土壤动力燃料电池有望实现廉价、可持续的水净化

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土壤动力燃料电池有望实现廉价、可持续的水净化


巴斯大学的工程师表明,有可能捕获和利用土壤中微生物中发生的自然反应产生的能量。


由化学和电气工程师组成的团队展示了廉价、简单的“土壤微生物燃料电池”(SMFC)的潜力,这些燃料电池埋在地下,可为净化水的电化学反应器提供动力。


概念验证设计在2019年巴西东北部进行的现场测试中得到了证明,表明SMFC每天可净化约三升水,足以满足一个人的日常用水需求。


该项目是与塞瓦州联邦大学的地理学家团队和北里约格兰德州联邦大学的化学家团队合作进行的。


测试在伊卡普伊(Icapuí)进行,伊卡普伊(Icapuí)是一个位于偏远半干旱地区的渔村,那里的饮用水主要来源是雨水,并且缺乏可靠的电力网络。


雨水必须经过氯化处理才能饮用,除了造成不良的味道和气味外,不受控制的氯化处理对人体健康也很危险-因此,安全的水处理方法至关重要。


土壤微生物燃料电池可在田间工作


SMFC通过自然存在于土壤中的特定微生物(电动)的代谢活动产生能量,这些微生物能够将电子转移到其细胞外。


土壤动力燃料电池有望实现廉价、可持续的水净化


该系统由巴斯化学工程系和电子与电气工程系的工作人员开发,由两个以固定距离(4厘米)隔开并连接到外部电路的碳基电极组成。一个电极(阳极)埋在土壤中,而另一个电极(阴极)暴露在土壤表面的空气中。


电动势充斥着阳极表面,当它们“消耗”土壤中存在的有机化合物时,它们会产生电子。这些电子被转移到阳极,并通过外部电路传输到阴极,从而产生电能。


通过构建由多个SMFC构成的堆栈并将其连接到电池,可以收集和存储该能量,并使用它为电化学反应器供电以进行水处理。


单个SMFC单元的成本仅为几磅,可以通过批量生产和使用电极制造本地资源来进一步降低。


廉价且可持续的解决氯化问题的方法


该地区对可持续水净化的需求源于以下事实:主要的水供应来自降水,降水需要进行氯化处理才能饮用。


土壤动力燃料电池有望实现廉价、可持续的水净化


该技术安装在Icapuí小学的EEF Professora Mizinha教授身上,产生的能量很少,可在一天之内净化3升水。需要进一步研究以扩大其能力。


该团队的目标是改进设备的设计及其效率,以使一台设备每天可以净化家庭所需的水。这带来了三个挑战:产生足够的能量;有效地收集和存储能量;并有效处理水以确保质量和可饮用性。


领导该项目的Mirella Di Lorenzo博士说:“在实验室条件下,已经可以使用土壤微生物燃料电池技术来满足家庭的日常用水需求,但是在室外以及仅需最少维护的系统中进行操作就非常棘手,并且这以前证明了微生物燃料电池被认为是有效的障碍。该项目表明,SMFC具有作为可持续的低能耗能源的真正潜力。”


她补充说:“我们正在解决巴西东北部半干旱地区的水资源短缺和能源安全问题。我们寻求一种可持续的方式来有效处理水并使其可饮用。雨水是造成水供应的主要来源。该地区的饮用水,但这不是无菌的-我们在这项工作中的方法指出了我们可以解决问题的方法。


“我们项目的另一个重要元素是围绕可持续技术的教育。与小学生及其老师一起进行了现场工作。他们接受了系统工作原理,安装和维护方面的培训。”


在2019年进行的野外工作期间,小学安装了一个系统,对该系统进行了测试以确保它可以复制实验室中以前看到的结果。


该项目的巴西负责人,塞阿拉联邦大学(UFC)的Adryane Gorayeb博士说:“技术的应用以及该项目的教育元素为有学历的学生提供了变革性的经验。拓宽了他们的世界视野。


“学生们帮助完成了土壤微生物燃料电池的制造,并学习了如何使用该技术。他们还参加了一个专门的讲习班,以提高联合国对可持续发展目标的认识。”


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