انتخاب صفحه

فهرست مطالب

فهرست مطالب…………………………………………………………………………و

فهرست شکل­ها………………………………………………………………………ح

فهرست جداول ……………………………………………………………………..ط

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

فصل اول: بررسی اهمیت موضوع و مفاهیم مرتبط با آن

منابع انرژی رو به زوال سوخت‌های فسیلی، جامعه رو به توسعه انسانی را در آینده‌ای نه‌چندان دور دچار کمبود سوخت می‌سازند. با رشد سریع جمعیت و رسیدن آن به مرز 10 میلیارد نفر تا 50 سال دیگر نیاز به منابع پایان‌ناپذیر سوخت افزایش خواهد یافت]1[. بر اساس تخمینی از رشد جمعیت و رشد اقتصادی همراه با آن و با در نظر گرفتن روند رشد تقاضای انرژی، میزان تقاضای انرژی در سال 2050 میلادی 27 تراوات و در سال 2100 میلادی 43 تراوات خواهد بود]2[. بنابراین اگرچه نفت، گاز طبیعی و ذغال سنگ در کوتاه مدت می­توانند نیاز انرژی را برآورده نمایند، ولی در دهه­های آتی و با پیشی گرفتن تقاضای نفت از عرضه آن،         نمی­توانند به عنوان یک گزینه مناسب مطرح شوند. در نتیجه با توجه به اینکه منابع سوختهای فسیلی رفته رفته در حال کاهش است حتی در صورت یافتن منابع جدید نفت و یا افزایش بهره­برداری از مخازن موجود، مشکل مهم تغییرات آب و هوایی نه تنها حل نمی­شود، بلکه تشدید نیز خواهد شد. بدون شک رهاسازی کربن ذخیره شده در سوخت­های فسیلی، غلظت دی­اکسید کربن را در جو افزایش می­دهد؛ انباشتگی گازهای گلخانه­ای در سال­های اخیر سبب شده که دمای متوسط جهانی از دماهای پیش از تاریخ نیز فراتر رفته و منجر به ذوب یخ­های طبیعی و افزایش سطح دریاها بشود]2[. بنابراین حتی جایگزینی نفت و گاز با سوخت­های دیگری مانند ذغال­سنگ، هیدرات متان و قطران ذغال­سنگ نیز منجر به رهاسازی گاز دی­اکسید کربن بیشتر به جو، تشدید نمودن آسیب­های زیست محیطی و شتاب بخشیدن به تغییرات آب و هوایی می­گردد. بنابراین از این دیدگاه ما به روشی برای تولید انرژی نیازمندیم که با نرخ بیش از 1% در هر قرن گاز دی­اکسید کربن را به جو وارد ننماید. بزرگ­ترین چالش پیش رو این است که علاوه بر برآورده نمودن نیاز رو به رشد انرژی، مسئله نشر گازهای گلخانه­ای نیز به طور همزمان برطرف گردد.

در نتیجه نگرانی­های انتشار پیوسته و در حال افزایش دی­اکسید کربن به اتمسفر و همچنین وسعت آلودگی ناشی از سوخت‌های فسیلی که زندگی در کره خاکی را دچار مشکل ساخته است، نیاز به منابع انرژی از منابع تجدیدپذیر با حداقل تأثیر منفی زیست محیطی را افزایش می­دهد]3[. در این ارتباط قوانین سخت گیرانه تر زیست‌محیطی وضع گردیده و اعتبارهای مالی بالایی برای پژوهش در زمینه بهره‌برداری از انرژی‌های نو تصویب گردیده است]1[.گزینش جایگزین­های مناسب، ارزان‌قیمت و تمیز برای سوخت‌های فسیلی، به هر ترتیب یک ضرورت آشکار است. انرژی­های تجدیدپذیری مانند انرژی خورشیدی، باد، زمین گرمایی و انرژی حاصل از زیست توده گزینه­های مناسبی به شمار می­آیند. در این بین انرژی خورشیدی یک منبع انرژی مناسب و جذاب می­باشد، زیرا علاوه بر تجدیدپذیری به میزان زیادی نیز در دسترس می­باشد. ولی به علت وجود مشکلات فنی و اقتصادی، در حال حاضر نمی­توان در کوتاه مدت به طور کامل به این انرژی متکی بود. در حدود 200 تراوات از 170000 تراوات انرژی خورشیدی تابیده شده، به انرژی باد تبدیل می­گردد؛ در حالی که از این میزان 67 تراوات از طریق چرخه­های آبی به انرژی آب و 100 تراوات نیز از طریق فتوسنتز به شکل زیست توده ذخیره می­گردد]4[. نمایی از این امر در شکل 1-1 نشان داده شده است. بخشی از فناوری­های مرتبط با این انرژی­ها مانند توربین­های بادی، سدهای برقابی، صفحات خورشیدی و فرآیندهای تولید اتانول و متان از زیست توده در سال­های اخیر توسعه یافته­اند ولی با این حال، با رشد جوامع، بایستی نرخ رشد و توسعه این فناوری­ها نیز افزایش یابد.

