Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Влияние параметров электродных систем на генерацию электроэнергии и возможность получения водорода в растительно-микробном топливном элементе

https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.032-051

Полный текст:

Аннотация

Работа посвящена созданию растительно-микробных топливных элементов (РМТЭ). Разработана конструкция ячейки для РМТЭ, позволяющей изучить влияние конфигурации и материала  электродных систем на величины генерируемых в системе корнеобитаемая среда-растение биоэлектрических потенциалов (БЭП). Показана возможность использования разработанной технологии измерения БЭП для создания длительно работающих растительно-микробных топливных элементов, основанных на применении электрической активности растений в качестве электродвижущей силы. Электроды выполнены из различных углеродных материалов и нержавеющей стали. Созданные экспериментальные РМТЭ способны генерировать напряжения на уровне 230 мВ в почвенных системах и 150 мВ в гидропонных. Выходная мощность РМТЭ на основе почвогрунта составила порядка 50 мВт/м2 при нагрузке 10 кОм, которая не вызывала значительных отклонений в состоянии растений. Рассчитанный возможный выход водорода с 1 м3 корнеобитаемой среды составил 0,2 ммоль в течении суток. РМТЭ может стать перспективным источником зеленой энергии, комбинированным с производственными процессами получения растительной продукции и молекулярного водорода.

Об авторах

Т. Э. Кулешова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Россия

Кулешова Татьяна Эдуардовна – к.ф.-м.н., научный сотрудник Агрофизического научно- исследовательского института; научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14;
194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26



А. Г. Иванова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук
Россия

Иванова Александра Геннадьевна  –  к.х.н., и.о. зав. лаборатории неорганического синтеза, в.н.с. 

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2

 



А. С. Галушко
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт
Россия

Галушко Александр Сергеевич – к.б.н., в.н.с.

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14



И. Ю. Кручинина
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук
Россия

Кручинина Ирина Юрьевна – д.т.н., Директор института

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2



О. А. Шилова
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук
Россия

Шилова Ольга Алексеевнад.х.н., г.н.с., Академик всемирной академии керамики, профессор

199034, Санкт-Петербург наб. Макарова, д. 2



О. Р. Удалова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт
Россия

Удалова Ольга Рудольфовна  – к.с.-х.н., в.н.с., зав. cектором 

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14



А. С. Жестков
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт
Россия

Жестков Алексей Сергеевич – вед. инженер

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14



Г. Г. Панова
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт
Россия

Панова Гаянэ Геннадьевна – к.б.н., в.н.с., зав. отделом 

195220, Санкт-Петербург, Гражданский просп., д. 14



Н. Р. Галль
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Россия

Галль Николай Ростиславович – д.ф.-м.н., зав.лаб. 

194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26



Список литературы

1. Strik D. P. et al. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell //International Journal of Energy Research. – 2008. – Т. 32. – №. 9. – С. 870-876.

2. Свистова И. Д., Кувшинова Н. М., Назаренко Н. Н. Микробно-растительные ассоциации нетрадиционных сахароносов и продуцентов натуральных подсластителей //Теоретическая и прикладная экология. – 2016. – №. 3. – С. 41-47.

3. Deng H., Chen Z., Zhao F. Energy from plants and microorganisms: progress in plant–microbial fuel cells //ChemSusChem. – 2012. – Т. 5. – №. 6. – С. 1006- 1011.

4. Logan B. E. Microbial fuel cells. – John Wiley & Sons, 2008.

5. Bennetto H. P. et al. Electricity generation by microorganisms //Biotechnology education. – 1990. – Т. 1. – №. 4. – С. 163-168.

6. Мельников П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1979.—296 с.

7. Новотны Я., Везироглу Т.Н. Влияние водорода на окружающую среду //Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – T. 01-03. – C. 16-24.

8. Дас Д., Везироглу Т.Н. Достижения в области получения водорода биологическим путем // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2017. – Т. 22-24. – С. 83-98.

9. Thauer R. K., Jungermann K., Decker K. Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria //Bacteriological reviews. – 1977. – Т. 41. – №. 1. – С. 100-180.

10. Sharma Y, Li B. Optimizing hydrogen production from organic wastewater treatment in batch reactors through experimental and kinetic analysis //Int J Hydrogen Energy. – 2009. – V. 34(15). – P. 6171–80.

11. Logan BE, Oh SE, Kim IS, Van Ginkel S. Biological hydrogen production measured in batch anaerobic respirometers //Environ Sci Technol. – 2002. – V. 36(11). – P. 2530–5.

12. Wang A., Sun D., Cao G., Wang H., Ren N., Wu W. M., Logan B. E. Integrated hydrogen production process from cellulose by combining dark fermentation, microbial fuel cells, and a microbial electrolysis cell //Bioresource Technology. – 2011. – Т. 102. – №. 5. – С. 4137-4143.

13. Oh S. E., Logan B. E. Hydrogen and electricity production from a food processing wastewater using fermentation and microbial fuel cell technologies //Water research. – 2005. – V. 39. – №. 19. – P. 4673-4682.

14. Sharma Y., Li B. Optimizing energy harvest in wastewater treatment by combining anaerobic hydrogen producing biofermentor (HPB) and microbial fuel cell (MFC) //International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Т. 35. – №. 8. – С. 3789-3797.

15. Chu C. Y., Tung L., Lin C. Y. Effect of substrate concentration and pH on biohydrogen production kinetics from food industry wastewater by mixed culture //International journal of hydrogen energy. – 2013. – Т.38. – №. 35. – С. 15849-15855.

