چکیده

استفاده از پیل سوختی میکروبی به دلیل قابلیت تولید انرژی و حذف همزمان آلاینده ها در سال های اخیر مورد توجه بوده است. با این حال به دلیل تولید جریان کم و هزینه بالا، یک فن آوری چالش برانگیز است. استفاده از غشا تبادل یون، بخش بزرگی از هزینه ساخت پیل سوختی میکروبی را تشکیل می دهد. اما نبود غشا نیز به معنی نفوذ بیشتر اکسیژن و محدود کردن واکنش در آند است و بازده کولمبیک را پایین می آورد. از این رو استفاده از غشا ارزان، روشی جهت کاربردی کردن استفاده از این فن آوری است.در این تحقیق استفاده از غشاهای ارزان قیمت خاک و سفال در پیل سوختی میکروبی دومحفظه ای، جهت تصفیه پساب لبنی و تولید الکتریسیته مورد آزمایش قرار گرفته و کیفیت عملکرد آنها، در مقایسه با غشا تبادل کاتیونارزیابی شده است. در غلظت خوراک 400mg/1 ، پیا با غشا خاک ، حداکثر دانسیته توان 2.5mW/ تولید کرد که برابر توان تولید شده در پیل با غشا تبادل کاتیون و 25% بیشتر از مقدار تولید شده در پیل با غشا سفال بود. بازده کوامبیک برای پیل با غشا خاک 1.86% و برای پیل با غشا سفال 0.83% و برای پیل با غشا تبادل کاتیون 0.53% بوده است. بازده حذف مواد آلی در هر 3 پیل مذکور، بیش از 84% به دست آمد. نتایج نشان می دهد به طور کلی عملکرد پیل با غشا خاک نسبت به 2 غشا دیگر مناسب تر بوده و می تواند جایگزینی مقرون به صرفه برای غشا تبادل کاتیون در پیل سوختی میکروبی باشد.

واژه های کلیدی: پیل سوختی میکروبی، غشا خاک، غشا تبادل کاتیون، سفال، دانسیته توان

فهرست مطالب

فصل  اول: مقدمه 

۱ – ۱ – مقدمه

با رشد جمعیت، تقاضای جهانی برای انرژی در حال افزایش است. منابع ناپایدار سوخت های فسیلی و مشکلات زیست محیطی ناشی از استفاده از آنها مانند آلودگی هوا و گرمایش کره زمین ، انگیزههایی مهم برای انجام تحقیقات روی فن آوری انرژی های تجدیدپذیر جایگزین هستند. از طرفی فرایندهای تصفیه ی پساب نیازمند مقدار زیادی توان برای واحدهای مختلف تصفیه بوده و بیشتر انرژی مفید موجود در پساب، بازیابی نشده باقی می ماند. انرژی بالای مورد نیاز برای سیستم های تصفیه ی متعارف، فنآوری تصفیه ی جایگزینی را میطلبد که برای عملکرد موثر خود به انرژی کمتری نیاز داشته و انرژی مفید را، برای پایدار بودن این عملکرد بازیابی کند. در دو دهه ی گذشته، فرایندهای بیهوازی نرخ بالا” مانند راکتورهای جریان بالای بیهوازی لجن لایهای (UASB) کاربرد رو به رشدی برای تصفیه ی پسابهای شهری و صنعتی داشتهاند. انرژی در طی تصفیه ی بی – هوازی پساب به شکلی گاز متان بازیابی می شود، اما استفاده از متان برای تولید الکتریسیته، هنگام تصفیه ی مقدار کمی از یک پساب با غلظت کم آلودگی، چندان مناسب نیست، و معمولاً سوزانده می شود ” . بنابراین سیستمهای جایگزین دیگر برای تصفیه ی پساب و تولید همزمان انرژی پاک، بسیار مناسب هستند. پیل سوختی میکروبی یک فن آوری نویدبخش برای تصفیه ی پساب مواد آلی و بازیابی انرژی زیستی، به شکل الکتریسیته مستقیم است که در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود معطوقف کرده است .. گر چه استفاده از پیل سوختی میکروبی برای تصفیه پساب مزایایی چون عملکرد پاک، ایمن و بی صدا، انتشار کم آلاینده ها، بازده بالا و بازیابی الکتریسیته به شکل مستقیم دارد، اما به دلیل تولید جریان کم و هزینه بالا، یک قنآوری چالش برانگیز است. هر چند اخیرا پیشرفتهایی در دانسیته توان پیل سوختی میکروبی به دست آمده است، اما هنوز موانع جدی از جمله نرخ بازیابی الکترون پایین، کارایی غیر پایدار سیستم و هزینه های بالا وجود دارند که کاربرد عملی این فن آوری را محدود می کننداستفاده از غشا تبادل یون، بخش بزرگی از هزینه ساخت پیل سوختی میکروبی را تشکیل می دهد. تلاش های عمده ای با رویکرد مهندسی و فنی، جهت بهبود کارایی پیلی سوختی میکروبی صورت گرفته که در میان آنها، بهینه سازی غشا، از اهمیت زیادی برخوردار بوده و توجه زیادی را در سال های اخیر به خود جلب کرده است. غشا، نقش مهمی در پیلهای سوختی میکروبی ایفا می کند. علی رغم پیشرفت و توسعه های سریع غشاها در سال های اخیر، همچنان موانعی مانند محدودیت انتقال پروتون و نشت و نفوذ اکسیژن باقی ماندهاند، که مقاومت درونی را افزایش و عملکرد پیل سوختی میکروبی را کاهش می دهند و در نتیجه سبب محدودیت کاربرد عملی پیل سوختی میکروبی می – شوند .اگر چه گزارش شده که پیل سوختی میکروبی تک محفظهای بدون غشاء دانسیته توان بالاتری تولید می کند اما غیاب غشا سبب افزایش نفوذ اکسیژن و سوبسترا و در نتیجه کاهش بازده کولومبیک و فعالیت بایوالکتروکاتالیستی میکروارگانیسمها در آند میشود ۷. بنابراین وجود غشا برای اطمینان از عملکرد پایا و موثر پیل سوختی میکروبی، ضروری است. اگر چه استفاده از غشا نیز سبب افزایش مقاومت درونی و هزینه کلی پیل سوختی میکروبی می شود . بنابراین علاقه زیادی برای توسعه غشاهای ارزان تر  و جدید، که بتواند نفوذ اکسیژن را بدون تاثیر زیاد بر مقاومت درونی، یا دانسیته توان، کاهش دهد، وجود دارد .

1-1-مقدمه  2

1-2-هدف از پژوهش  3

1-3-شرح فصول  4

افت پتانسیل در 3 ناحیه منحنی قطبیت

افت پتانسیل در 3 ناحیه منحنی قطبیت

فصل دوم: مروری بر منابع 

۲ – ۱ – مقدمه

در این فصل به تاریخچه و توضیح برخی عبارات رایج و مورد استفاده در زمینه پیل سوختی میکروبی و نیز نحوه عملکرد و کاربردها و در ادامه به معرفی اجزای پیل سوختی میکروبی اشاره شده است. در انتها، به انواع غشاهای مورد استفاده در پژوهشهای دیگر محققان و نتایج بدست آمده توسط ایشان، پرداخته شده است.

 ۲- ۲- تاریخچه پیل سوختی میکروبی

 فن آوری پیل سوختی میکروبی روشی جدید را برای تولید الکتریسیته زیستی از زیستتوده ، توسط باکتریها ارائه می دهد. مشاهده تولید جریان الکتریسیته توسط باکتری برای اولین بار توسط پاتر در سال ۱۹۱۱ گزارش شده است. اما تا حدود سال بعد پیشرفت عملی بسیار کمی در این زمینه صورت گرفت. تا اینکه در اوایل دههی ۱۹۹۰ پیل های سوختی میکروبی مورد توجه بیشتری قرار گرفت و تحقیقات بر روی آنها روندی رو به رشد پیدا کرد. هرچند آزمایش های انجام شده، نیازمند افزودن واسطههای شیمیایی”، یا انتقال دهندههای الکترون، بودند که میتوانست الکترون ها را از درون سلول به الکترودهای بیرونی حمل کند. پیشرفت در زمینه پیلهای سوختی میکروبی در سال ۱۹۹۹ رخ داد، هنگامی که محققان دریافتند نیازی به افزودن مواد واسطه نیست

