بخشی از مقاله
چکیده :
عملکرد پذیرنده الکترون کاتدی، تاثیر مستقیم بر میزان ولتاژ و دانسیته توان در یک پیل سوختی میکروبی دارد.در این مطالعه عملکرد یک پیل سوختی میکروبی رسوبی از لحاظ دانسیته توان، ولتاژ خروجی و میزان حذف مواد کربنی برای یک دوره کوتاه مدت 10 روزه و یک دوره بلند مدت 30 روزه با استفاده از پتاسیم فریک سیانید و اکسیژن محلول به عنوان پذیرنده های نهایی الکترون کاتدی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج بدست آمده نشان داد که در بازه زمانی کوتاه مدت، دانسیته توان برای پتاسیم فریک سیانید 19/37 میلی وات بر متر مربع و برای اکسیژن محلول 7/05 میلی وات بر متر مربع هست، همچنین مقاومت داخلی برای پتاسیم فریک سیانید 31/18 اهم و برای اکسیژن محلول 689/88 اهم بود که نشان از عملکرد بهتر برای پتاسیم فریک سیانید در بازه زمانی کوتاه مدت بود .
نتایج بدست آمده ازعملکرد پیل سوختی میکروبی رسوبی در بلند مدت نشان از عملکرد بهتر اکسیژن محلول در ولتاژ خروجی نسبت به پتاسیم فریک سیانید بود . همچنین میزان بازده حذف اکسیژن مورد نیاز واکنش های شیمیایی - COD - P3P2F برای پتاسیم فریک سیانید و اکسیژن محلول به ترتیب 20/17 در صد و 40/33 در صد اندازه گیری شدند و میزان بازده حذف پارامتر تجزیه بر اثر احتراق - LOI - P4P3F برای پتاسیم فریک سیانید و اکسیژن محلول به ترتیب 6/71 درصد و28/89 در صد اندازه گیری شد که نشان دهنده تاثیر بیشتر استفاده از اکسیژن محلول به عنوان پذیرنده الکترون کاتدی در مصرف مواد آلی در بلند مدت می باشد.
-1 مقدمه
یکی ازراههای تامین انرژی پاک،استفاده از پیلهایسوختیمیکروبیاست که توجهزیادی را در دههاخیر به خود جلبکردهاند.این نوع پیل ها توسط واکنش کاتالیستی میکروارگانیسم ها،انرژی نهفته درترکیبات موادآلی وغیرآلی رابه انرژی الکتریکی تبدیل میکنند.[1]به نوعی از پیلهایسوختیمیکروبی که درآن ازرسوبات آلی وغیرآلی در کف دریاها ورودخانه ها به عنوان سوخت استفاده میشود، پیلسوختیمیکروبی رسوبی گویند.فرآیندهای میکروبی دررسوبات ولجن های دریاها ورودخانه ها این امکان را فراهم میسازد که بتوان از آنها برای تامین الکتریسیته درنواحی که دسترسی به آنها سخت و دور افتاده هستند،استفاده کرد.
این پیل ها شامل یک آند دفن شده در رسوب بی هوازی می باشد که ازطریق یک مدارخارجی به الکترود کاتد که در بالای رسوبات قرار دارد متصل می شود. به علت قرارگرفتن آند درزیررسوبات وایجادشرایط بی هوازی،اختلاف پتانسیل لازم بین آند وکاتد که به علت اختلاف غلظت اکسیژن هست ایجاد شده واین پیل هارا بی نیاز از غشا می کند.
کاتدبه عنوان یکی ازمهمترین اجزای پیلهایسوختیمیکروبی تاثیر بسیار زیادی درتولیدالکتریسیته دارد.اکسیژن محلول،پتاسیم فریک سیانید،پتاسیم پرمنگنات ویا دی اکسید منگنز اغلب به عنوان پذیرنده الکترون برای یک واکنش کاتدی در پیلهایسوختیمیکروبی استفاده میشوند.دربیشترمواردپذیرنده نهایی الکترون اکسیژن است اما به دلیل پایین بودن نرخ کاهش آن،استفاده ازیک کاتالیست مانند پلاتین ضروری است اما باتوجه به گران بودن کاتالیست کاربرد آنها در مقیاس صنعتی مقرون به صرفه نسیت
لوگان نشان داد که اگربه جای کاتد آبی به همراه اکسیژن از فریک سیانیداستفاده شود توان تولید 1/5 تا 1/8 برابرافزایش خواهدیافت،بنابراین پتاسیم فری ک سیانید به طورگسترده ای به عنوان یک پذیرنده الکترون در پیلهایسوختیمیکروبی دو محفظه ای مورد استفاده قرارگرفت
به طورکلی محلول کاتدی پتاسیم فریک سیانید نسبت به سایرانواع محلول های کاتدی درپیل های سوختی میکروبی دارای مزایایی ازجمله عدم نیازبه کاتالیست، مصرف انرژی کمتر به دلیل عدم نیازبه هوادهی، مخرب نبودن محصولات حاصل ازاحیاروی محیط زیست وهمچنین توان تولیدی بالاترمی باشد.[4] اگرچه استفاده ازموادی مانند پتاسیم فریک سیانید وپتاسیم پرمنگنات افزایش چشمگیرتوان تولیدی رانسبت به پیلهایسوختیمیکروبی با کاتدهوایی به همراه دارد اما لزوم تعویض محلول کاتولایت بعد ازاتمام هر سیکل مصرفی ازبزرگترین مشکلات آنها می باشد
تاکنون تحقیقات بسیاری درموردمقایسه عملکرد پیلهایسوختیمیکروبی با پذیرنده های متفاوت الکترون انجام شده است،اما اطلاعات بسیارکمی درموردیک پذیرنده مناسب الکترون برای پیلهایسوختیمیکروبی رسوبی موجود میباشد،لذادراین مطالعه سعی شده است اثراستفاده ازدونوع پذیرنده نهایی الکترون اکسیژن وپتاسیم فریک سیانید برروی چگالی توان و ولتاژ تولیدی و میزان حذف موادکربنی یک پیل سوختیمیکروبی رسوبیبررسی شود.
- 2 موادوروش ها
-1-2 نمونه گیری ازرسوبات
نمونه رسوب ازعمق 0-5 - سانتی متری - قسمتی ازرودخانه کشف رودواقع درحاشیه شهرمشهد به طول جغرافیایی 20 58 تا 60 08 و عرض جغرافیایی 35 40 تا 36 03گرفته شد. پس ازاینکه مواداضافی رسوب توسط صافی گرفته شد، به صورت مکانیکی درمحیط آزمایشگاه همزده شدو به شکل همگن درآمد. علاوه بررسوب، ازآب رودخانه هم نمونه گیری شد.مقدارpH آب رودخانه ولجن همراه آن به ترتیب 7/58 و 6/48 بود.همچنین میزان هدایت الکتریکی آب رودخانه 1327 میکرو زیمنس بر سانتیمتر اندازه گیری شد.
-2-2ساختارپیل سوختی میکروبی رسوبی و شرایط آزمایش
برای ساخت چهار پیل سوختی میکروبی رسوبی ازظروف استوانه ای شکل و ازجنس شیشه ای باقطرداخلی120 میلی متر وارتفاع 148 میلی مترو حجم کلی 1لیتر استفاده شد.آندوکاتدهاازجنس موکت کربنی ودایره ای شکل به قطر4 سانتی متروسطح33/91 سانتی متر مربع بودند.هرپیل با 600میلی لیتررسوب مرطوب و400میلی لیتر محلول کاتولایت پرشد که محلول کاتولایت برایپیل های شماره 1 و2شامل 360میلی لیتر محلول فریک سیانید پتاسیم 100 میلی مولار بعلاوه40 میلی لیتر بافر فسفات 100 میلی مولار با pH حدود7بودوبرای پیل های شماره 3 و 4 شامل آب رودخانه که توسط یک پمپ آکواریوم بانرخ 0/2 لیتربردقیقه هوادهی می شد تا اکسیژن مورد نیازدرکاتدتامین شود.
الکترودهای آند 2سانتی متر زیر سطح رسوبات وکاتد 2 سانتی متر بالاتر ازسطح رسوبات قرارداده شده بودند.الکترودها به وسیله سیم هایی ازجنس فولادضدزنگ باقطر1/2میلی متر به مقاومت 1000متصل شده بودند. در طی انجام آزمایش پیل ها در دمای اتاق 22±3 درجه سانتی گرادنگهداری شدوهیچ گونه غشای تبادل پروتون درپیل ها بکارگرفته نشد.
-3-2آنالیزوثبت داده ها
میزان COD بااستفاده ازروش کالری متربدست آمدکه پتاسیم دی کرومات به عنوان یک اکسید کننده قوی به کاربرده شد واز دستگاه هضم کننده - - HACK DRBجهت این کارمورد استفاده قرارگرفت.پارامترتجزیه براثراحتراق - - LOIکه توسط آن میزان مواد آلی وکربنات رسوبات و لجن محاسبه می گردد توسط معادله زیربیان می شود:
که DW105 نشان دهنده وزن خشک نمونه بعد از24ساعت در دمای 105 درجه سانتی گرادوDW550 وزن خشک نمونه بعد ازقرارگرفتن 4 ساعت در دمای 550 درجه است.[7]تمامی داده های ولتاژ،جریان وتوان پیل های سوختی میکروبی رسوبی توسط کارت تبدبل آنالوگ به دیجیتال ودر محیط نرم افزار LAB VIEW نسخه 10دررایانه ثبت گردیدومقاومت داخلی پیل توسط شیب قسمت خطی منحنی پلاریزاسیون محاسبه گردید.جریان و توان هم با استفاده از سطح کاتدنرمال سازی شده و گزارش شده اند.
-4-2 شرح آزمایش
دراین مطالعه عملکرد پیل سوختی میکروبی رسوبی باپذیرنده های الکترون کاتدی پتاسیم فریک سیانید - پیل های 1و - 2 واکسیژن - پیل های 3و - 4 برای دودوره کوتاه مدت وبلندمدت درطی دوآزمایش بررسی شد.بدین صورت که درآزمایش اول درطی10روزعملکردپیلهای شماره 1 و3 ازلحاظ دانسیته توان ومقاومت داخلی باستفاده از تست پلاریزاسیون موردبررسی قرارگرفت