16. Wan, L. L., Li, X. J., Zang, G. L., Wang, X., Zhang, Y. Y., & Zhou, Q. X. A solar assisted microbial electrolysis cell for hydrogen production driven by a microbial fuel cell //RSC advances. – 2015. – Т. 5. – №. 100. – С. 82276-82281.

17. Apollon W., Rusyn I., González-Gamboa N., Kuleshova T., Luna-Maldonado A.I., Vidales-Contreras J.A., Kamaraj S.K. Improvement of zero waste sustainable recovery using microbial energy generation systems: A comprehensive review //Science of The Total Environment. – 2022. – С. 153055.

18. Nitisoravut R., Regmi R. Plant microbial fuel cells: A promising biosystems engineering //Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2017. – Т. 76. – С. 81-89.

19. Higinbotham N. Movement of ions and electrogenesis in higher plant cells //American zoologist. – 1970. – Т. 10. – №. 3. – С. 393-403.

20. Опритов В. А., Тятыгин С. С., Ретивин В. Г. Биоэлектрогенез у высших растений. – 1991.

21. Wetser K. et al. Electricity from wetlands: Tubular plant microbial fuels with silicone gas-diffusion biocathodes //Applied energy. – 2017. – Т. 185. – С. 642-649.

22. Wetser K. et al. Electricity generation by a plant microbial fuel cell with an integrated oxygen reducing biocathode //Applied energy. – 2015. – Т. 137. – С. 151- 157.

23. Strik D. P. et al. Microbial solar cells: applying photosynthetic and electrochemically active organisms // Trends in biotechnology. – 2011. – Т. 29. – №. 1. – С. 41-49.

24. Lu L., Xing D., Ren Z. J. Microbial community structure accompanied with electricity production in a constructed wetland plant microbial fuel cell // Bioresource technology. – 2015. – Т. 195. – С. 115- 121.

25. Kaku N. et al. Plant/microbe cooperation for electricity generation in a rice paddy field //Applied microbiology and biotechnology. – 2008. – Т. 79. – №. 1. – С. 43-49.

26. Khare A. P., Bundela H. Generation of electricity using vermicompost with different substrates through single chamber MFC approach //Int J Eng Trends Technol. – 2013. – Т. 4. – №. 9. – С. 4206-4210.

27. Liu S. et al. Power generation enhancement by utilizing plant photosynthate in microbial fuel cell coupled constructed wetland system //International Journal of Photoenergy. – 2013. – Т. 2013.

28. Moqsud M. A. et al. Compost in plant microbial fuel cell for bioelectricity generation //Waste Management. – 2015. – Т. 36. – С. 63-69.

29. Шеремет В. В., Волченко Н. Н., Самков А. А. Влияние состава питательной среды и растительного компонента на электрогенез в растительно- микробном топливном элементе //Биотехнология и общество в XXI веке. – 2015. – С. 429-431.

30. Panova G. G. et al. Fundamentals of Physical Modeling of “Ideal” Agroecosystems //Technical Physics. – 2020. – Т. 65. – №. 10. – С. 1563-1569.

31. Чесноков В.А., Базырина Е.Н., Бушуева Т.М. Выращивание растений без почвы, Изд. ЛГУ, – 1960.

32. Rahimnejad M. et al. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review // Alexandria Engineering Journal. – 2015. – Т. 54. – №3. – С. 745-756.

33. Tou I., Azri Y.M., Sadi M., Lounici H., Kebbouche-Gana S. Chlorophytum microbial fuel cell characterization //International Journal of Green Energy. – 2019. – Т. 16. – №. 12. – С. 947-959.

34. Kuleshova T. E., Bushlyakova A. V., Gall N. R. Noninvasive measurement of bioelectric potentials of plants //Technical Physics Letters. – 2019. – Т. 45. – №. 3. – С. 190-192.

35. Kuleshova T. E., Gall N. R. Dynamics of Bioelectric Potential in the Root Zone of Plants during Irrigation //Eurasian Soil Science. – 2021. – Т. 54. – №. 3. – С. 381-388.

36. Медведев С. С. Физиология растений. – БХВ- Петербург, 2013.

37. Kuleshova T. E. et al. The influence of the spectral properties of the lighting environment on light absorption by lettuce leaves and the net productivity of lettuce // Biophysics. – 2020. – Т. 65. – №. 1. – С. 95-105

38. Kabutey F.T., Zhao Q., Wei L., Ding J., Antwi P., Quashie F.K., Wang W., An overview of plant microbial fuel cells (PMFCs): Configurations and applications. //Renew. Sustain. Energy Rev. – 2019. – V. 110. – P. 402–414.

39. Apollon W., Kamaraj S.K., Silos-Espino H., Per- ales-Segovia C., Valera-Montero L.L., Maldonado- Ruelas V.A., Gómez-Leyva J.F. Impact of Opuntia spe- cies plant bio-battery in a semi-arid environment: Demonstration of their applications //Appl Energy. – 2020. – V. 279: – P. 115788


Рецензия

Для цитирования:


Кулешова Т.Э., Иванова А.Г., Галушко А.С., Кручинина И.Ю., Шилова О.А., Удалова О.Р., Жестков А.С., Панова Г.Г., Галль Н.Р. Влияние параметров электродных систем на генерацию электроэнергии и возможность получения водорода в растительно-микробном топливном элементе. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2022;(01):32-51. https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.032-051

For citation:


Kuleshovа T.E., Ivanova A.G., Galushko A.S., Kruchinina I.Yu., Shilova O.A., Udalova O.R., Zhestkov A.S., Panova G.G., Gall N.R. Influence of the electrode systems parameters on the electricity generation and the possibility of hydrogen production in a plant-microbial fuel cell. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2022;(01):32-51. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2022.01.032-051

Просмотров: 421


ISSN 1608-8298 (Print)