۲ – ۳ – 4 – ۳ – اتلاف فعال سازی

به دلیل انرژی فعالی سازی مورد نیاز برای واکنشی کاهش اکسایشی، اتلاف فعال سازی طی انتقال الکترون ها از و یا به یک ترکیب واکنشگر در سطح الکترود اتفاق میافتد . فرایندهای مربوط به جذب سطحی گونههای واکنش دهنده، انتقال الکترون ها از میان غشا دولایه سلول، واجذب گونههای تولید شده، و ماهیت فیزیکی سطح الکترودها، همگی در افت پتانسیل فعالی سازی سهیم هستند .. این اتلاف اغلب در جریان های کیم، افزایش شدیدی نشان میدهند. کاهش اتلاف فعال سازی می تواند با افزایش مساحت سطح الکترودها، بهبود کاتالیست الکترودها، افزایش دمای عملیاتی، و استقرار یک زیست فیلم ” غنی روی الکترود(ها) به دست آید

2-3-4-4- اتلاف متابولیکی باکتریایی

برای تولید انرژی سوختوساز، باکتری، از طریق زنجیره انتقال الکترونی، الکترون را از یک سوبسترا در پتانسیل کم به الکترون گیرنده نهایی در پتانسیل بالا منتقل می کند. در پیل سوختی میکروبی، آند الکترونگیرنده نهایی است و پتانسیل آن، انرژی به دست آمده برای باکتری را مشخص می کند. تفاوت بیشتر بین پتانسیل اکسایشی / کاهش سوبسترا و آند، انرژی بیشتری برای باکتری فراهم می کند، اما حداکثر ولتاژ قابل حصول پیلی سوختی میکروبی را کاهش میدهد. بنابراین جهت بیشینه کردن ولتاژ، پتانسیل آند باید پایین نگه داشته شود. با این حال اگر پتانسیل آند خیلی کم شود انتقال الکترون محدود شده و ممکن است تخمیر سوبسترا، انرژی بیشتری برای باکتری فراهم کند

۲ – ۳-۷ – تصفیه پساب

پیلهای سوختی میکروبی در سال ۱۹۹۱ برای استفاده جهت تصفیه پساب در نظر گرفته شدند. مقدار توان تولیدی در این پیلها طی فرایند تصفیه پساب، به صورت بالقوه می تواند نیمی از الکتریسیته مورد نیاز در فرایند تصفیه متعارفی باشد که مقدار زیادی توان برای هوادهی لجن فعال استفاده می کند. پیل های سوختی میکروبی، میزان %۹۰-۰ مواد جامد کمتری برای دقع تولید می کنند. پیلهای سوختی میکروبی از میکروبهای خاصی استفاده می کنند که توانایی ویژهای برای حذف سولفیدها، که در تصفیه پساب مورد نیاز است، دارند. در تصفیه پساب به دلیل مسائلی که برای افزایش مقیاس وجود دارد، پیلهای سوختی میکروبی با جریان پیوسته و تک محفظهای و پیلی های سوختی میکروبی بدون غشا مطلوب هستند. پسابهای بهداشتی، صنایع غذایی و غیره، همگی سرشار از مواد آلی هستند و به همین دلیل منابع عظیم زیستتوده برای پیلهای سوختی میکروبی می باشند. در بعضی موارد بیش از %۸۰ حذف خواست اکسیژن شیمیایی  در پیل سوختی میکروبی صورت میگیرد

