Механизм генерации электрохимического потенциала дерева

УДК

DOI:

Аннотация

Исследовано влияние внешних условий (света, температуры) на эффективность гене- рации электрической энергии гальваническим элементом, образованным из пары металлических электродов, размещенных в деревьях различной породы и почве. Использовали электроды из железа, нержавеющей стали и меди. Изучали деревья разных пород (береза, липа, дуб, лиственница, сосна, ель) в Московской и Калужской областях. Разность потенциалов между деревом и почвой изменялась в течение суток от 0,1 до 0,7 В в зависимости от вида дерева и материала электрода. Электрод в дерево погружали на глубину примерно 2 см, в почву – на 15 см. Разность потенциалов не зависела от высоты расположения электрода в дереве и расстояния от него до электрода в почве. Максимальная эффективность генерации электричества в летнее время достигалась в полуденные часы на лиственных деревьях с применением электродов из железа (дерево) и меди (почва). Сделано заключение об ускорении солнечным светом кинетики окислительно-восстановительных реакций в электролите ксилемы с участием металла электрода. Более высокие значения разности потенциалов в лиственных деревьях по сравнению с хвойными связаны с различием химического состава их соков и более высокими значениями рН и диэлектрической постоянной в пасоке, чем в живице. Полученные результаты полезны для конструирования аккумуляторов электрической энергии деревьев, с помощью которых можно будет заряжать и питать маломощные электронные устройства: мобильные телефоны, датчики контроля параметров внешней среды (температуры, загазованности вредными веществами, ионизирующей радиации).

Сведения об авторах

А.С. Холманский, д-р хим. наук, проф., ведущий науч. сотр. 

Ю.М. Кожевников, канд. техн. наук, зав. лаб.

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 1-й Вешняковский проезд, д. 2, Москва, Россия, 109456; е-mail: allexhol@yandex.ru

Ключевые слова

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Витер В.Н. Гальванический элемент. Ч. 4 // Химия и химики. 2014. № 7. Режим доступа: http://chemistry-chemists.com/N7_2014 / ChemistryAndChemists_7_2014- P8-4.html.

2. Гордеев А.М., Шешнев В.Б. Электричество в жизни растений. М.: Наука, 1991. 160 с.

3. Крамер П.Д., Козловский Т.Т. Физиология древесных растений // Бонсай. Режим доступа: www.bonsai.ru/dendro/phcontent.html

4. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высш. шк., 1989. 464 с.

5. Холманский А.С. Адаптация деревьев к аномальным физическим факторам // Математическая морфология. Электронный математический и медико-биологический журнал. 2009. Т. 8, вып. 3. Режим доступа: http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/ N-23-html/holmanskiy/holmanskiy.doc

6. Шаталов А.Я. Введение в электрохимическую термодинамику. М.: Высш. шк., 1984. 216 с.

7. Gibert D., Le Mouёl J.-L., Lambs L., Nicollin F., Perrier F. Sap Flow and Daily Electrical Potential Variations in a Tree Trunk // Plant Science. 2006. Vol. 171. P. 572–584.

8. Hao Z., Li W., Kan J., Jiang L., Feng C. Bioelectricity in Standing Trees – A Potential Energy for Wireless Sensor Networks // Telkomnika. 2013. Vol. 11, N 8. Р. 4841–4846.

9. Himes C., Carlson E., Ricchiuti R.J., Taylor D.W., Otis B., Parviz B.A. Using plants for directly powering nanoelectronic circuits // Nanotechnology Perceptions. 2010. Vol. 6. P. 29–40.

10. Love C.J., Zhang S., Mershin A. Source of sustained voltage difference between the xylem of a potted Ficus benjamina tree and its soil // PLoS ONE. 2008. Vol. 3, N 8. Р. 2963.

11. Mamatha Ch., Mathew S. A natural battery based on lake water and its soil bank. Available at: www.ijevs.com

12. The Roots of Power. Available at: http://www.iop.org/activity/groups/subject/ env/prize/file_52518.pdf

13. Tian H., Kan J., Xu Q., Zhang С., Jiang Z., Li Ya. A Measurement System of Electric Signals on Standing Trees // Sensors &  Transducers. 2014. Vol. 162, Iss.  1. Р. 215–220.

Ссылка на английскую версию:

UDC 58.037

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.5.73

Generation Mechanism of the Tree Electrochemical Potential

A.S. Kholmanskiy, Doctor of Chemical Sciences, Professor, Leading Researcher

Yu.M. Kozhevnikov, Сandidate of Engineering Sciences, Chief of Laboratory

All-Union Scientific Research Institute of Farm Electrification, 1st Veshnyakovskiy proezd, 2, Moscow, 109456, Russian Federation; е-mail: allexhol@yandex.ru

The paper presents the research results of the influence of external conditions (light, tempera- ture) on the efficiency of electrical generation by a galvanic cell formed from of a pair of metal electrodes placed in trees of various species and the soil. We used the electrodes made of iron, stainless steel and copper. The trees of different species (birch, linden, oak, larch, pine, spruce) in Moscow and Kaluga regions were examined. The potential difference between a tree and the soil varied during the day from 0.1 to 0.7 V depending on the type of a tree and a material of an electrode. The electrode was immersed into a tree to a depth of ~ 2 cm, and into the soil at ~ 15 cm. The potential difference did not depend on the height of the location of the electrode in the tree and the distance between it and the electrode in the soil. Maximum efficiency of electrical power generation in the summer time was achieved at midday on deciduous trees with the use of iron electrodes (wood) and copper electrodes (soil). We made a conclusion about the acceleration of the kinetics of redox reactions in the xylem electrolyte with the elec- trode metal by the solar light. The higher values of the potential difference in deciduous trees compared to conifers trees are associated with the difference of the chemical composition of their saps and higher values of pH and a dielectric constant in a root exudate than in the soft resin. The obtained results are useful for the batteries constructing of electric energy of trees, which can charge the low-power electronic devices – the mobile phones, monitoring sensors of environmental parameters (temperature, air pollution, ionizing radiation).

Keywords: tree, electrochemistry, potential, galvanic cell, sunlight.

REFERENCES

1. Viter V.N. Gal'vanicheskiy element. Ch. 4 [A Galvanic Cell. Part 4]. Khimiya i khimiki [Chemistry and the Chemists], 2014, no. 7. Available at: http://chemistry- chemists.com/N7_2014/ChemistryAndChemists_7_2014-P8-4.html.

2. Gordeev A.M., Sheshnev V.B. Elektrichestvo v zhizni rasteniy [Electricity in a

Plant Life]. Moscow, 1991. 160 p.

3. Kramer P.D., Kozlovskiy T.T. Fiziologiya drevesnykh rasteniy [Physiology of

Woody Plants]. Bonsay [Bonsai]. Available at: http://bonsai.ru/dendro/phcontent.html.

4. Polevoy V.V. Fiziologiya rasteniy [Plant Physiology]. Moscow, 1989. 464 p.

5. Kholmanskiy A.S. Adaptatsiya derev'ev k anomal'nym fizicheskim faktoram [Ad- aptation of Trees to Abnormal Physical Factors]. Matematicheskaya morfologiya. El- ektronnyy matematicheskiy i mediko-biologicheskiy zhurnal [Mathematical Morphology:

Electronic Mathematical and Biomedical Journal], 2009, vol. 8, no. 3. Available at:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-23-html/holmanskiy/holmanskiy.htm.

6. Shatalov A.Ya. Vvedenie v elektrokhimicheskuyu termodinamiku [Introduction to

Electrochemical Thermodynamics]. Moscow, 1984. 216 p.

7. Gibert D., Le Mouël J.-L., Lambs L., Nicollin F., Perrier F. Sap Flow and Daily

Electrical Potential Variations in a Tree Trunk. Plant Science, 2006, no. 171, pp. 572–584.

8. Hao Zh., Li W., Kan J., Jiang L., Feng C. Bioelectricity in Standing Trees – а Potential

Energy for Wireless Sensor Networks. Telkomnika, 2013, vol. 11, no. 8, pp. 4841–4846.

9. Himes C., Carlson E., Ricchiuti R.J., Taylor D.W., Otis B., Parviz B.A. Using Plants for Directly Powering Nanoelectronic Circuits. Nanotechnology Perceptions, 2010, no. 6, рр. 29–40.

10. Love C.J., Zhang S., Mershin A. Source of Sustained Voltage Difference between the Xylem of a Potted Ficus benjamina Tree and Its Soil. PLoS ONE, 2008, no. 3(8), p. 2963.

11. Mamatha Ch., Mathew S. A Natural Battery Based on Lake Water and Its Soil

Bank. Available at: www.ijevs.com

12. The Roots of Power. Available at: http://www.iop.org/activity/groups/subject/

env/prize/file_52518.pdf.

13. Tian H., Kan J., Xu Q., Zhang C., Jiang Z., Li Ya. A Measurement System of Elec- tric Signals on Standing Trees. Sensors & Transducers, 2014, vol. 162, iss. 1, pp. 215–220.