मृदा माइक्रोबियल ईंधन सेल (एसएमएफसी): नया डिज़ाइन पर्यावरण और किसानों को लाभ पहुंचा सकता है 

मृदा माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं (एसएमएफसी) बिजली पैदा करने के लिए मिट्टी में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले बैक्टीरिया का उपयोग करते हैं। नवीकरणीय ऊर्जा के दीर्घकालिक, विकेन्द्रीकृत स्रोत के रूप में, एसएमएफसी को विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों की वास्तविक समय की निगरानी के लिए स्थायी रूप से तैनात किया जा सकता है और परिशुद्धता के विकास में भी योगदान दिया जा सकता है। खेती और स्मार्ट शहर. हालाँकि, एक सदी से अधिक समय से अस्तित्व में होने के बावजूद, बिजली उत्पादन में असंगतता के कारण एसएमएफसी का व्यावहारिक अनुप्रयोग लगभग अस्तित्वहीन है। वर्तमान में, कोई एसएमएफसी नहीं है जो उच्च नमी वाले पानी की स्थिति के बाहर लगातार बिजली उत्पन्न कर सके। हाल के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने विभिन्न डिज़ाइन संस्करण बनाए और तुलना की और पाया कि ऊर्ध्वाधर सेल डिज़ाइन प्रदर्शन में सुधार करता है और एसएमएफसी को मिट्टी की नमी में परिवर्तन के प्रति अधिक लचीला बनाता है।   

सूक्ष्मजीव ईधन कोशिकाएं (एमएफसी) बायोरिएक्टर हैं जो ऊर्जा को रासायनिक बंधों में परिवर्तित करके बिजली का उत्पादन करते हैं जैविक सूक्ष्मजीवों द्वारा बायोकैटलिसिस के माध्यम से यौगिकों को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। सब्सट्रेट के जीवाणु ऑक्सीकरण द्वारा एनोड डिब्बे में छोड़े गए इलेक्ट्रॉनों को कैथोड में स्थानांतरित किया जाता है जहां वे ऑक्सीजन और हाइड्रोजन आयनों के साथ संयोजन करते हैं।  

एरोबिक स्थिति के तहत जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं, उदाहरण के लिए, सब्सट्रेट के रूप में एसीटेट के लिए हैं: 

एनोड पर ऑक्सीकरण अर्ध-प्रतिक्रिया 

CH₃सीओओ^- + 3H₂ओ → सीओ₂ +एचसीओ₃^- + 8H⁺ + 8 ई^-  

कैथोड पर अर्ध-प्रतिक्रिया में कमी 

2 बारे में ₂ + एक्सएनएनएक्स एच ⁺ + 8 ई ^-   → 4 एच ₂ O 

अवायवीय वातावरण में, एमएफसी बिजली उत्पादन के लिए बायोवेस्ट को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग कर सकते हैं। 

एमएफसी में टिकाऊ ऊर्जा के पर्यावरणीय मुद्दों के समाधान के रूप में काम करने की क्षमता है, ग्लोबल वार्मिंग और जैव अपशिष्ट प्रबंधन। इसके पास उन क्षेत्रों में आवेदन के लिए एक ठोस मामला है जहां नियमित रासायनिक बैटरी और सौर पैनल उम्मीद से कम हैं जैसे कि हरे बुनियादी ढांचे, घास के मैदान, आर्द्रभूमि या भूमिगत। इन क्षेत्रों में, सौर पैनल रात में काम नहीं करते हैं और आमतौर पर रसायन के घटकों के कारण गंदगी या वनस्पति से ढके रहते हैं बैटरी पर्यावरण में घुलना। मृदा माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं (एसएमएफसी) खेती, घास के मैदान, जंगल और बंजर भूमि जैसे क्षेत्रों में कम ऊर्जा वाले उपकरणों को बिजली देने के लिए ऊर्जा के एक स्थायी स्रोत के रूप में आते हैं।  

मृदा माइक्रोबियल ईंधन सेल (एसएमएफसी) बिजली उत्पन्न करने के लिए मिट्टी में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले बैक्टीरिया का उपयोग करते हैं। इष्टतम परिस्थितियों में, एसएमएफसी 200 एमवी के वोल्टेज के साथ 731 μW तक बिजली का उत्पादन कर सकते हैं। नवीकरणीय ऊर्जा के दीर्घकालिक, विकेन्द्रीकृत स्रोत के रूप में, एसएमएफसी को विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों और मार्गदर्शन नीति की वास्तविक समय की निगरानी के लिए स्थायी रूप से तैनात किया जा सकता है। ये स्मार्ट शहरों के विकास में भी योगदान दे सकते हैं खेतों.  

हालाँकि, एक शताब्दी से अधिक समय से अस्तित्व में होने के बावजूद, जमीनी स्तर पर एसएमएफसी का व्यावहारिक अनुप्रयोग बहुत सीमित है। वर्तमान में, कोई एसएमएफसी नहीं है जो उच्च नमी वाले पानी की स्थिति के बाहर लगातार बिजली उत्पन्न कर सके। बिजली उत्पादन में असंगतता को पर्यावरणीय परिस्थितियों, मिट्टी की नमी, मिट्टी के प्रकार, मिट्टी में रहने वाले सूक्ष्म जीवों आदि में अंतर के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, लेकिन मिट्टी की नमी में परिवर्तन का बिजली उत्पादन की स्थिरता पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है। लगातार बिजली उत्पादन के लिए कोशिकाओं को पर्याप्त रूप से हाइड्रेटेड और ऑक्सीजन युक्त रहने की आवश्यकता होती है जो सूखी गंदगी में भूमिगत दबे होने पर एक कठिन मुद्दा हो सकता है।   

ऊर्ध्वाधर सेल डिज़ाइन प्रदर्शन में सुधार करता है और एसएमएफसी को मिट्टी की नमी में परिवर्तन के प्रति अधिक लचीला बनाता है।  

एक हालिया अध्ययन (एसएमएफसी परिनियोजन डेटा के संयुक्त नौ महीनों के साथ 2 साल की लंबी पुनरावृत्त डिजाइन प्रक्रिया को शामिल करते हुए) ने सामान्य डिजाइन दिशानिर्देशों पर पहुंचने के लिए सेल डिजाइन का व्यवस्थित रूप से परीक्षण किया है। अनुसंधान टीम ने पारंपरिक डिज़ाइन सहित चार अलग-अलग संस्करण बनाए और तुलना की जिसमें कैथोड और एनोड दोनों एक दूसरे के समानांतर हैं। ईंधन सेल का ऊर्ध्वाधर डिज़ाइन (संस्करण 3: एनोड ओरिएंटेशन क्षैतिज और कैथोड ओरिएंटेशन लंबवत) सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाला पाया गया। इसने जलमग्न स्थिति से लेकर कुछ हद तक शुष्क स्थिति की नमी सीमा में अच्छा काम किया।  

ऊर्ध्वाधर डिजाइन में, एनोड (बैक्टीरिया द्वारा छोड़े गए इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने के लिए कार्बन से बना) को जमीन की सतह पर लंबवत नम मिट्टी में दफनाया जाता है, जबकि कैथोड (एक निष्क्रिय, प्रवाहकीय धातु से बना) जमीन पर क्षैतिज रूप से एनोड के ऊपर लंबवत बैठता है। वह स्तर जहां कमी आधी प्रतिक्रिया को पूरा करने के लिए ऑक्सीजन आसानी से उपलब्ध है।  

जब सेल पानी से भर गया था तब डिज़ाइन के लिए बिजली उत्पादन पूरी अवधि में काफी अधिक था। यह पूरी तरह से पानी के नीचे की स्थिति से लेकर कुछ हद तक सूखे (मात्रा के हिसाब से 41% पानी) तक अच्छी तरह से संचालित होता है, हालांकि सक्रिय रहने के लिए इसमें अभी भी 41% वॉल्यूमेट्रिक पानी की मात्रा (वीडब्ल्यूसी) की आवश्यकता होती है।  

यह अध्ययन नमी परिवर्तन के प्रति स्थिरता और लचीलेपन में सुधार लाने की दिशा में एसएमएफसी के डिजाइन पहलू से संबंधित प्रश्न का समाधान करता है। चूंकि लेखकों ने जनता के उपयोग और निर्माण के लिए सभी डिज़ाइन, ट्यूटोरियल और सिमुलेशन टूल जारी किए हैं, उम्मीद है कि यह निकट भविष्य में सटीक खेती जैसे विविध क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोगों में तब्दील हो जाएगा।  

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सन्दर्भ:  

1. विश्वनाथन एएस, 2021। माइक्रोबियल ईंधन सेल: शुरुआती लोगों के लिए एक व्यापक समीक्षा। 3 बायोटेक. 2021 मई; 11(5): 248. 01 मई 2021 को ऑनलाइन प्रकाशित। डीओआई: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. दस बी., एट अल 2024. मृदा-संचालित कंप्यूटिंग: व्यावहारिक मृदा माइक्रोबियल ईंधन सेल डिजाइन के लिए इंजीनियर की मार्गदर्शिका। प्रकाशित: 12 जनवरी 2024। इंटरएक्टिव, मोबाइल, पहनने योग्य और सर्वव्यापी प्रौद्योगिकियों पर एसीएम की कार्यवाही। खंड 7 अंक 4अनुच्छेद संख्या: 196पीपी 1-40। डीओआई: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी। समाचार-गंदगी से चलने वाला ईंधन सेल हमेशा चलता रहता है। 12 जनवरी 2024 को पोस्ट किया गया। यहां उपलब्ध है https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

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