2-1-مقدمه  5

2-2-تاریخچه پیل سوختی میکروبی  6

2-3-نحوه عملکرد پیل سوختی میکروبی  6

2-3-2-نیروی محرکه کلی پیل  7

2-3-3-ولتاژ مدار باز  7

2-3-4-اتلاف پتانسیلی   8

2-3-4-2-اتلاف اوهمیک  9

2-3-4-3-اتلاف فعالسازی  10

2-3-4-4-اتلاف متابولیکی باکتریایی  10

2-3-4-5-اتلاف غلظت  10

2-3-5-منحنی قطبیت  11

2-3-6-دانسیته توان  12

2-3-6-1-منحنی توان  13

2-3-7-بازده کولمبیک  13

2-4-انتقال الکترون به الکترود  15

2-4-2-روش اتصال مستقیم  16

2-4-3-روش انتقال الکترون از طریق واسطه محلول 16

2-4-4-روش لنتقال الکترونی از طریق پیلی متصل به غشا  17

2-5-شرایط عملیاتی برای پیل سوختی میکروبی  18

2-6-ساختمان پیل سوختی میکروبی  19

2-6-1-پیل سوختی میکروبی دو محفظه ای  19

2-6-2-پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای  20

2-7-کاربردهای پیل سوختی میکروبی 21

2-7-1-تولید الکتریسیته  21

2-7-2-هیدروژن زیستی  21

2-7-3-تصفیه پساب  22

2-7-4-حسگر زیستی  22

2-8-اجزای پیل سوختی میکروبی  23

2-8-1-الکتررود کاتد  23

2-8-2-الکترود آتد 24

2-9-محدودیت تولید توان 25

2-10-تاثیر غشا بر عملکرد پیل سوختی میکروبی  26

2-11-انواع غشا در پیل سوختی میکروبی  28

2-11-1-غشاهای مبادله یون  29

2-11-1-1-غشاهای مبادله کاتیون  29

2-11-1-2-غشاهای مبادله آنیون  32

2-11-1-3-غشا دوقطبی  34

2-11-2-غشاهای اندازه-گزین  35

2-11-2-1-غشاهای فیلتراسیون ریز-منفذ  35

2-11-2-2-فیلترهای درشت منفذ  37

2-11-3-پل نمکی  40

2-11-4-مقایسه غشاها  41

2-12-نتیجه گیری  42

انواع اتلاف پتانسیلی در ولتاژ کلی پیل سوختی میکروبی

انواع اتلاف پتانسیلی در ولتاژ کلی پیل سوختی میکروبی

فصل سوم: روش تحقیق 

3-4-1-غشای خاک

نمونه خاک رس مورد استفاده، در آزمایشگاه خاک دانشکده عمران دانشگاه صنعتی شریف، توسط : مشب ۳۰، ۰، ۱۰۰، و ۲۰۰ غربالی شده و دانه بندی آن مشخص شد که نتیجه در فصل بعد آورده شده است. خاک، به منظور از بین بردن نسبی میکروارگانیسمهای فعال در آن، به مدت ۲ ساعت در آون” و در دمای ۱۵۰C قرار داده شد. سپس درون یک لوله از جنس پلکسی گلاس به طول ۷ سانتی متر و قطر درونی ” سانتی متر با خاک بصورت کاملاً فشرده پر شد، و هر دو طرف این لوله با پارچه نخی ساده بسته شد تا از خارج شدن خاک حین عملکرد پیل جلوگیری شود. این پل خاکی توسط چسب سیلیکون بین دو جداره محفطه اند و کاتد قرار گرفت

3-4-4- الکترودها

الکترود آند و کاتد از جنس توری استیل ضد زنگ ۳۱۹ با شماره مش ۱۰۰ انتخاب شد. هر الکترود یک ورق مستطیل شکل به ابعاد ” در ۱۲ سانتی متر بوده که قسمت سیمی این توری مستطیل شکل در هر دو طرف سطح به عنوان الکترود عمل می کرد. طبق استاندارد، مساحت سطح سیمی این توری، ٪۹ مساحت ظاهری آن است. در نتیجه مساحت سطح الکترودهای کاتد و آند، ۰/۰۰۳ متر مربع بود. الکترودها جهت سهولت قرار گیری درون محفظه آند در ارتفاع مناسب، به شکل رول پیچیده شد. برای انتقال الکترون بین هر الکترود و مدار خارجی ، از قسمتی از الکترود که به شکل نوار باریک، بریده شده، استفاده شد. فاصله الکترودهای آند و کاتد، در پیل با غشا خاک ۱۲ سانتی متر و در پیلهای با غشا سفال و غشا تبادل کاتیون 6 سانتی متر بود.

3-6-5- بررسی تاثیر غلظت مواد آلی خوراک

هدف از این آزمایش بررسی تاثیر خواست اکسیژن شیمیایی خوراک بر عملکرد پیلهای با غشا خاک و سفال بود (جهت سهولت در خواندن، در بعضی موارد در بخشها و فصول بعد، به جای عبارت طولانی خواست اکسیژن شیمیایی خوراک، از عبارت غلظت خوراک، که همان معنی را میدهد، استفاده شده است). برای این منظور، هر یک از پیلهای مذکور، ابتدا با غلظت اولیه مmg/L ۰۰ : خوراک دهی شد و مورد ارزیابی قرار گرفت و سپسر، در آزمایش بعدی با میزان غلظت خوراک معادل مIIlg/L ۷۰ راه اندازی شدند. در هر آزمایش برای هر پیلی، متحنی ولتاژ- زمان، متحتی قطبیت، منحنی دانسیته توان، منحنی کاهش میزان خواست اکسیژن شیمیایی و میزان بازده کولومبیک و مقدار مقاومت درونی، به دست آمد که نتایج آن در فصل بعد ارائه خواهد شد.

3-1-مقدمه  44

3-2-مواد مورد استفاده  44

3-2-1-لجن  44

3-2-2-پساب  44

3-3-وسایل مورد استفاده  45

3-3-1-همزن مغناطیسی  45

3-3-2-ترازو  45

3-3-3-دستگاه اسپکتروفوتومتر  45

3-3-4-دستگاه اندازه گیری اکسیژن محلول  45

3-3-5-ph متر  45

3-4-ساخت پیل های مورد استفاده  45

3-4-1-غشا خاک  46

3-4-2-غشا سفال  47

3-4-3-غشا تبادل کاتیون  47

3-4-4-الکترودها  48

3-4-5-هوادهی  49

3-4-6-لوله خروج گاز  49

3-4-7-مدار خارجی  49

3-5-شرایط آزمایش 49

3-5-1-pH  49

3-5-2-دما  49

3-6-روش انجام آزمایش 50

3-6-1-محلول آنولیت  50

3-6-2-محلول کاتولیت  50

3-6-3-نحوه خوراک دهی به پیل ها  50

3-6-4-سازگاری باکتری ها با شرایط آزمایش  50

3-6-5-بررسی تاثیر غلظت مواد آلی خوراک 51

3-6-5-1-آزمایش اول غلظت مواد اولیه  400mg/L  51

3-6-5-2-آزمایش دوم غلظت اولیه 750mg/L  52

3-6-6-دوره عملکرد هر پیل  52

3-7-جمع آوری داده ها  52

3-7-1-منحنی قطبیت  53

3-7-2-منحنی دانسیته توان  53

3-7-3-مقاومت درونی پیل سوختی میکروبی  53

3-7-4-اندازه گیری میزان خواست اکسیژن شیمیایی  54

3-7-5-بازده کولمبیک  54

3-7-6-اندازه گیری pH  54

3-7-7-مقدار اکسیژن محلول  54

پیل سوختی میکروبی بدون غشا با جریان پیوسته

پیل سوختی میکروبی بدون غشا با جریان پیوسته

فصل چهارم: نتایج و تحلیل آن ها 

4-1-مقدمه

در این فصل به نتایج آزمایشها و نیز تحلیل آنها پرداخته می شود. نتایج آزمایش روی پیلهای سوختی میکروبی در ۲ غلظت خوراک Img/L ۴۰۰ و بIIlg/L ۷۵۰ و نیز تحلیل اثر افزایش غلظت خوراک بر عملکرد سوختی میکروبی با غشا تبادل کاتیون، در غلظت خوراک mg/L ۴۰۰ ارائه شده است. در انتهای فصل عملکرد پیل از نظر تولید ولتاژ و توان حداکثر، بازده حذف مواد آلی و نیز بازده کولمبیک، با استفاده از ۳ غشا مذکور، مورد مقایسه و بررسی قرار گرفته است. سعی شده تا حد امکان، دادهها در قالب نمودار و جدول نمایش داده شود۔

4-3-2-3- حذف میزان خواست اکسیژن شیمیایی

در شکل  منحنی کاهش میزان خواست اکسیژن شیمیایی همزمان با افزایش ولتاژ نشان داده شده است. مشاهده می شود که تا رسیدن ولتاژ به مقدار حداکثر، حذف مواد آلی سریع تر و پس از آن به دلیل کمبود مواد آلی موجود برای باکتریها ۴۷، با شیب کندتر صورت گرفت. میزان حذف کلی مواد آلی ٪۷۷ بوده است. یعنی با وجود باقی ماندن مقداری سوبسترا، میکروارگانیسمها دیگر آن را تجزیه نکردهاند و بنابراین ولتاژ پیلی دچار افت شده است. همان طور که از شکل  مشخصی است، مدت دوره عملکرد پیلی در این شکل نسبت به شکل  فزایش یافته و پیلی مدت زمان بیشتری در مرحله تولید ولتاژ ثابت بوده، که ممکن است مانند توضیحات بخش ۴-۲-۱-۳، دلیل آن، قرار گرفتن مقاومتهای خارجی بالا، جهت به دست آوردن منحنی قطبیت بوده باشد.

4-1-مقدمه  56

4-2-غشا خاک  56

4-2-2-غلظت خوراک 400mg/L  57

4-2-2-1-تولید ولتاژ  57

4-2-2-2-منحنی قطبیت و دانسیته توان  57

4-2-2-3-حذف میزان خواست اکسیژن شیمیایی  58

4-2-3-غلظت خوراک 750mg/L  59

4-2-3-1-تولید ولتاژ  59

4-2-3-2-منحنی قطبیت و دانسیته توان 60

4-2-3-3-حذف میزان خواست اکسیژن شیمیایی 60

4-2-3-4-مقدار اکسیژن محلول 61

4-2-3-5-pH  61

4-2-4-اثر افزایش غلظت خوراک  61

4-3-غشا سفال  65

4-3-1-غلظت خوراک 400mg/L  65

4-3-1-1-تولید ولتاژ  65

4-3-1-2-منحنی قطبیت و دانسیته توان  65

4-3-1-3-حذف میزان خواست اکسیژن شیمیایی 66

4-3-2-غلظت خوراک 750mg/L  67

4-3-2-1-تولید ولتاژ  67

4-3-2-2-منحنی قطبیت و دانسیته توان  67

4-3-2-3-حذف میزان خواست اکسیژن شیمیایی 68

4-3-2-4-مقدار اکسیژن محلول  69

4-3-2-5-pH  69

4-3-3-اثر افزایش غلظت خوراک  69

4-4-غشا تبادل کاتیون  71

4-4-1-تولید ولتاژ  71

4-4-2-منحنی قطبیت و دانسیته توان  72

4-4-3-حذف میزان خواست اکسیژن شیمیایی 72

4-5-مقایسه عملکرد غشاها  73

پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای هوا-کاتد

پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای هوا-کاتد

فصل پنجم: جمع بندی و پیشنهاد ها 

۵ – ۱ – مقدمه

هر پژوهش انجام شده، کارایی ارزان قیمت خاکی s سفال، در پیل سوختی میکروبی دو محفظه ای بالوں واسطه، در شرایط یکسان عملیاتی، مورد آزمایش و بررسی قرار گرفت و نیز عملکرد آنها از نظر تولید توان، بازده کولمبیک، و نیز بازده حذف مواد آلی، با کارایی یک غشا تبادل کاتیون مقایسه و ارزیابی شد. از پساب لبنی به عنوان خوراک، و از کشت مختلط میکروبی بیهوازی، برای تلقیح در محفظه آند و از الکترودهای توری استیل ضد زنگ، برای آند و کاتد، استفاده شد. همه آزمایش ها در دمای اتاق و pH خنثی انجام شدند. ابتدا عملکرد هر یک از ۳ غشا مذکور، در غلظت خوراک سmg/L ۴۰۰ آزمایش و بررسی شد و سپس، به منظور اثر افزایش غلظت خوراک بر کارایی غشاهای خاک و سفالی، این ۲ غشا در غلظت خوراک mg/L ۷۵۰ نیز مورد آزمایش قرار گرفتند.

۵ – ۲ – نتیجه گیری

– بکارگیری غشا خاک در پیل سوختی میکروبی در غلظت خوراک مImg/L ۴۰۰، دانسیته توان ۲/۵ “mW/m، تولید کرد که با مقدار تولید شده توسط غشا تبادل کاتیون و در همین غلظت خوراک برابر است. اما دانسیته توان تولیدی برای پیل با غشا سفال، ۲mW/m، یعنی ٪۲۰ کمتر از پیل با غشا خاک و یا مبادله کاتیون، به دست آمد.

– همچنین بازده کولمبیک پیل با غشا خاک، در غلظت خوراک سmg/L ۴۰۰، بیش از ۲ برابر بازده کولمبیک پیل با استفاده از دو غشای دیگر است.

-در هر پیل با استفاده از هر یک از سه غشای یاد شده، در غلظت خوراک مmg/L ۴۰۰، بیش از ٪۸۰ حذف مواد آلی صورت گرفته است.

– افزایش غلظت خوراک در مورد پیلهای سوختی میکروبی با غشا سفال و خاک، سبب افزایش توان تولیدی شده که این افزایش در مورد غشا خاک بیشتر است.

-با افزایش غلظت خوراک، بازده کولمبیک و نیز بازده حذف مواد آلی، در دو پیلی با غشا سفالی و خاک، کاهش یافت. بررسیها نشان داد که عبوردهی اکسیژن و نیز پروتون، از غشا خاک بیش از غشا سفالی است.

۵ – ۲-۲ – نوآوری

به منظور استفاده از پیل سوختی میکروبی در سیستمهای تصفیه پساب، استفاده از غشایی ارزان قیمت، یا بازده مناسب تولید الکتریسیته، که بتواند در مقیاسی های دلخواه طراحی و بکار گرفته شود، ضروری است. در پژوهشی پیش رو، نشان داده شد که غشا خاک، که دارای ویژگیهای فوق می باشد، دانسیته توانی هر چند کم، اما برابر با مقدار تولیدی توسط پیلی با استفاده از غشا تبادلی کاتیون، تولید کرد. در واقع به ازای تولید توان یکسان، هزینه کمتری برای تامین غشا خاک صرف خواهد شد. علاوه براین، در دسترسی بودن و غیر سنتزی بودن خاک، آن را به غشایی مناسب برای استفاده در پیل سوختی میکروبی تبدیل می کند.

۵ – ۲ – ۳ – پیشنهادها

– بررسی تولید توان و بازده کولمبیک، در پیل سوختی میکروبی تک محفظهای، با استفاده از غشا خاک و سفال

– بهینه یابی ضخامت غشا خاک در پیل سوختی میکروبی

– استفاده از خاک در پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته

– بررسی تاثیر نفوذ اکسیژن از غشا خاک بر سازوکار انتقال الکترون از باکتری به آند

-استفاده از غشا خاک و سفال در مقیاس بزرگتر و تعیین کیفیت عملکرد انها

5-1-مقدمه  81

5-2-نتیجه گیری  81

5-2-1-جمع بندی  81

5-2-2-نوآوری ها  82

5-2-3-پیشنهادها  82

مراجع  83

تسهیل عبور پروتون با غشا تبادل آنیون

تسهیل عبور پروتون با غشا تبادل آنیون

فهرست شکل ها

شکل(2-1) شمایی از پیل سوختی میکروبی دو محفظه ای  7

شکل(2-2) انواع اتلاف پتانسیلی در ولتاژ کلی پیل سوختی میکروبی  8

شکل(2-3) افت پتانسیل در 3 ناحیه منحنی  11

شکل(2-4) شمایی از منحنی توان  13

شکل(2-5) 3 روش انتقال الکترون به خارج سلول توسط باکتری  16

شکل(2-6) پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای هوا-کاتد  20

شکل(2-7) پیل سوختی میکروبی بدون غشا با جریان پیوسته  27

شکل(2-8) غشا تبادل کاتیون  29

شکل(2-9) تسهیل عبور پروتن با غشا تبادل آنیون  33

شکل(2-10) غشا دو قطبی  34

شکل(2-11) استفاده از سفال به عنوان غشا  36

شکل(2-12) غشا الیاف شیشه در پیل سوختی میکروبی هوا-کاتد  38

شکل(2-13) استفاده از پشم شیشه و دانه های شیشه ای به عنوان غشا  39

شکل(3-1) تصویر پیل با غشا خاک  46

شکل(3-2) تصویر پیل با غشا سفال  47

شکل(3-3) تصویر پیل ب غشا تبادل کاتیون  48

شکل(4-1) منحنی ولتاژ-زمان برای پیل با غشا خاک و غلظت اولیه 400mg/Lا  57

شکل(4-2)منحنی قطبیت و دانسیته توان پیل با غشا خاک و غلظت اولیه 400mg/Lا   58

شکل(4-3) منحنی کاهش COD پیل با غشا خاک و غلظت اولیه 400mg/L 58

شکل(4-4) منحنی ولتاژ-زمان برای پیل با غشا خاک و غلظت اولیه 750mg/Lا  59

شکل(4-5) منحنی قطبیت و دانسیته توان پیل با غشا خاک و غلظت اولیه 750mg/Lا  60

شکل(4-6) منحنی کاهش COD پیل با غشا خاک و غلظت اولیه 750mg/Lا  61

شکل(4-7) اثر افزایش غلظت خوراک بر ولتاژ تولیدی و حذف COD در پیل با غشا خاک  62

شکل(4-8) افزایش دانسیته توان با افزایش غلظت خوراک، در پیل با غشا خاک  64

شکل(4-9) منحنی ولتاژ-زمان برای پیل با غشا سفال و غلظت اولیه 400mg/Lا  65

شکل(4-10) منحنی قطبیت و دانسیته توان پیل با غشا سفال و غلظت اولیه 400mg/Lا  66

شکل(4-11) منحنی کاهش COD پیل با غشا سفال و غلظت اولیه 400mg/Lا  66

شکل(4-12) منحنی ولتاژ زمان برای پیل با غشا سفال و غلظت اولیه 750mg/Lا  67

شکل(4-13) منحنی قطبیت و دانسیته توان پیل با غشا سفال و غلظت اولیه 750mg/Lا  67

شکل(4-14) منحنی کاهخش COD پیل با غشا سفال و غلظت اولیه 750mg/Lا  68

شکل(4-15) اثر افزایش غلظت خوراک بر ولتاژ تولیدی و حذف COD در پیل با غشا سفال  70

شکل(4-16) اثر افزایش غلظت بر ولتاژ تولیدی و کاهش COD در پیل با غشا سفال  70

روش انتقال الکترون به خارج سلول توسط باکتری

روش انتقال الکترون به خارج سلول توسط باکتری

فهرست جداول

جدول (2-1) مزایا و معایب انواع غشا در پیل سوختی میکروبی  41

جدول (3-1) مشخصات پساب کارخانه شیر پگاه تهران  44

جدول (4-1) دانه بندی خاک مورد استفاده به عنوان غشا  56

جدول (4-2) کارایی پیل سوختی میکروبی با 3 غشا خاک، سفال و تبادل کاتیون  74


Abstract

Microbial fuel cell (MFC) has attracted a great attention in the recent years due to its advantage of simultaneous energy generation and pollution removal. However, utilization of MFC technologies a challenging issue because of the low energy output and high expenses. Generally, using ion exchange membrane in MFC contributes to a large proportion of the construction costs. Without using a membrane, oxygen intrudes to the anode chamber which will inhibit the anode reaction and decreases the coulombic efficiency. As a solution, using less expensive membranes can facilitate the commercialization of MFC technology. In this study, soil cylinder and earthen plate were examined as low cost membranes in dualchamber microbial fuel cell for the production of electricity and treatment of dairy wastewater and their performance was compared to a cation exchange membrane. The maximum power density at the COD of 5 ‘ ‘ mg/L in the MFC with soil as membrane was . mW/m, which was equal to that of the cation exchange membrane and 9% more than that when earthen plate was used. The coulombic efficiency for soil, earthen plate and cation exchange membrane was .A., …A. and ‘..e., respectively. The COD removal efficiency for all MFCs was more than \; 7. The results of the experiments suggested that the performance of soil MFC was more appropriate compared to the other two membranes tested. Therefore, soil can be used as a low cost alternative for cation exchange membrane in microbial fuel cells.

Key words: microbial fuel cell, soil membrane, cation exchange membrane, earthen plate, power density


تعداد صفحات فایل : 90

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و سفارش فایل word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید