量传递两个目标,有时是矛盾的。pH值两个细胞之间的差异部分,例如,可以带来损失的电势,作为跨膜离子“空头”达到化学平衡[来源:举行等。]。

如果工程师可以计算出缺陷,PMFCs可以持有庞大和多样的潜力。所有这一切都归结到他们能产生多少能量。18新利最新登入根据2008年的一项估计,这神奇的数字在21焦(5800千瓦时)每年每公顷(2.5英亩)[来源:斯特里克等。]。最近的研究估计,数量可以高达1000焦每公顷[来源:斯特里克et al。]。一些更多的事实的角度[来源:英国石油公司;欧洲委员会]:

根据这些数字,如果1%的美国和欧洲的农田被转换为PMFCs,它们将产生3450万焦(95.8亿千瓦)的粗略估计每年为欧洲和美国每年7560万焦(209亿千瓦)。

相比之下,欧盟27国2010年消费17.59亿吨油当量(脚趾)在能源、或742亿焦(20.5万亿千瓦)。脚趾是一个标准化的国际比较,单位等于一吨石油中包含的能量[来源:欧洲委员会;Universcience]。

在这个经过简化的场景中,PMFCs提供一个桶一个非常大的能量,但它是一个无污染的下降,和郁郁葱葱的景观,而不是产生黑烟发电厂或bird-smashing风力发电场。

此外,这只是一个开始。科学家已经在研究更高效waste-gobbling细菌,在2008年至2012年之间,衬底化学的进步增加了一倍多一些PMFCs电力生产。PlantPower认为,一旦完善,PMFCs可以提供多达20%的欧洲一次能源——也就是说,能源来自untransformed自然资源[来源:Øvergaard;PlantPower]。

PMFCs必须变得更便宜和更有效的才能享受广泛实现,但是进展。许多mfc电池省钱,制造业已经从高导电电极碳布而非贵金属或昂贵的石墨毡[来源:邓、陈和赵;斜纹软呢]。在2012年,它花费70美元一个立方米(的体积)设置在实验室条件下运作。

当一个人认为他们潜在的去除污染物,减少温室气体排放,谁知道呢?PMFCs能够吸引足够的投资者和政府利益成为未来的电厂,或者植物的种子一个更好的主意[来源:邓、陈和赵]。