Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MFC) to inny rodzaj ogniwa paliwowego, które wykorzystuje reakcje chemiczne do generowania prądu elektrycznego z przepływem elektronów przez obwód. Jest on podobny do standardowych ogniw paliwowych, które zawierają te same elementy, takie jak anoda, katoda i przepuszczalna membrana. Ponieważ MFC są biologicznymi ogniwami paliwowymi, możemy dowolnie nazywać anodę i katodę, odpowiednio, beztlenową (odtlenioną) i tlenową (natlenioną) komorą. Różnica w biologicznym ogniwie paliwowym polega na tym, że żywy mikroorganizm jest umieszczany w komorze beztlenowej, która podlega oddychaniu beztlenowemu, co wymaga pustki tlenu. Elektrony są utleniane i transportowane z komory beztlenowej do komory tlenowej. Protony (H +) są produkowane i wymieniane przez przepuszczalną membranę do komory tlenowej. Tworzy to gradient elektrochemiczny, który umożliwia przepływ prądu przez przewody. To biologiczne ogniwo paliwowe jest niedrogim projektem naukowym, który można wykonać dla młodego naukowca.

Kieszonkowe dzieci:

Krok 1: Potrzebne materiały

· Chobani grecki jogurt waniliowy

· Próbka osadu

· Glukoza

· 2 plastikowe pojemniki do noszenia butów 1890 ml

· Zaciski krokodylkowe

· Woltomierz

· Tkanina węglowa

· Rury PCV

· Chlorek potasu

· Agar

· 16 drutów miedzianych Gage

· Przecinak do drutu

· Pistolet na gorący klej

· 0,1 M bufor fosforanowy pH ~ 6,2

· Taśma elektryczna

· Woda DI lub woda z kranu

· Ftalicyjanek potasu

· Lina

Krok 2: Konstrukcja MFC

Most solny

Najpierw wyciąć 6,5 cm PVC za pomocą piły. Naszkicuj zarys średnicy PVC na obu plastikowych pojemnikach, a następnie wyciąć za pomocą frezów do pudełek. Dokładnie owinąć i uszczelnić jeden koniec PVC folią i taśmą, aby zapobiec wyciekowi gorącego roztworu agaru po wlaniu do rury PVC. Aby wykonać most solny, należy przygotować roztwór agaru. Najpierw dodaj 38,5 g chlorku potasu do kolby Erlenmeyera zawierającej 80 ml wody DI. Następnie obróć kolbę i umieść w kuchence mikrofalowej na około jedną minutę. Wyjmij i obróć, aby sprawdzić, czy cały chlorek potasu rozpuścił się w roztworze (załóż rękawice izolacyjne). Dodaj małe ilości wody (~ 5 ml) i kontynuuj nagrzewanie w małych odstępach czasu, aż cała sól się rozpuści. Natychmiast po rozpuszczeniu soli dodać 5 g agaru do roztworu i podgrzać w kuchence mikrofalowej przez około 30 sekund. Gdy roztwór agaru zostanie wyjęty z wirówki mikrofalowej, wlać go do rury PCV, aż będzie prawie pełny roztworu. Zestalenie się roztworu w rurze PVC trwa około 30-45 minut. Po zestaleniu się roztworu agaru można go przepuścić przez dwa otwory plastikowych pojemników i bezpiecznie zamknąć gorącym klejem, aby utworzyć wodoszczelne uszczelnienie.

Komora aerobowa i beztlenowa

Następnie dodaj osad strumienia (500 ml) i jogurt Chobani (7 907 g) do komory beztlenowej i wymieszaj równomiernie. Osad strumienia i jogurt działają jak organizmy zdolne do wytwarzania energii elektrycznej. Ponieważ jest to biologiczne ogniwo paliwowe, wymaga ono dla organizmu paliwa, aby przetrwało i nieprzerwanie produkowało elektrony do stałej produkcji prądu, dlatego w tym eksperymencie wykorzystuje się 15,5 gramów glukozy. Bufor fosforanowy wykonano na tej stronie internetowej http: //cshprotocols.cshlp.org/. W komorze tlenowej dodać 0,1 M bufor fosforanowy pH ~ 6,2 (1500 ml) i dodać ~ 3,75 ml żelazicyjanku potasu do buforu fosforanowego.

Elektroda i woltomierz

Następnie należy wykonać elektrodę za pomocą drutów miedzianych o rozmiarze 16, usuwając końce każdego z nich i przewlekając poszczególne włókna przez tkaninę węglową. Gdy elektrody zostaną wykonane, zanurz je w obu pojemnikach, upewniając się, że moczą się. Elektrody promują przenoszenie elektronów z komory beztlenowej do komory tlenowej w celu wytworzenia prądu elektrycznego. Następnie drugi koniec pozbawionego drutu miedzianego można przymocować do woltomierza. Czarny zacisk aligatora jest przymocowany do elektrody komory beztlenowej, a czerwony do elektrody komory tlenowej przymocowanej do woltomierza.

Krok 3: Wyniki

Początkowe odczyty napięcia w pierwszych 18 godzinach pracy MFC wynosiły od 0,118 do 0,196. Wysokie napięcie 0,196 V osiągnięto w ciągu 5 godzin od rozpoczęcia MFC, a następnie spadło i ustabilizowało się w ciągu następnych 13 godzin od 0,163 V do 0,185 V. Podczas następnej 15 godzinnej pracy napięcie MFC gwałtownie wzrosło w zakresie od 0,466V do 0,505V. Tuż przed wzięciem napięć w drugim biegu do komory beztlenowej dodano -15,5 g glukozy i wymieszano równomiernie w osadzie i jogurcie.

Dodatek glukozy zdecydowanie pomógł zwiększyć napięcie wyjściowe po pierwszym zbiorze danych napięcia. W ciągu pierwszych 18 godzin napięcie stale rosło przez pierwsze pięć godzin do maksymalnego napięcia 0,196, a następnie spadało i ustabilizowało się w granicach 0,163 V do 0,185 V. Dodatek 15,5 g glukozy ułatwia wytwarzanie elektronów z bakterii, a następnie można go przenieść z komory anaerobowej (anody) do komory tlenowej. Pod względem stężenia tylko około 1,1% mieszaniny próbek zawierało glukozę, która jest znacznie mała w porównaniu z całkowitą wielkością całej mieszaniny próbek. Możliwe, że jeśli dodamy więcej glukozy, MFC będzie generować wyższe napięcia.

Problemy

Niektóre problemy napotkane podczas produkcji MFC obejmowały ruch mostu solnego, gdy próbki umieszczono w pojemniku. Na każdym końcu mostu solnego umieszczono kawałek liny i taśmy elektrycznej, aby nie wysunąć się z rury PVC. Wystąpiła również niewielka ilość dyfuzji komory beztlenowej do komory tlenowej przez most solny. Mogło to przynieść niedokładne wyniki, ponieważ spowodowało niewielkie wymieszanie obu komór.

Krok 4: Wniosek

Konstrukcja MFC była unikalnym projektem, ponieważ mieliśmy wolną wolę, aby zbudować ją w dowolny sposób, który uważaliśmy za najlepszy w badaniach przeprowadzonych przed ręką. W jaki sposób drobnoustroje są niezbędne do życia, a teraz wykorzystujemy je do postępu technologicznego. Oczywiście, wytwarzane przeze mnie paliwo mikrobiologiczne było na małą skalę pod względem wielkości i produkcji napięcia, ale w dalszych badaniach uważam, że ta technologia może być wysoce wydajna w przyszłości i pomóc rozwiązać część światowego kryzysu energetycznego.