انتخاب صفحه

فهرست مطالب

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

 فصل اول: مقدمه

افزایش مصرف جهانی انرژی و مسأله گرم شدن کره زمین، بکارگیری انرژی‌های نو و تجدید‌پذیر را اجتناب ناپذیر ساخته است. پیل‌های سوختی میکروبی[1] به دلایلی مانند مواد اولیه ارزان و راندمان نسبتاً بالا از جذابیت‌های ویژه‌ای برخوردار هستند. در این فصل ابتدا در مورد چالش‌های انرژی و انرژی‌های تجدید پذیر مواردی بیان می‌شود و سپس فناوری پیل سوختی میکروبی به عنوان راهکاری برای مقابله با این چالش‌ها پیشنهاد می‌شود. در پایان نیز کاربردهای مهم پیل‌های سوختی میکروبی ارائه می‌گردد.

1-1       افزایش جمعیت و نیاز به انرژی

در حال حاضر، جمعیت کره زمین بیش از 6 میلیارد نفر است که تخمین زده می‌شود در سال 2050 میلادی این جمعیت به بیش از 4/9 میلیارد نفر برسد [1]. در سال‌های گذشته، سوخت‌های فسیلی موجب پیشرفت صنعت کشورهای پیشرفته و رشد اقتصادی آن‌ها گردید. پیش بینی می‌شود در سال‌های 2015 تا 2025، تقاضای تولید بیشتر، موجب خالی شدن بسیاری از مخازن و ذخیره‌های نفتی خواهد شد [2]. براساس پیش بینی‌های صورت گرفته و با درنظرگرفتن رشد جمعیت و رشد اقتصادی، نیاز به انرژی در سال 2050 را 41 تراوات[2] برآورد کرده‌اند. این پیش بینی بر اساس مصرف انرژی فعلی است. با ملاحظه این روند، طبق یک پیش بینی منطقی، انرژی مورد انتظار برای سال 2050، 27 تراوات و برای سال 2100، 43 تراوات می‌باشد [1].

1-2      سوخت‌های فسیلی و چالش‌های کنونی

کاربرد سوخت‌های فسیلی به خصوص نفت و گاز در سال‌های اخیر شتاب زیادی به خود گرفته است. سوخت‌های فسیلی باعث رشد صنعتی و اقتصادی کشورها گردیده است، اما واضح است که نمی‌تواند به طور نامحدودی اقتصاد جهانی را حمایت نماید. مصرف چنین سوخت‌هایی از آنجایی که منجر به احتراق مستقیم آن‌ها می‌شود، مشکلات متعددی را برای بشریت به همراه آورده است، لازم به ذکر است بیش از 20% انرژی مورد نیاز به صورت الکتریسیته در نیروگاه‌ها تولید می‌شود. با توجه به اینکه بازده نیروگاه‌ها حدود 33% می‌باشد، بنابراین انرژی به کار رفته برای تولید چنین جریان الکتریسیته‌ای سه برابر میزان تولیدی است. مهم‌ترین مشکلی که آینده انسان‌ها را با خطر مواجه خواهد کرد، مشکل گرم شدن کره زمین می‌باشد که ناشی از پیدا شدن گازهای گلخانه‌ای است و این گازها خود از احتراق مستقیم سوخت‌های فسیلی حاصل می‌شوند. بعلاوه احتراق سوخت‌های فسیلی منجر به آلودگی‌های زیست محیطی نظیر آلودگی هوا، بارش باران‌های اسیدی و تاثیرات منفی آن بر کشتزارها، جنگل‌ها، مراتع و آب‌های سطحی و ابنیه تاریخی و غیره می‌شود. مشکل دیگر که به واسطه استفاده روز افزون این سوخت‌ها جامعه جهانی را تهدید می‌کند بحران انرژی است که تبعات ناشی از این بحران بسیار ناگوارتر خواهد بود و دیگر مسائل زیست محیطی مطرح نیست بلکه مشکلات سیاسی، اجتماعی و اقتصادی را منجر خواهد شد. هنگامی‌که امریکا با اولین بحران نفت خود در دهه هفتاد قرن بیستم مواجه شد، به دنبال یافتن راه حل‌هایی برای غلبه بر این مشکل بر آمد. از جمله این راه حل‌ها کشف ذخایر جدید نفت، افزایش بازده استخراج نفت از منابع موجود یا به کار بردن سایر سوخت‌های فسیلی مانند ماسه‌های قیری[3] می‌باشد.راه حل دیگر استفاده از انرژی هسته‌ای است، اما آن هم محدودیت‌های خاص خود را دارا می‌باشد. محدود بودن ذخایر اورانیوم جهانی، مشکلات مربوط به مسائل زیست محیطی و سلامت انسان ناشی از استخراج اورانیوم از معادن و فقدان ایمنی کافی و یافتن راه حل طولانی مدت برای ذخیره پسماندهای هسته‌ای از جمله این محدودیت‌ها است.انرژی خورشیدی یک راه حل طولانی مدت است، اما همه آن بستگی به نحوه استفاده از این انرژی دارد. خورشید همه روزه نمی‌تابد و همه تابش آن در همه جا یکسان نمی‌باشد. بنابراین پانل‌های خورشیدی می‌توانند به نیازمندی‌های الکتریسیته در روز کمک کنند. اما به عنوان بک منبع تأمین انرژی در طول شبانه روز بدون روش‌های کارامد ذخیره سازی انرژی، نمی‌توانند مفید باشند.در مجموع همه این عوامل باعث شده تا دانشمندان به دنبال جایگزین‌های مناسبی برای تأمین انرژی باشند، لذا انرژی‌های تجدید پذیر به عنوان یکی از روش‌های کاهش این بحران مورد توجه قرار گرفته‌اند. تلاش‌های زیادی برای ایجاد روش‌های دیگر تولید انرژی الکتریکی انجام گرفته است. روش‌های جدید تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدید پذیر بدون انتشار خالص دی اکسید کربن بسیار مورد توجه می‌باشند [3].