1-2 چرخه انرژی تجدیدپذیر بر پایه زیست توده

همان گونه که پیش از این نیز اشاره شد، انرژی خورشیدی و انرژی­هایی که از آن سرچشمه می­گیرند، یک راهکار مناسب برای رفع چالش­های انرژی و محیط زیست در دراز مدت می­باشند. ولی این امر کاملاً به چگونگی دریافت و استفاده از این انرژی بستگی دارد. خورشید در تمام روز و در تمام نواحی به شکل یکنواخت نمی­تابد. بنابراین صفحات خورشیدی می­توانند نیاز برق را در طول روز مرتفع سازند، ولی بدون وجود روش مناسبی برای ذخیره­سازی این انرژی، نمی­توان از آن به عنوان منبع اصلی تأمین انرژی در تمام مدت شبانه روز استفاده کرد.

انرژی زیست توده شکلی از انرژی خورشیدی گرفته شده می­باشد که در آن انرژی خورشیدی جهت فرآوری و نقل و انتقال راحت­تر به صورت فشرده در زیست توده ذخیره شده است. این ذخیره سازی از طریق فرآیند فتوسنتز و جذب انرژی نور خورشید در پیوند مولکول­های آلی زیست­توده­ها انجام می­گیرد.شکل 1-2 نمایی کلی از چرخه انرژی تجدید پذیر بر پایه زیست توده را نشان می­دهد. در این شکل، میکروارگانیسم­ها زیست توده را به سوخت تبدیل می­نمایند.این چرخه شامل سه بخش اصلی است:

  • تولید زیست توده توسط نورخورشید و فتوسنتز
  • تولید سوخت زیستی مناسب
  • تولید انرژی مفید از سوخت زیستی

در این چرخه، فتوسنتز انرژی خورشیدی را گرفته و طی یک فرآیند کاهشی با حضور دی­اکسید کربن، زیست توده را به شکل گیاه و جلبک ایجاد می­نماید]5[. در واقع در این مرحله انرژی خورشیدی به شکل انرژی پیوندهای مولکولی در مواد آلی تشکیل دهنده گیاهان و جلبک­ها ذخیره می­گردد.در بیشتر موارد زیست توده­ایکه به عنوان منبع سوخت زیستی به کار می­رود، از پلیمرهایی شامل پروتئین­ها، لیپیدها و پلی ساکاریدها ساخته شده است. این پلیمرهای پیچیده معمولاً برای استفاده مستقیم در تولید انرژی مناسب نیستند ]5[؛ زیرا شکستن و تجزیه آن­ها به سختی صورت می­گیرد. بنابراین یک سری واکنش­های میکروبیولوژیکی جهت تبدیل زیست توده به سوخت زیستی مناسب مانند متان، هیدروژن و اتانول مورد نیاز است. استات نیز یک سوخت زیستی مفید به شمار می­آید. این سوخت­ها دارای ساختار مولکولی ساده­تر بوده و به سهولت اکسید می­گردند. فرآیند تبدیل زیست توده به سوخت­های زیستی شامل مجموعه­ای از فرآیندهای هیدرولیز، تخمیر، اسیدزدایی و متان زایی می­باشد که در قسمت­های آتی به آن­ها پرداخته       می­شود. میکروارگانیسم­ها می­توانند در هر کدام از این فرآیندها حضور داشته باشند.سوخت­های نهایی می­توانند پس از جمع آوری، با اکسیژن واکنش داده و انرژی مفید تولید نمایند ]5[. این فرآیند در واقع همان اکسیداسیون سوخت زیستی می­باشد که در نهایت منجر به تولید انرژی مفید          می­گردد. این اکسیداسیون شامل سوزاندن سوخت زیستی و تولید گرما و یا اکسیداسیون مستقیم آن­ها در پیل سوختی و بازیابی انرژی به شکل جریان الکتریکی است. دی­اکسید کربن تولید شده طی سوخت و ساز میکروبی و فرآیند اکسیداسیون سوخت­های زیستی نیز توسط فرآیند فتوسنتز بازیافت شده و بنابراین فرآیندهای بر پایه زیست توده از دیدگاه تولید کربن اضافی خنثی می­باشند.

1-3  تولید زیست توده توسط فرآیند فتوسنتز

فتوسنتز یک واکنش بیوشیمیایی است که انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می­کند. مواد اولیه برای فتوسنتز آب و دی­اکسید کربن است که تشکیل دهنده بخش نخست در چرخه شکل 1-2 می­باشد. یک واکنش فتوسنتز برای تولید گلوکز در زیر مشخص شده استاگرچه واکنش 1-1 از نظر ترمودینامیکی نامطلوب است، ولی اندام­های فتوسنتزی در سلول­های زیستی انرژی نور را گرفته و انرژی لازم برای انتقال الکترون از آب به دی­اکسید کربن (به ازای هر مول گلوکز 2870 کیلوژول انرژی) را تأمین می­نمایند]5[.با توجه به طبیعت واکنش فتوسنتزی (واکنش 1-1) و مصرف انرژی نور خورشید در آن، می­توان گفت که هدف کلیه سامانه­های تولید انرژی از زیست توده، به جلو بردن واکنش فتوسنتزی در جهت عکس آن می­باشد. روش به دست آوردن انرژی از زیست توده به نوع زیست توده بستگی دارد.

1-4   هیدرولیز و تخمیر

هیدرولیز نخستین گام در تبدیل زیست توده­هایی مانند پساب­ها و پسماندهای کشاورزی به سوخت­های زیستی ارزشمند می­باشد. طی فرآیند هیدرولیز، جامدات آلی و مولکول­های بزرگ پلیمری به مولکول­های قابل حل و قابل نفوذ در سلول­های زیستی تبدیل می­شوند. در این فرآیند، میکروارگانیسم­ها آنزیم­هایی را تولید می­نمایند که پلیمرهای بزرگ مانند پروتئین­ها و لیپیدها را به مونومرها و ساختارهای کوچک­تر تبدیل می­نمایند ]5[. این دسته از مولکول­های کوچک­تر برای سوخت و ساز میکروبی در مراحل بعدی مفید و قابل استفاده می­باشند.

فرآیند تخمیر نیز با بازآرایی پیوندهای مولکولی و شکستن آن­ها به محصولات کوچک­تر، سوخت­های زیستی را تولید می­نماید. مجموعه فرآیندهای هیدرولیز و تخمیر در شکل 1-3 مشاهده می­گردد.محصولات فرآیند تخمیر می­تواند شامل اسیدهای چرب فرار، الکل­های ساده، استات، هیدروژن و دی­اکسید کربن باشند. در صورت تشکیل اسیدهای چرب فرار و الکل­ها، در گام بعدی استات، هیدروژن و دی­اکسید کربن توسط فرآیند اسیدزایی تولید می­گردند. برای مثال اتانول از تخمیر مستقیم شکرها مانند گلوکز طبق واکنش زیر به دست می­آید مقدمه……………………………………………………………………………. 1

1-2 چرخه انرژی تجدیدپذیر بر پایه زیست توده………………………………… 2

1-3 تولید زیست توده توسط فرآیند فتوسنتز……………………………………. 4

1-4 هیدرولیز و تخمیر………………………………………………………………. 4

1-5 نیاز به منابع آب و تصفیه پسابها ………………………………………………6

1-6 پیل سوختی……………………………………………………………………. 6

1-7 تعریف پیل‌سوختی……………………………………………………………. 7

1-8 انواع پیل سوختی…………………………………………………………….. 8

1-9پیلهای سوختی میکروبی……………………………………………………… 9

1-9-1 کاربرد پیل سوختی میکروبی……………………………… 11

1-9-1-1 تولید برق……………………………………………….. 12

1-9-1-2 تصفیه پساب­ها…………………………………………… 12

1-9-1-3 تولید هیدروژن……………………………………………. 13

1-9-1-4 حذف مواد شیمیایی………………………………………. 13

1-9-1-5 حسگرهای زیستی………………………………………. 13

1-9-2 مقایسه پیل­های سوختی میکروبی با فرآیندهای بیواتانولی و متان زدایی………………………………………………………………………………… 14

1-9-2-1 فناوری­های متان­زدایی و پیل سوختی میکروبی…………… 14

1-9-2-2 فناوری­های بیواتانول و پیل سوختی میکروبی…………….. 14

1-9-3 بررسی جامعه میکروبی و زنجیره تنفسی در آن­ها…………… 15

1-9-3-1 چگونگی انتقال الکترون­ها از سطح میکروب به سطح آند پیل سوختی………………………………………………………………………………. 17

1-10پیلهای سوختی میکروبی معکوس…………………………………………… 21

1-10-1 مکانیسم­های انتقال الکترون…………………………………….. 22

1-10-2 بیوفیلم­های کاتد…………………………………………………… 24

1-10-3 الکترود کاتد…………………………………………………………. 24

1-10-4 شیمی محلول……………………………………………………….. 25

1-11هدف از پژوهش پیش رو……………………………………………………….. 27

فصل دوم: بررسی پژوهش­های پیشین

در این فصل پیش از آنکه به بررسی پژوهش­های انجام گرفته در زمینه پیل­های سوختی میکروبی معکوس و الکتروسنتز میکروبی پرداخته ­شود، پژوهش­های انجام گرفته در زمینه پیل سوختی و پیل سوختی میکروبی و همچنین مدل­سازی و شبیه­سازی آنها به اختصار بیان می­شود.

2-1 مروری بر پیل­های سوختی از گذشته تا حال

در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی، اصول کار پیل سوختی را کشف کرد. گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته به کار برد. الکتریسیته حاصل، آب را در یک ظرف کوچکتر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل کرد. او این پیل را با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر می­گردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاش­هایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت، در سال 1955 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.

در سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیل­های مزبور در سفینه­های جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فن­آوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو به کار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتور آمریکا ساخته شد. با سرمایه گذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیزسرمایه گذاری این وزارتخانه در سال 1990 فن آوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است

هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهره­برداری قرار گرفت. این هواپیما توان پرواز طولانی (شش ماه) و بدون وقفه را دارد و با حرکت مستمر خود در یک منطقه از آسمان در سیستم­های مخابراتی، جاسوسی و امداد رسانی (در حوادث طبیعی) کاربردهای وسیعی پیدا کرده است[7].

2-2 تاریخچه پیل سوختی میکروبی

به صورت تئوری اکثر میکروارگانیسم­ها پتانسیل استفاده شدن به عنوان بیوکاتالیست در پیل­های سوختی میکروبی را دارند. اولین مفهوم پیل سوختی میکروبی توسط پاتر در سال 1910 نشان داده شد. در این پیل سوختی، انرژی الکتریکی از محیط کشت اشرشیاکلی[1] و ساکارومایسیس با استفاده از الکترودهای پلاتین تولید شد. این پدیده تا سال 1980، تا زمانی که کشف شد که دانسیته جریان و توان خروجی می­توانند تا حدی با اضافه کردن واسطه­های الکترونی افزایش یابند، علاقه زیادی را ایجاد نکرد. میکروبها در انتقال مستقیم الکترونها به آند ناتوانند، مگر در مواردی که اتاقک آندی، آندوفیل باشد. لایه­های خارجی اکثر گونه­های میکروبی ترکیبی از چربی غشاء غیرهادی، پپتیدوگلایکان­ها و لیپوپلی­ساکاریدهاست که مانع از انتقال مستقیم الکترون به آند می­شود. واسطه­های الکترونی، انتقال را شدت می­بخشند. واسطه­ها در حالت اکسید شده به آسانی می­توانند با گرفتن الکترون­ها از درون غشاء احیاء شوند. سپس واسطه­ها در سراسر غشاء حرکت می­کنند و الکترون­ها را از آند آزاد کرده و دوباره در محلول بالک در اتاقک آندی اکسید می­شوند. این فرآیند چرخه­ای، سرعت انتقال الکترون­ها را شدت بخشیده و توان خروجی را افزایش می­دهد. متأسفانه سمیت و ناپایداری واسطه­های سنتزی باعث محدود شدن استفاده آنها در پیل­های سوختی میکروبی شده است [35].لاولی در سال 1993 نشان داد که هیومیک اسیدها توانایی انتقال الکترون را از درون غشاء سلولی به آند دارند. دستیابی به موفقیت زمانی بود که برخی از میکروبها برای انتقال مستقیم الکترون به آند یافت شدند [36]. این امر توسط کیم و همکاران در سال 1999 [37] و سپس در سال 2003 توسط لاولی و چاوهوری [15] کشف شد. همچنین توسط لاولی و چاوهوری و به علاوه اسکولز و اسکورودر در سال 2003 نشان داده شد که این میکروبها از لحاظ عملیاتی پایدارند و بازده کلمبیک بالایی دارند [38].

2-3 تاریخچه مدل­سازی پیل سوختی میکروبی

می­توان گفت اولین پژوهش انجام شده در زمینه مدل­سازی پیل­های سوختی میکروبی توسط ژانگ و هالم در سال 1995 صورت پذیرفت[39]. این مطالعه بر اساس حضور گروه­های میکروبی معلق انجام شد. همچنین، از آنجا که در این سال، ساز و کار هدایت مستقیم الکترون­ها هنوز ناشناخته بود، انتقال الکترون با ساز و کار ماده واسط اضافه شده به سامانه، انجام گرفته است. این مدل، یک مدل تک بعدی و متغیر با زمان می­باشد. در این بررسی، اثر عوامل مختلف مانند غلظت سوبسترا و غلظت ماده واسط و بار الکتریکی خارجی بر روی جریان الکتریکی خروجی از پیل سوختی میکروبی مطالعه شد. این امر با استفاده از شبیه­سازی جریان الکتریکی خروجی در بستر زمان انجام گرفت و چگونگی پاسخگویی سامانه در اثر تغییر عوامل یاد شده مشخص شد.بر پایه نتایج این پژوهش، با افزایش مقاومت الکتریکی خارجی از 40 به 400 اهم، سطح ثابت جریان تقریباً از 10 به 63/1 میلی آمپر کاهش می­یابد. همچنین افزایش غلظت مواد واسط در محفظه­ی آندی سبب افزایش سطح جریان خروجی، با رفتاری مشابه برای همه حالت­ها، می­گردد[39].

نتایج این پژوهش نشان می­دهد، اثر تغییر غلظت سوبسترا بر جریان خروجی با تأخیر زمانی طولانی مشاهده می­گردد در حالی­که این امر برای غلظت ماده واسط در مدت زمان بسیار کمتری قابل رؤیت است [39]. افزایش غلظت سوبسترا باعث می­گردد تا تجزیه و اتمام آن در محفظه آندی، مدت زمان بیشتری به طول بینجامد.مدل بعدی برای پیل­های سوختی میکروبی در سال 2007 توسط پیسیورنو و همکاران ارائه گردید [40]. این مدل یک مدل بسیار جامع می­باشد، به گونه­ای که جامعه میکروبی معلق و چسبیده به سطح آند در مختصات یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی در نظر گرفته شد. همچنین در این مدل امکان استفاده از چندین گونه میکروبی به صورت معلق و بیوفیلم وجود دارد. از نظر تعداد گونه­های شمیایی محلول به کار رفته نیز محدودیتی وجود ندارد و واکنش­های زیست شناختی، شیمیایی و الکتروشیمیایی در حجم مایع آنولیت، بیوفیلم و سطح الکترود انجام می­گیرد.در این پژوهش، شاخص­های مهم پیل­های سوختی میکروبی و تغییرات زمانی­آن­ها از جمله جریان الکتریکی، ولتاژ و توان تولیدی، میزان مصرف سوبسترا و میزان رشد میکروب­های معلق و چسبیده مورد بررسی قرار گرفته است. اثر عوامل مختلف عملیاتی مانند پتانسیل استاندارد کاهشی مواد واسط، نسبت میکروب­های معلق به باکتری­های چسبیده به سطح آند، غلظت اولیه سوبسترا و مواد واسط، نفوذپذیری آن­ها، مقاومت الکتریکی خارجی، سوخت و ساز داخلی میکروب­ها و رقابت بین گون­های مختلف میکروبی در بیوفیلم، توسط شبیه­سازی رفتار پیل سوختی میکروبی در شرایط مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.به دلیل حضور میکروب­های معلق در حجم مایع آنولیت، واکنش­های زیست شناختی علاوه بر درون بیوفیلم در حجم مایع نیز قابل انجام است.بیوفیلم و لایه مرزی غلظتی در این پژوهش به یکدیگر پیوسته بوده و دارای یک شبکه مکانی می­باشند و بنابراین امکان استفاده از روابط و تئوری­های موجود برای ضرایب انتقال جرم وجود ندارد. از آن­جا که اکسیداسیون مواد واسطه به مقدار pH وابسته است، مقدار pH بدون در نظر گرفتن تغییرات آن و با انجام موازنه بار (شرایط خنثی الکتریکی) محاسبه شده است [40].نتایج شبیه­سازی این بررسی در مختصات دو بعدی و سه بعدی نشان می­دهد، جریان تولیدی در مناظقی با بیوفیلم چسبنده و جوان دارای ناهمگونی بالاتر است ولی برای میکروب­های با عمر بیشتر، توزیع جریان الکتریکی روی صفحه آند یکنواخت­تر می­باشد [40]. مدل­های دو بعدی و سه بعدی تنها برای بررسی اثر ناهمگونی بیوفیلم­ها استفاده می­گردد و برای یک بیوفیلم تشکیل شده همگن، مدل یک بعدی نیز می­تواند به خوبی رفتار سامانه را پیش ­بینی نماید.در دست آزمایی این مدل با نتابج آزمایشگاهی [14]، انحراف نسبتاً زیادی بین نتایج مدل و نتایج آزمایشگاهی مشاهده می­شود. برای مثال شکل 2-1، مقایسه شبیه­سازی مدل [40] و نتایج آزمایشگاهی [14] را در تغییرات جریان خروجی از پیل با زمان نشان می­دهد. گونه خالص میکروبی و سوبسترا در هر دو حالت به ترتیب “ژئوباکتر سولفورریداسنز” و استات با غلظت 1 میلی مولار می­باشد. خطوط توپر نشان­دهنده نتایج حاصل از مدل و نقاط دایره­ای بیانگر نتایج آزمایشگاهی ارائه شده است.انحراف­های مشاهده شده در شکل 2-1، ناشی از فرض انتقال الکترون از سطح میکروب­ها به سطح الکترود آند توسط مواد واسط اضافه شده می­باشد [40]. با توجه به جامع بودن مدل ارائه شده توسط پیسیورنو و همکاران (2007)، می­توان از آن به عنوان مرجعی مناسب برای مدل­سازی پیل­های سوختی به کار رفته در تصفیه پساب­ها با جوامع میکروبی آمیحته و پیچیده استفاده نمود.علاوه بر پژوهش­های بالا، مدل دیگری نیز در سال 2007 توسط مارکوس و همکاران، برای پیل­های سوختی میکروبی ارائه گردید [30]. در این مدل بر خلاف کارهای پیشین، ساز و کارهای هدایت مستقیم الکترون در بیوفیلم تحت میدان پتانسیل الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته است. قانون اهم و ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم مشخص کننده رسانایی آن می­باشند.جامعه میکروبی مورد استفاده در مدل بالا، تنها شامل گونه “ژئوباکتر سولفورریداسنز” است و از سوبسترای استات استفاده می­گردد. جامعه میکروبی در این­جا تنها شامل بیوفیلم چسبیده به سطح آند بوده و از گروه­های میکروبی معلق چشم­پوشی شده است [30].

 

2-1 مروری بر پیل­های سوختی از گذشته تا حال………………………………… 28

2-2تاریخچه پیل سوختی میکروبی…………………………………………………. 29

2-3 تاریخچه مدلسازی پیل سوختی میکروبی……………………………………. 29

2-4 تاریخچه الکتروسنتز میکروبی…………………………………………………… 33

فصل سوم: بررسی معادلات و ساختار مدل

در این فصل به بررسی و تبیین معادلات حاکم بر فرآیند پیل سوختی میکروبی می­پردازیم. در ابتدا معادلات سرعت برای فرآیندهای دخیل شامل مصرف سوبسترا، خود-اکسایی میکروب­ها و فرآیند غیر فعال شدن میکروب­های فعال تشریح می­گردند.

در ادامه به بررسی معادله بقای جرم سوبسترا در بیوفیلم، پرداخته می­شود. به منظور بررسی جریان پیوسته در محفظه کاتدی بایستی اثر میدان سرعت جریان بر انتقال جرم مشخص شود. این امر با بررسی روابط ارائه شده برای پیش­بینی ضریب انتقال جرم در لایه مرزی غلظتی انجام می­گیرد. پس از آن معادله بقای جرم در حجم مایع کاتولیت و ارتباط آن با معادله بقای جرم در بیوفیلم مطرح می­گردد.

مهم­ترین بخش در مدل­های بر پایه هدایت الکترون، قانون اهم و معادله پتانسیل و یا بقای الکترون است. این معادله به همراه انواع مختلف شرایط مرزی ممکن در بخش3-6­ به  تفصیل بحث خواهد شد.چگونگی رفتار زیست شناختی فرآیند، تکثیر و زوال گونه­های میکروبی و نحوه رشد و تشکیل بیوفیلم نیز از طریق معادلات بقای جرم زیست توده­ها و معادله رشد بیوفیلم در بخش 3-8   مشخص خواهد شد. پس از آن در بخش 3-9 نیم واکنش­های انجام گرفته در بخش آند و کاتد بیان می­گردد.در بخش 3-10 به بررسی مدل مورد استفاده جهت تخمین پارامترهای طراحی پرداخته می­شود و در پایان نیز، پس از تعیین معادلات حاکم، الگوریتم حل تعیین خواهد شد.پیش از آنکه به بررسی معادلات حاکم بر مدل حاضر پرداخته شود، فرضیات صورت گرفته آورده شده و هر کدام در جایگاه خود نیز توضیح داده خواهد شد.

3-1 فرضیات انجام گرفته ……………………………………………………………..36

3-2 معادلات سرعت…………………………………………………………………. 37

3-2-1 معادلات مصرف سوبسترا……………………………………………………. 37

3-2-2 معادله سرعت پدیده خود-اکسایی میکروبهای فعال………………………. 40

3-2-3 معادله سرعت غیر فعال شدن میکروبهای فعال. ……………………………41

3-3 معادله بقای جرم سوبسترا در بیوفیلم………………………………………… 41

3-4 بررسی ضریب انتقال جرم خارجی…………………………………………….. 43

3-5 معادله بقای جرم سوبسترا در حجم مایع کاتولیت……………………………. 44

3-6 معادله پتانسیل الکتریکی و قانون اهم………………………………………… 45

3-7 بررسی مقاومتهای اهمی………………………………………………………. 47

3-8 معادله بقای جرم زیست توده………………………………………………….. 48

3-9 نیم واکنش­های انجام گرفته در بخش آند و کاتد پیل سوختی میکروبی معکوس……………………………………………………………………………….. 51

3-10 بررسی مدل مورد استفاده جهت تخمین پارامترهای طراحی ………………………………………………………………………………………….51

3-11 روش حل عددی………………………………………………………………. 52

3-11-1 روش تفاضلات محدود………………………………………………………. 53

3-11-1-1 تفاضلات پیشرو…………………………………………………………… 53

3-11-1-2 تفاضلات پسرو…………………………………………………………… 53

3-11-1-3 تفاضلات مرکزی………………………………………………………….. 53

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

فصل چهارم: نتایج به دست آمده و تجزیه و تحلیل آن­ها

    در این بخش نتایج حاصل از حل مدل ارائه شده در فصل سوم مورد تجزیه و تحلیل قرار می­گیرند. در ابتدا یک حالت با شرایط مشخص به عنوان حالت مرجع تعریف می­گردد و سایر حالات با توجه به این حالت مورد مقایسه و بررسی قرار می­گیرند. نتایج ارائه شده در حالت کلی پتانسیل کاتد ثابت بحث خواهند شد. در بخش­های 4-1 و 4-2 فرض می­شود که پتانسیل کاتد با پتانسیواستات روی مقدار مشخصی ثابت شده است. این امر کمک می­کند تا با حذف اثرات مقاومت­های خارجی و داخلی و اتلاف­های پتانسیل موجود در کاتد، بتوان به صورت جزیی­تر فرآیندهای موجود در کاتد را مورد بررسی قرار داد. در فصل 4-3 نیز نتایج حاصل از مدل­سازی ارائه می­شود و در نهایت در فصل 4-4 پیشنهاداتی برای ادامه کار مطرح می­گردد.

4-1 بررسی شرایط مرجع

به منظور بررسی اثر عوامل مختلف نسبت به یک حالت شاهد، حالت مرجعی با استفاده از مقادیر پارامترهای موجود در جدول 4-1 و برای سوبسترای دی­اکسید کربن و جامعه میکروبی خالص اسپروموسا اواتا ایجاد شد.شکل قرار گیری الکترود، بیوفیلم و لایه مرزی به طور ساده مانند شکل 3-2 بوده و سامانه با غلظت سوبسترای ثابت mmol.cm-3  03/0 در حجم کاتولیت و پتانسیل ثابت سطح کاتد طبق مقادیر جدول 4-1 کار           می­کند. نتایج حاصل از این مدل برای این شرایط در شکل­های 4-1 تا 4-4 آورده شده است. شکل 4-1 پتانسیل الکتریکی بر حسب فاصله از کاتد، شکل 4-2 پروفیل غلظت سوبسترا بر حسب فاصله از کاتد ، شکل 4-3 تغییرات جزء حجمی زیست توده فعال با زمان و شکل 4-4 نیز روند تغییر چگالی جریان را با زمان نشان می­دهد.

 

4-1 بررسی شرایط مرجع…………………………………………………………… 57

4-2 اثر تغییر پتانسیل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع…………………….. 61

4-3 مقایسه مقادیر واقعی با مقادیر حاصل از مدلسازی………………………….68

4-4 جمع بندی و نتیجه گیری……………………………………………………….. 69

4-4 پیشنهادات………………………………………………………………………. 71

منابع و مراجع………………………………………………………………………. 72

Abstract

Declining fossil fuel resources will cause fuel shortage for developing human community in the near future. Accordingly, the permanent and increasing release of CO2 to the atmosphere, and the large amount of pollution caused by fossil fuels, which has made it difficult to live on the earth, highlights the need to renewable energy sources with the least negative effect on the environment. In reverse microbial fuel cells, which compared to microbial fuel cells perform conversely, bacteria, using electrons which are transferred to cathode in anode or in an external energy source, transform CO2 and H2O to organic compounds during a process which is like photosynthesis. These organic compounds can be transformed to fuel by themselves. In the present study, a model is presented based on direct conduction of electrons in biofilms. The output of the present model includes the changes of the substrate concentration, electric potential, the distribution of active bacteria in the biofilm, the time variation of the current density, and the thickness of the biofilm.  In order to investigate the effect of different factors compared with a control mode, a reference mode was created for CO2 substrate and Sporomusa ovata pure microbial community using different amounts of the present parameters. In this model, coulombic range is a function of substrate concentration and cathode potential.  For CO2 substrate and Sporomusa ovate species, the increase of concentration leads to the decrease of coulombic efficiency, decrease of current density, and increase of biofilm thickness. Because the electrical conductivity of Sporomusa ovate biofilm is very high, most part of microbial fuel cell resistances with this microbial community and CO2 substrate come from the resistance of mass transfer. When the concentration of substrate in catholite is 0.025 mmol cm-3 and there is constant flow of electrons into the system, the maximum current density is 0.3 A.m-2, and the range of coulombic will be %75. Coulombic efficiency is short because of ohmic and cathodic resistances in the performance of cell. Because Coulombic efficiency is a function of electric potential and the concentration of substrate in catholite, and the maximum coulombic effieciency was revealed to be %75 in the concentration of 0.025 mmol cm-3 and %55 in the concentration of 1.13 mmol cm-3, thus, we can achieve a high range of acetate production by creating an optimal state in this concentration and potential.

 



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


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان