بخشی از مقاله
چکیده
در حال حاضر پیلهاي سوختی میکروبی - - 2MFC از جدیدترین روش هاي تولید انرژي تجدید پذیر هستند که می توانند با استفاده از فاضلاب، برق تولید نمایند. در این مقاله، مطالعه بر روي اثر نیاز شیمیایی اکسیژن - COD - فاضلاب شهري متمرکز شده است، بنابراین، ما اثر COD ورودي روي ولتاژ و شدت جریان الکتریکی بعنوان تابعی از زمان و توان الکتریکی بعنوان تابعی از شدت جریان الکتریکی بررسی کردیم.
در آزمایشات از پیل سوختی میکروبی با جریان رو به بالا که داراي دو بستر ثابت که پرشده از میله هاي کربنی استفاده شده است. درون هر بستر کلکتور رسانایی از جنس فولاد زنگ نزن قرار داده شده که الکترون ها را از روي بستر جمع و به مدار خارج هدایت می نماید.
از غشاي معاوضه کننده پروتون نافیون-3117 براي جداسازي سلول هاي آند و کاتد استفاده شد. احیاي اکسیژن نفوذ کننده ي هوا در الکترولیت و تجزیه ي میکروبی مواد آلی بترتیب موجب واکنش هاي کاتدي و آندي می شود. نتایج تاثیر پذیري پیل سوختی میکروبی نسبت به اثر COD نشان می دهد که افزایش COD ورودي باعث افزایش شدت جریان حجمی و توان حجمی می شود، اما تاثیري بر ولتاژ ندارد.
مقدمه
تولید انرژي از منابع انرژي دیگر از جمله فاضلاب براي جامعه ما که با رشد جمعیت و کاهش منابع انرژي روبرو است، لازم می باشد. فاضلاب حاوي مواد آلی زیادي است که براي تولید حامل هاي انرژي مثل، متان، هیدروژن و بیوالکتریسیته بسیار مناسب است
بیو الکتریسیته از فاضلاب بوسیله ي پیل سوختی میکروبی تولید می شود. علاوه بر آن، پیل سوختی میکروبی داراي بازده برداشت مواد آلی قابل مقایسه اي با فرآیند هاي تصفیه ي فاضلاب مثل هاضم هاي بی هوازي است
پیل سوختی میکروبی براي کاتالیز کردن و تبدیل مواد آلی به الکتریسیته بوسیله ي انتقال الکترون در یک مسیر بسیار پیشرفته، از باکتري ها استفاده می نماید. در مخزن آند پیل سوختی میکروبی یک توده ي میکروبی مواد آلی در فاضلاب را اکسید و الکترون ها را به الکترود انتقال می دهند. بطور معمول در آزمایشگاه ها از پیل سوختی میکروبی با دو مخزن استفاده می شود که شامل مخزن هاي آند و کاتد که بوسیله ي غشاي معاوضه کننده ي پروتون از هم جدا می شوند
جریان الکترون از آند به الکترود هاي کاتد توسط یک سیم رسانا انتقال می یابد، این جریان ادامه دارد تا زمانی که پروتون هاي تولید شده از طریق غشاي معاوضه کننده ي پروتون وارد الکترولیت کاتدي شود - . - 4 الکترون ها و پروتون ها با مولکول هاي اکسیژن در مخزن کاتد واکنش می دهند و آب تولید می نمایند. بنابراین، اکسیژن براي پخش شدن در مخزن کاتد مورد نیاز است. مطالعات اخیر نشان داده که ساختار راکتور یک فاکتور مهم هست که می تواند روي عملکرد MFC تاثیر بگذارد
فاکتور هایی که می تواند تاثیر گذار باشد به سه دسته تقسیم بندي می شود .1 : - 2 - عوامل محدودکننده ي سینتیک، بعلت مصرف انرژي براي انجام واکنش ها در آند و کاتد است، .2 عوامل محدود کننده ي اهمی، که باعث مقاومت یونی الکترولیت ها و مقاومت الکتریکی الکترودها و مواد رسانا می شود و .3 عوامل محدود کننده هاي انتقال، که بعلت انتقال جرم ناقص سوبسترا به محل هاي واکنش درون سلول باکتري ایجاد می شود. تاکنون مطالعات کمی بر روي فاکتور هاي محدود کننده انجام گرفته است
از این رو، در این مقاله پارامتر COD ورودي که یکی از فاکتور هاي مهم بر عملکرد MFC است مورد مطالعه قرار گرفت. اندازه ي COD ورودي نشان دهنده ي میزان جمعیت باکتري فعال در فاضلاب است. بنابراین با بررسی تغییرات میزان COD ورودي عملکرد MFC مورد نظر بررسی شد و تاثیر جمعیت باکتري فعال در فاضلاب بر عملکرد واکنش هایی که منجر به تولید بیو الکتریسیته می شود نیز مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش
پیل سوختی میکروبی
این راکتور داراي دو بستر از میله هاي کربنی است که هر آکنه بستر 1 cm ارتفاع و داراي قطر 4 mm است. ارتفاع مخزن آند 25 cm و ارتفاع مخزن کاتد 20 cm است و قطر دو بستر 8 cm است و ضریب تخلخل این بسترها تقریبا 0.36 است و حجم مرطوب آند برابر 803 سانتیمتر مربع است. غشاي این راکتور نافیون- 117 است. هر بستر داراي یک کلکتور از جنس فولاد زنگ نزن است و محلول کاتد این راکتور آب است که هوا توسط توزیع کننده در آن نفوذ می نماید.
شکل .1 نمایی از پیل سوختی میکروبی مورد مطالعه شده
شرایط عملیاتی
بیو راکتور در دماي ثابت 27 ˚C و خوراك بصورت جریان پیوسته وارد راکتور شد، براي بررسی اثر COD برسیستم ، سیستم را در دبی هاي - 7.2 - میلی لیتر بر دقیقه و در COD هاي 200 - ، 350 و - 500 میلی گرم بر لیتر به ازاي هر روز و در 7 - pH تا - 7.4 راه اندازي شد و براي هر مرحله سیستم را شستشو نمودیم. دماي هواي ورودي 27 ˚C و با فشار 20 mmHg وارد کاتد شد.
آنالیز شیمیایی
غلظت ها براساس COD بیان شد و براساس روش استانداردي که تعریف شده بود - 3 - اندازه گیري ها انجام شد و میزان pH را نیز با اسید HCl، 0.37 درصد و با باز NaOH، 1 مولار تغییر داده شد و براي ثابت نگه داشتن میزان pH از بافر فسفات - PBS - استفاده شد.
اندازه گیري الکتروشیمی
ولتاژ - V - بوسیله ي گذراندن جریان از مقاومت - R - و شدت جریان - I - نیز بوسیله ي قانون اهم - I=V/R - اندازه گیري شد. توان حجمی نیز توسط رابطه ي P=VI/v محاسبه شد، بطوریکه v حجم مرطوب بسترآند است. مقاومت درونی - Ri - توسط رابطه ي Vd/I اندازه گیري شد بطوریکه Vd اختلاف میان پتانسیل مدار باز و ولتاژ عبوري از مقاومت خارجی است. نمودار پلاریزاسیون با استفاده از مقاومت هاي از 2 تا 10000 اهم رسم گردید. براي پایداري، اندازه گیري هر حالت تقریبا 1 ساعت بطول انجامید.
نتایج و بحث
براي بررسی اثر COD ورودي بر عملکرد سیستم، سیستم را براي خوراك با COD هاي مختلف 200 mg/lit.day - ، 350 و - 500 راه اندازي شد و pH سیستم را در حدود 7 و دبی را در 7.2 ml/min ثابت نگه داشته شد. ابتدا سیستم را با COD، 500 mg/lit.day راه اندازي شد با این COD ورودي خوراك پس از 45 ساعت از راه اندازي به ماکزیمم ولتاژ که برابر v 0.579 و شدت جریان حجمی سیستم پس از 51 ساعت از راه اندازي تقریبا به ماکزیمم مقدار خود که برابر5.407 A/m3 رسید، سپس COD خوراك سیستم را به 350 mg/lit.day کاهش داده شد، با این COD پس از 56 ساعت از راه اندازي به ماکزیمم ولتاژ که برابر 0.585 v و شدت جریان سیستم پس از 58 ساعت از راه اندازي تقریبا به ماکزیمم مقدار خود که برابر 3.890 A/m3 رسید، سپس سیستم را با COD ، 200 mg/lit.day راه اندازي شد با این COD پس از 65 ساعت از راه اندازي به ماکزیمم ولتاژ که برابر 0.571 v و شدت جریان سیستم پس از 70 ساعت از راه اندازي تقریبا به ماکزیمم مقدار خود که برابر 2.735 A/m3 رسید.
ماکزیمم توان حجمی تولید شده توسط MFC با COD ورودي 500 mg/lit.day به 0.479 W/m3 رسید که مقاومت داخلی در این حالت برابر 216.04 Ω بدست آمد، بطوریکه مقاومت خارجی 220 Ω بود، که مطابق با تئوري، زمانی که مقاومت داخلی و خارجی برابر شود بالاترین توان خروجی بدست می آید - - 6، با کاهش COD ورودي به 350 mg/lit.day ماکزیمم توان برابر 0.337 W/m3 شد و مقاومت درونی برابر 303.54 Ω بدست آمد و با COD ورودي 200 mg/lit.day ماکزیمم توان برابر 0.222 W/m3 و مقاومت درونی برابر 424.58 Ω بدست آمد.