1-3     انرژی‌های تجدید پذیر

انرژی‌های تجدید پذیر اساساً با طبیعت سازگار بوده، آلودگی ندارند و چون تجدیدپذیرند پایانی برای آن ها وجود ندارد. از ویژگی‌های دیگر این منابع می‌توان به پراکندگی و گستردگی آن‌ها در تمام جهان، فناوری آسان و قیمت پایین اشاره کرد. انرژی‌های تجدید پذیر به شرح زیر دسته بندی می‌شوند [4].

  • انرژی خورشیدی
  • انرژی باد
  • انرژی گرمایی (ژئوترمال)
  • انرژی زیست توده
  • انرژی‌های دریایی
  • هیدروژن

1-4     تولید الکتریسیته بیولوژیکی با استفاده از فناوری‌های پیل سوختی میکروبی

پیل سوختی میکروبی فناوری نوینی است که جدیدترین روش‌های دستیابی به الکتریسیته و تولید بیو الکتریسیته را از زیست توده[4] با بکار بردن باکتری‌ها بیان می‌کند، به عبارتی دیگر پیل سوختی میکروبی نوعی فناوری است برای تبدیل انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی موجود در ترکیبات آلی به انرژی الکتریکی از طریق واکنش‌های کاتالیزشده توسط میکروارگانیسم ها که در سال‌های اخیر در تحقیقات آکادمیک بسیار مورد توجه قرار گرفته است [5]. همان طور که می‌دانید مواد آلی سرشار از انرژی است و در یک پیل سوختی میکروبی، میکروارگانیسم‌ها[5] مواد آلی را تجزیه (اکسید) می‌کنند و در جریان این عمل الکترون آزاد می‌شود. الکترون آزاد شده از خلال مجموعه‌ای از آنزیم‌های تنفسی داخل سلول مهاجرت کرده و برای سلول انرژی در فرم ATP[6] (ترکیبی است حاوی سه مولکول اسید فسفریک و یک پیوند کم نیرو و دو پیوند پر نیرو) ایجاد می‌کند، سپس این الکترون‌های آزاد در ترمینال جذب الکترون[7] که با جذب الکترون‌ها کاهش می‌یابد، جمع آوری می‌شوند [6, 7]. بسیاری از ترمینال‌های جذب الکترون مانند اکسیژن، نیترات، سولفات و سایرین می‌توانند به داخل سلول نفوذ کرده و الکترون را جذب نموده و با تولید محصولاتی مجدداً از سلول خارج شوند. بطور مثال اکسیژن می‌تواند در حضور پروتون و الکترون طی یک واکنش کاتالیستی به آب کاهیده شود.

 پیشگفتار………………………………………………………………………………………… خ‌

1- 1  افزایش جمعیت و نیاز به انرژی…………………………………………………………. 1

1- 2  سوخت های فسیلی و چالش های کنونی………………………………………….. 2

1-3   انرژی های تجدید پذیر………………………………………………………………….. 3

1- 4  تولید الکتریسیته بیولوژیکی با استفاده از فناوری های پیل سوختی میکروبی…. 3

1-5   تاریخچه پیل های سوختی میکروبی………………………………………………… 4

1-6   کاربرد های پیل سوختی…………………………………………………………….. 7

1-6-1   تولید انرژی تجدید پذیر با استفاده از پیل سوختی میکروبی………………….. 7

1-6-2   استفاده از پیل سوختی میکروبی جهت تصفیه فاضلاب………………………. 8

1-6-3   فرایند پیل سوختی میکروبی برای تولید هیدروژن……………………………… 9

1-6-4   بیوسنسور………………………………………………………………………….. 9

1-7   انتقال الکترون به الکترود ها………………………………………………………… 9

1-7-1   مکانیزم انتقال الکترون……………………………………………………………. 9

1-8   انواع پیل های سوختی میکروبی……………………………………………….. 12

1-9   پیل های سوختی میکروبی…………………………………………………….. 13

1-9-1   مواد تشکیل دهنده الکترود آند. ………………………………………………14

1-9-1-1   کربن ورقه ای، پارچه ای، فوم ها…………………………………………. 15

1-9-1-2   میله ها، نمد ها، فوم ها، صفحات و تخته های گرافیت.ی…………… 15

1-9-1-3   دانه های گرافیتی………………………………………………………… 17

1-9-1-4 رشته ها و برس های گرافیتی………………………………………….. 17

1-9-2   مواد تشکیل دهنده الکترود کاتد………………………………………….. 19

1-9-2-1   کاتد های کربنی با کاتالیست های پلاتینی………………………….. 19

1-9-2-2   بایندر…………………………………………………………………….. 20

1-9-2-3   لایه های نفوذ…………………………………………………………. 20

1-9-2-4   پلاتین و فلزاتی با پوشش های پلاتینی………………………….. 21

1-9-3   غشاء ها و جدا کننده ها ………………………………………………21

1-10   محاسبه ولتاژ…………………………………………………………….. 22

1-11   بیشینه ولتاژ براساس روابط ترمودینامیکی…………………………… 23

1-11   محاسبه توان…………………………………………………………….. 24

1-12-1   نرمالیزه کردن توان خروجی پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ 24

1-12-1-1   توان خروجی نرمالایز شده به مساحت سطح آند…………….. 24

1-12-1-1   توان خروجی نرمالایز شده به مساحت سطح کاتد…………… 25

1-12-1-2   توان خروجی نرمالایز شده با حجم خالی بستر پیل………… 25

1-13   منحنی های پلاریزاسیون و چگالی توان……………………………. 26

1-14   عوامل تاثیر گذار بر روی ولتاژ پیل سوختی میکروبی…………….. 28

1-15   نکاتی مهم و کوتاه در مورد باکتریها و شرایط متابولیسم آنها…….. 30

اجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبیاجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبیاجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبیاجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبیاجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبی

اجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبی

   فصل دوم : مروری بر پژوهش های پیشین

روند شتابان توسعه صنعت پیل‌سوختی در جهان نشان دهنده تمایل و علاقه روز افزون صنایع و مراکز تجاری و مسکونی به استفاده از این فناوری است. بنابراین فراهم شدن بسترها، علاقه و اشتیاق به استفاده از این فناوری را بیشتر کرده و به همان میزان تحولات و پیامدهای اقتصادی آن را در سطح جهانی بیش از پیش افزون می‌نماید. یکی از مهم‌ترین بسترها، که نقش اساسی در توسعه فناوری پیل‌سوختی و تمایل کاربران به استفاده از آن را خواهد داشت فراهم آوردن ساختاری است که علاوه بر توان و بازدهی بالا، از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشد. در این میان پیل سوختی میکروبی یکی از جدیدترین گونه پیل‌های سوختی است که تلاش‌های به نسبت کمتری در جهت تجاری سازی آن و ایجاد ساختاری کاربردی با استفاده از مواد کنترل پذیر و اقتصادی صورت پذیرفته است. هرچند، این امر هم اکنون در حال تغییر است و بسیاری از روش‌های نوین در طراحی پیل سوختی میکروبی به نتایجی نوید بخش نائل شده است. در این فصل ابتدا مروری بر ساختارهای گوناگون پیل‌های سوختی میکروبی تک محفظه ای خواهیم داشت. سپس الکترودهای گوناگونی که در پیل‌های سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گرفته‌اند مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در نهایت مروری بر پژوهش‌های انجام شده بر روی تصفیه و تولید الکتریسیته از پساب‌های گوناگون خواهیم داشت.

1-1       پیکربندی

همانگونه که قبلاً ذکر شد مواد مختلف و متنوعی در ساخت پیل‌های میکروبی به کار می‌روند، اما این نحوه بسته بندی، چیدمان و به کار رفتن در سیستم طراحی نهایی- آنچه اینجا تحت عنوان پیکربندی راکتور مطرح شده- مشخص می‌کنند توان خروجی، بازده کولمبیک و پایداری سیستم چگونه خواهد بود. همانطور که می‌دانیم یک پیل از سه قسمت کلی ساخته شده است. محفظه آند، محفظه کاتد و غشاء که وظیفه جداسازی دو محفظه و انتقال بعضی از مواد را بر عهده دارد. بسیاری از محققان سیستم تک محفظه‌ای‌ هوا – کاتد را برای به کار بردن انتخاب کردند، چرا که این سیستم با حذف نیاز به محفظه کاتد و تماس مستقیم هوا با الکترود و در نتیجه از بین بردن مقاومت‌های درونی مربوطه، قابلیت تبدیل به مقیاس بزرگ‌تر را دارا می‌باشد [57].

1-2      سیستم‌های پیل سوختی تک محفظه‌ای‌

پیل‌های سوختی دو محفظه‌ای علیرغم اینکه می‌توانند هم در حالت ناپیوسته و هم در حالت پیوسته کار کنند، به خاطر طراحی پیچیده برای افزایش اندازه دچار مشکل می‌باشند. پیل‌های سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ طراحی ساده‌تر ‌و هزینه کمتری ایجاد می‌کنند. آن‌ها فقط یک محفظه آند بدون نیاز به هوادهی در کاتد دارند. پارک[1] و زیکوس[2] یک پیل تک محفظه‌ای‌ طراحی کردند که شامل یک آند در محفظه مستطیلی آندی است و با یک کاتد متخلخل در تماس مستقیم با هوا قرار دارد. پروتون‌ها از محلول آنولیت به کاتد هوایی منتقل می‌شوند (شکل 2-1) [58].

   پیشگفتار………………………………………………………………………. 33

2-1   پیکربندی………………………………………………………………….. 34

2-2   سیستم های پیل سوختی تک محفظه‌ای‌ ……………………………34

2-3   مروری بر الکترود های به کار گرفته شده در پیل سوختی میکروبی.. 38

2-4   مروری بر پژوهش های صورت گرفته در زمینه پساب های استفاده شده…………………………………… 40

2-4-1   استات………………………………………………………………….. 41

2-4-2   گلوکز. ……………………………………………………………………42

2-4-3   توده زیستی لیگنوسلولزی…………………………………………… 42

2-4-4   پساب کارخانجات آبجو سازی……………………………………….. 43

2-4-5   پساب خروجی از کارخانجات تولید نشاسته………………………. 43

2-4-6   شیرابه زباله……………………………………………………………. 43

2-4-7  پساب ساختگی………………………………………………………… 44

تعداد مقالات مورد استناد قرارگرفته در پایگاه Scopus

تعداد مقالات مورد استناد قرارگرفته در پایگاه Scopus

فصل سوم : سامانه مورد آزمایش، مواد، روش‌ها و نحوه محاسبات

تحقیقات گسترده‌ای بر روی پیل سوختی میکروبی و عوامل فراوان مؤثر بر عملکرد آن از جمله فاصله الکترودی به عنوان فاکتورهای کلیدی و کنترل کننده توان و بازده پیل سوختی میکروبی صورت گرفته است اما همان گونه که ذکر گردید با توجه به تفاوت در شرایط عملیاتی در مطالعات صورت گرفته، امکان مقایسه نتایج ثبت شده وجود ندارد. در این مطالعه بر آن شدیم تا با استفاده از این منابع و با در نظر گرفتن شرایط عملیاتی ثابت تا حد ممکن این امکان را فراهم آوریم. چرا که با توجه به نیاز به کاربردی کردن فناوری پیل سوختی میکروبی به دلیل کاربردهای حساس و وسیع آن، اقتصادی و صنعتی سازی این فناوری بسیار مهم و ضروری می‌باشد. این پژوهش تولید بیو الکتریسیته را در سامانه‌ای نوین از پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ هوا -کاتد بیان می‌کند. این سامانه با به کار گرفتن توری استیل ضد زنگ به عنوان آند در هندسه حلزونی سطحی گسترده، متخلخل، مستحکم، رسانا و ارزان قیمت را برای رشد و اتصال مناسب زیست لایه مورد هدف قرار داده است و با افزایش مساحت سطح الکترود آند تأثیر چشم گیری در افزایش توان خروجی داشته است. به منظور ارزیابی عملکرد این ساختار از پساب صنایع شکلات سازی برای نخستین بار به عنوان سوبسترا و منبع کربن در این سامانه استفاده شد و پارامترهای عملیاتی تأثیر گذار بر عملکرد آن مورد ارزیابی قرار گرفت.

الکترون و کاهش توان خروجی پیل سوختی میکروبی می‌گردد. از آنجاییکه عمده‌ترین استفاده کربن پارچه‌ای در پیل‌های سوختی میکروبی می‌باشد، بیشتر کربن‌های پارچه‌ای تجاری موجود در بازار با محلول پلی‌تترا فلوئور‌اتیلن به عنوان لایه نفوذی آب گریز[1] پوشش دهی شده‌اند. در مطالعات اخیر، پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان[2] به عنوان جایگزین مناسب پلی‌تترا‌فلوئور‌اتیلن معرفی شده که نتیجه مشابهی به دست می‌دهد با این تفاوت که مقرون به صرفه‌تر ‌است.

 در ساختار معرفی شده توسط چنگ و همکاران، به منظور افزایش سرعت واکنش کاهش سطحی از کربن پارچه‌ای که در تماس با محفظه بی هوازی قرار دارد با کاتالیست پوشش داده می‌شود. مناسب‌ترین کاتالیست مورد استفاده در پیل‌های سوختی میکروبی تاکنون پلاتین بوده است، که بر پایه کربن می‌باشد ولی به علت قیمت بالای این ترکیب استفاده از آن مقرون به صرفه نمی‌باشد. لوگان و چنگ در تحقیقات خود نشان دادند که کو‌تترا‌متیل فنیل پروفیرین[3]، با اندکی اختلاف در توان خروجی می‌تواند جایگرین مناسبی برای پلاتین محسوب شود. بعلاوه اگر میزان بارگذاری پلاتین کمتر از 1/0 میلی‌گرم به ازای هر سانتی‌متر مربع از الکترود کربن پارچه‌ای باشد تأثیری در افزایش توان خروجی نخواهد داشت. لازم به ذکر است، آن‌ها نسبت بهینه کاتالیست پلاتین را 5/0 میلی‌گرم به ازای هر سانتی‌متر از کربن پارچه معرفی کردند ]48،70[.

زمانی که از پلاتین به عنوان کاتالیست برروی الکترود کربن استفاده می‌شود، غالباً پلاتین به کمک یک پلیمر به سطح الکترود متصل می‌شود. پلی‌فلوئور‌سولفونیک‌اسید[4] (نفیون) و پلی‌تترا‌فلوئور‌اتیلن رایج‌ترین موادی هستند که به عنوان اتصال دهنده در پیل‌های سوختی استفاده می‌شوند. نفیون یک پلیمر رسانای پروتون است که با داشتن یک پایه آب گریز، شاخه‌های یونی آب دوست[5] و یک منطقه انتقالی، انتقال مؤثر پروتون را به کاتالیست فراهم می‌آورد. نفیون هم به عنوان غشاء تبادل پروتون و هم اتصال دهنده در پیل‌های میکروبی کاربرد دارد ولی از معایب آن قیمت بالا و پایداری حرارتی کم را می‌توان نام برد، لذا تحقیقات جهت یافتن جایگرین مناسب برای آن ادامه دارد. پلی‌تترا‌فلوئور‌اتیلن نیز یک ماده بسیار آب گریز است که در جلوگیری از اتلاف آب در کاتد بسیار مؤثر می‌باشد اما بر خلاف نفیون به عنوان یک الکترولیت محسوب نمی‌شود. بعلاوه آب گریزی بیش از حد پلی‌تترا فلوئور‌اتیلن موجب می‌شود که اطراف پلاتین خشک بماند و انتقال مؤثر پروتون را به کاتالیست محدود می‌کند.

3-پیشگفتار………………………………………………………………………. 46

3-1   طراحی، ساخت و راه اندازی پیل سوختی بیولوژیکی………………. 47

3-1-1   بدنه پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌…………………………. 47

3-1-2   الکترود کاتد……………………………………………………………. 51

3-1-3   الکترود آند. ………………………………………………………………55

3-2   دستگاه های مورد استفاده…………………………………………….. 57

3-2-1   سیستم ثبت ولتاژ در طول زمان……………………………………… 57

3-2-2   دستگاه اسپکتروفتومتر……………………………………………….. 57

3-2-3   دستگاه اندازه گیری pH..ا…………………………………………… 58

3-2-4   دستگاه آون…………………………………………………………… 58

3-2-5   دستگاه سانتریفیوژ. ………………………………………………….58

3-2-6   دستگاه انکوباتور………………………………………………………. 59

3-2-7   ترازو…………………………………………………………………….. 59

3-2-8   میکروسکوپ الکترونی پویشی……………………………………… 59

3-2-9   دستگاه اولتراسونیک…………………………………………………. 61

3-2-10   دستگاه کدورت سنج………………………………………………… 61

3-3   آزمایشات انجام شده…………………………………………………….. 61

3-3-1   آزمایش COD..ا………………………………………………………… 62

3-3-1-1   محلول اسید سولفوریک……………………………………………. 62

3-3-1-2   محلول هاضم……………………………………………………….. 62

3-3-1-3   منحنی استاندارد برای سنجش COD..ا…………………………. 63

3-3-2   اندازه گیری غلظت گلوکزو……………………………………………. 64

3-3-3   اندازه گیری کل مواد جامد (TS) ……………………………………….65

3-3-4   اندازه گیری کل جامدات معلق (TSS)………………………………….. 65

3-3-5   اندازه گیری کدورت………………………………………………………. 66

3-3-6   اندازه گیری دما ……………………………………………………………66

3-3-7   اندازه گیری pH.ا………………………………………………………….. 66

3-3-8   غنی سازی میکروبی پیل سوختی و سازگاری میکرو ارگانیسیم ها با پساب…………………. 67

3-4   نحوه انجام محاسبات……………………………………………………….. 71

3-4-1   اندازه گیری جریان و توان…………………………………………………. 71

3-4-2   نمودار پلاریزاسیون، چگالی توان و اندازه گیری مقاومت درونی……… 71

3-4-3   محاسبه بازدهی عملیاتی پیل سوختی میکروبی…………………….. 72

غشاء CEM

غشاء CEM

فصل چهارم: بحث و نتایج

در این فصل به بررسی نتایج به دست آمده و تحلیل آن‌ها پرداخته می‌شود. هدف کلی از این مطالعه بررسی آزمایشگاهی پارامترهای مؤثر بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ به منظور تولید بیوالکتریسیته و تصفیه پساب صنایع شکلات سازی می‌باشد. همان طور که در فصل قبل گفته شد اولین قدم راه اندازی پیل سوختی میکروبی و گرفتن جریان الکتریسیته، سپس بررسی پارامترهای عملیاتی مانند فاصله الکترودی، دما، pH و تأثیر آن بر عملکرد پیل سوختی می‌باشد. از آنجاییکه از کشت مخلوط به جای کشت خالص استفاده شد، لذا قبل از راه اندازی سل ضرورتی به استریل کردن شرایط محیطی و پیل احساس نمی‌شد. کنترل دمایی سیستم به دلیل قرار گرفتن در فصول مختلف سال و طولانی بودن بازه آزمایشات از اهمیت زیادی برخوردار بود. در طول این پژوهش دو سل سوختی با شکل و پیکربندی کاملاً یکسان و تنها اختلاف در فاصله الکترودی طراحی و ساخته شد. سل سوختی اول با طرح ارائه شده توسط آقای مردان پور و به منظور برآورده سازی اهداف پژوهش مورد آزمایش قرار گرفت و نتایج حاصله مورد تحلیل واقع شد. در راستای بهینه سازی فاصله الکترودی، سل سوختی دوم ساخته شد و در سه فاصله الکترودی مختلف راه اندازی گردید و عملکرد آن در این سه فاصله مورد بررسی قرار گرفت و با نتایج حاصله از سل سوختی اول مقایسه شد. با انتخاب فاصله بهینه الکترودی آزمایشات مربوط برای به دست آوردن بیشینه جریان و چگالی توان مجددآً تکرار شد. لازم به ذکر است اندازه محفظه آندی، ابعاد و نوع الکترودها، نوع و نرخ بارگذاری پساب ورودی و کشت مخلوط در سیستم برای هر دو پیل کاملاً ثابت و یکسان در نظر گرفته شد. در مراحل بعدی آزمایشات پارامترهای عملیاتی مانند دما و pH و تأثیر آن‌ها بر رفتار سامانه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

1-1       اندازه گیری ولتاژ مدار باز

تشکیل یک ساختار مناسب از زیست لایه بر روی سطح الکترود، به منظور دستیابی به بیشینه توان و جریان پایدار بسیار حائز اهمیت است. مطالعات آزمایشگاهی نشان داده است که در مقاومت‌های خارجی بالاتر در مقایسه با مقاومت‌های پایین تر، زیست لایه تمایل به تشکیل ساختاری یک نواخت، فشرده و با فعالیت کمتر دارد. نخستین آزمون سیستم پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل در حالت مدار باز، برای پیدا کردن فاصله بهینه بین آند و کاتد انجام گرفت و غنی سازی میکروبی همزمان با اندازه گیری ولتاژ مدار باز انجام شد. یکی از عواملی که سبب کاهش اتلاف‌های اهمیک و افزایش توان می‌گردد، کاهش فاصله بین الکترودهاست. ازطرفی فاصله بسیار نزدیک الکترودها، با وجود کاهش مقاومت اهمی، منجر کاهش توان تولیدی خواهد شد [53]. در آزمایش ابتدایی که به تفصیل شرح داده خواهد شد، فاصله اولیه بین دیواره داخلی کاتد و نقطه شروع الکترود آند را 3/1 سانتی‌متر انتخاب نمودیم.به این منظور 3 میلی‌لیتر از لجن فعال، 45 میلی‌لیتر از پساب شکلات سازی را به همراه 42 میلی‌لیتر از محلول تغذیه که ترکیبی از نمک‌ها و مواد معدنی و ویتامینه محلول است و میکروارگانیسم‌ها برای فعالیت‌های متابولیکی و ساخت پروتوپلاسم خود به آن‌ها نیاز دارند، مطابق با آنچه که در فصل سوم تشریح شد، وارد پیل سوختی میکروبی نمودیم. همان طور که بیان شد پساب شکلات سازی با غلظت اکسیژن خواهی بالا محتوای ترکیبات سخت تجزیه‌پذیر و پایداری از قبیل حلال‌ها، شوینده‌ها و روغن‌ها می‌باشد، لذا به جهت آنکه میکروارگانیسم‌ها مدت زمان کمتری را برای پشت سر گذاشتن مرحله تأخیری و آشنایی با محیط آند پیل سوختی میکروبی سپری کنند، غلظت اکسیژن خواهی شیمیایی را پس از 3 بار رقیق سازی تا 1400 میلی‌گرم بر لیتر رساندیم.

 مرحله تأخیری یا خفته با ورود میکروارگانیسم‌ها به پیل سوختی آغاز می‌گردد، در ادامه این مرحله، حد نمو و سرعت تکثیر آن‌ها کم کم افزایش می‌یابد تا در پایان این مرحله به حداکثر می‌رسد. در این مرحله عملاً متابولیت‌ها و گازهای زاید در محیط وجود ندارد. این مرحله تقریباً دو ساعت به طول می‌انجامد و باکتری‌ها برای سوخت و ساز با پساب مذکور سازگاری پیدا می‌کنند. همانطور که در شکل 4-1 مشاهده می‌شود، ولتاژ مدار باز پیل سوختی در طی 257 ساعت مورد بررسی قرار گرفته است. اختلاف پتانسیل اولیه پیل سوختی میکروبی با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر 118 میلی‌ولت است. چنین اختلاف پتانسیلی بر مبنای اختلاف در شرایط بیولوژیکی و شیمیایی در دو الکترود کاتد و آند می‌باشد. این اختلاف پتانسیل به دلایل ذکر شده و عدم سازگاری و آشنایی مناسب میکروارگانسم ها با محیط پیرامون خود و ناتوانی استفاده از محلول‌های مغذی، طی مدت زمان 4 ساعت کاهش یافت و به 99 میلی‌ولت رسید.

4       پیشگفتار………………………………………………………………………. 74

4-1   اندازه گیری ولتاژ مدار باز……………………………………………………… 75

4-2   تاثیر مقاومت خارجی بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌… 80

4-2-1   اعمال مقاومت های خارجی پایین‌تر ‌و مقایسه عملکرد سیستم……. 82

4-2-2   اعمال مقاومت خارجی 100 و 50 اهم…………………………………… 86

4-2-3   نمودار پلاریزاسیون و چگالی توان…………………………………………. 90

4-2-4   بررسی کاهش کدورت پساب……………………………………………… 94

4-2-5   بررسی کاهش اکسیژن خواهی شیمیایی……………………………… 95

4-3   بررسی اثر دما بر فعالیت پیل سوختی میکروبی، جریان و چگالی توان.. 96

4-4   بررسی اثر pH بر عملکرد پیل سوختی میکروبی………………………… 98

4-5   بررسی تأثیر غلظت پساب بر عملکرد سامانه…………………………… 99

4-6   منحنی مصرف قند……………………………………………102

4-7   محاسبه بازدهی عملیاتی پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای.. …102

4-7-1   بازدهی پتانسیل (PE)………………………………….ا……………… 102

4-7-2   بازده کلومبیک (CE) ………………………………………………….ا…103

4-7-3   بازدهی تبدیل انرژی (ECE)……………………………………ا……… 105

4-8   مقایسه عملکرد پیل سوختی میکروبی……………………………….. 105

4-9   ریخت شناسی زیست لایه تشکیل شده بر سطح الکترود آند……… 105

غشاء نفیون

غشاء نفیون

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1   نتیجه گیری………………………………………………………………… 107

5-2   پیشنهادات…………………………………………………………………110

منحنی پلاریزاسیون وچگالی توان درپیل های سوختی میکروبی

منحنی پلاریزاسیون وچگالی توان درپیل های سوختی میکروبی

Abstract

 Microbial fuel cell technology is a relatively modern technology in which the chemical energy associated with organic and inorganic compounds is converted to electrical energy by use of microorganisms as inexpensive biocatalysts. Optimization of effective parameters on the performance of MFCs is a fundamental step in the development of this technology for large-scale applications. One of the main characteristics which describes the performance of MFCs is the power output of the cell which is affected by several factors such as electrode spacing, substrate concentration, conductivity and acidity of the anolyte, type of electrodes and operational parameters such as temperature, pH and etc. In this work two objectives were satisfied along with the simultaneous wastewater treatment and electricity generation using the fabricated single chamber MFC. First, the graphite coated stainless steel mesh as the anode electrode provided a porous surface which enhanced the proper formation of biofilm. Second, by application of spiral geometry to the anode, the anode electrode surface area was increased and the time required to convey the substrate to microorganisms was decreased. The chocolate industry wastewater containing hard biodegradable and complicated components such as solvents, detergents and oils was utilized as the substrate. In this study, two sets of annular single chamber microbial fuel cells (ASCMFC) with identical volumes (90cm3) and configurations but different electrode spacing were investigated within the framework of batch experiments. Maximum open circuit voltage and power density for the first apparatus with electrode spacing of 1.3 cm were measured to be 742 mv and 7.98 W/m3, respectively. Following the optimization of electrode spacing, the second cell was fabricated and its performance was investigated in three different electrode spacing values (1, 0.7 and 0.4 cm). The obtained results corresponding to the second cell were compared with the results recorded from the first cell. Maximum open circuit voltage of 856 mv was obtained at the optimum electrode spacing of 0.7 cm. Experimental tests corresponding to maximum power density and current were repeated and maximum power density of 22.898 W/m3 was generated at the optimum electrode spacing of 0.7cm. The performance of MFC as the electricity generator was characterized with respect to the polarization behavior and cell potential. In the next sets of experiments, the substrate concentration, chemical oxygen demand rate, turbidity and operational parameters such as temperature and pH were analyzed and their effect on the performance of MFC was examined at the optimum electrode spacing. Significant reductions of 79.66% and 91.2% were detected in turbidity and COD rate, respectively, after 96 hours of MFC’s activity. As the COD concentration of the wastewater was decreased from 1400 mg/L to 700 mg/L, the time of the declining phase was decreased and a reduction from 3.77 mA to 2.76 mA was observed in output current. As for the effect of pH on the performance of MFC, it was found that the maximum electrical current was obtainable at the pH between 7 and 8. Investigations about the effect of temperature revealed the negative behavior of the fuel cell at temperatures higher than 35 `C. Finally, the SEM images of the graphite coated stainless steel mesh before and after biofilm formation indicated the proper adhesion of bacteria at the surface of electrode.



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


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان