Badacze przetestowali dwie konfiguracje mikrodialnych ogniw paliwowych w technologii Biowaste 3D

Streszczenie brzmi: "W tej pracy przetestowano dwie różne konfiguracje MFC, oceniając znaczenie warunków operacyjnych dla produkcji energii. Wszystkie MFC zostały wyprodukowane przy użyciu technologii druku 3D, a dzięki zastosowaniu materiałów biokompatybilnych, tak jak w przypadku ciała, jak i elektrod, przeanalizowano punkt siły i rozwoju wymagany w stanie techniki dla tego konkretnego zastosowania. Produkcje energii i stabilność pod względem produkcji energii są badane pogłębione dla obu systemów w celu określenia ilości energii, która może być wydobyta z bakterii, gdy obciążenie jest ustalone na długi czas. "

Trzy główne przeniesienie Mechanizmy to promienie elektronów, nanoprzewody przewodzące i reakcje redoks między bakteriami a elektrodą. Skalowanie dla prawdziwych aplikacji MFC byłoby kosztowne, ponieważ potrzebne materiały, takie jak Nafion® i platyna, są kosztowne. Jednak drukowanie 3D może pomóc obniżyć koszty, a także zapewnić bardziej stabilną produkcję energii.

"Dzięki temu bioreaktory MFC mogą stosować bardziej zrównoważoną i mniej nieekonomiczną produkcję. Ponadto materiały nadające się do druku 3D przechodzą na rozwiązania oparte na produktach biologicznych, które można całkowicie poddać recyklingowi, co wzmocniłoby zrównoważony rozwój, zamykając pętlę także dla materiałów "- napisali naukowcy.

W celu zbadania zespół zbadał i przetestowano dwa rodzaje reaktorów: jedno- i dwukomorowe. Największa różnica między nimi dotyczy użycia lub jej braku komory do lokalizacji elektrody katodowej.

"W konstrukcjach reaktorów odległości między katodami i anodami w obu układach są ustalone na 2 cm," Wyjaśnili naukowcy.

"W konfiguracji jednokomorowej aktywowany węgiel pokryty PTFE i siatką niklową jako kolektorem prądu są używane jako katody (7 cm2 jako aktywny obszar powierzchni), a materiał na bazie PLA jest używany do realizacja anody (powierzchnia czynna 9,7 cm2)

"W reaktorze dwukomorowym obie elektrody (katoda i anoda) są realizowane za pomocą materiału na bazie PLA, takiego jak używany do anody reaktora jednokomorowego . Te elektrody mają ten sam kształt (9,7 cm2 powierzchni czynnej). Co więcej, membrana kationowymienna (CEM) jest używana jako medium pomiędzy dwiema komorami. "

Open Source Free CAD został użyty do zaprojektowania reaktorów o kształcie sześcianu, które zawierały wewnętrzny okrągły otwór dla dodatkowej objętości, a drukarka 3D Delta Wasp 20 40 wyprodukowała reaktory z nietoksycznego,przewodzące PLA z Proto-pasta.

Naukowcy zauważyli: "Materiał ten nadaje się do zastosowania w MFC, ale potrzebne są ulepszenia w celu uzyskania lepszej produkcji energii."

zespół wykorzystał bakterie z mieszanki kompostu pobranej z włoskiego zakładu obróbki odpadów i domowych odpadów roślinnych do swoich eksperymentów i pozostawił wydrukowane reaktory 3D w kontrolowanej temperaturze otoczenia 20 ° C przez 48 godzin przed rozpoczęciem przejęć.

"Eksperymentalny system gromadzenia danych służy do rejestrowania osiągów MFC składających się z wbudowanego systemu kontrolowanego przez kartę Arduino podłączoną do czujników, które rejestrowały napięcie i prąd w każdym roboczym zestawie warunków. DAQ, o częstotliwości próbkowania 0,1 Hz (10 s), jest w stanie automatycznie zmienić oporność przyłożoną na końcach elektrod, aby łatwo uzyskać krzywe polaryzacji. W szczególności procedura polaryzacji polega na zastosowaniu czterech różnych rezystancji (36000-27000-12000-8000 W) przez 5 minut każdy ", napisali naukowcy.

" Procedura jest ciągła, więc całkowity czas potrzebne jest 20 minut. Na koniec wartość rezystancji, która daje maksymalną moc, jest stosowana przez cztery godziny, aby sprawdzić, jak reaguje ona na rozszerzone obciążenie. "

Naukowcy nieustannie rejestrowali napięcie otwartego obwodu MFC (ang. Open Circuit Voltage) ( OCV), a układ dwukomorowy wykazuje wyższy potencjał początkowy o wartości 0,95 V w porównaniu z 0,59 V systemu jednokomorowego. Podczas testów eksperymentalnych zauważyli "wielką stabilność" i ustalili, że drukowanie 3D jest "odpowiednią technologią do wytwarzania MFC pod względem precyzji i kosztów."

"Wyniki eksperymentu pokazują, że na obie konfiguracje wpływa wysoki opór wewnętrzny, a w konsekwencji uzyskano ograniczoną produkcję mocy. Zgodnie z oczekiwaniami, lepsze wyniki są rejestrowane dla podwójnej komory, głównie ze względu na zastosowanie CEM i obecność nadmanganianu potasu na katodzie, która prawdopodobnie lepiej zrównoważyła reakcje redoks, które miały miejsce ", podsumował zespół. "Różnica ta jest jednak bardzo niska (+ 11%), a przyczynę można znaleźć w materiałach stosowanych do elektrod. Powlekana AC elektrodą PTFE (rezystancja 1 W), stosowana jako katoda w pierwszej konfiguracji, zapewnia lepszą wydajność niż przewodzący PLA (opór około 400 W). "