بخشی از مقاله
چکیده:
غشاهای سرامیکی به دلیل استحکام و پایداری فیزیکی و شیمیایی زیاد ، ارزان بودن، در دسترس بودن و همچنین قابلیت تبادل پروتون بسیارخوب گزینه مناسبی برای جایگزینی غشاهای گران قیمت پلیمری در پیل های سوختی میکروبی، به خصوص برای مقیاس های بزرگ و صنعتی، هستند. در این تحقیق از یک سرامیک صنعتی بدون لعاب دیواره به عنوان غشای تبادل پروتون در پیل سوختی میکروبی صفحهای با جریان پیوسته استفاده شد. پیل سوختی استفاده شده دارای دو محفظه جداگانه آندی و کاتدی بوده که توسط غشای سرامیکی از هم جدا شدند.
هر دو الکترود آند و کاتد از جنس پارچه کربنی بوده و از استیل ضد زنگ به عنوان جمع کننده جریان آندی و کاتد استفاده شد. حداکثر میزان ولتاژ مدار باز و جریان تولید شده در مقاومت خارجی 100 اهم به ترتیب برابر با 687±23 mV و 191±27 mA بوده است. در آزمون پلاریزاسیون حداکثر دانسیته توان الکتریسیته تولیدی برابر با 62.57±9.16 mW/m2 و حداکثر دانسیته جریان برابر با 406.25±17.12 mA/m2 بدست آمد. میزان بازده کولومبیک برابر با 14.5±0.11 درصد و میزان حذف COD و BOD به ترتیب برابر با 88.58 و 87.96 درصد بدست آمد.
-1 مقدمه:
همگام با توسعه و پیشرفت های صنعتی جامعه امروزی، نیاز روز افزون به منابعآّب قابل شرب و همچنین انرژی های نو قابل جایگزین انرژی های فسیلی بیش از پیش احساس می شود. پیل های سوختی میکروبی با امکان تولید برق و تصفیه همزمان فاضلاب بهترین راهکار را برای مشکلات زیست محیطی فراهم می کنند .
به طور معمول، پیل های سوختی میکروبی از دو محفظه جداگانه برای آند و کاتد تشکیل می شوند که توسط غشاء تبادل یونی از هم جدا شده اند. در محفظه آندی مواد آلی موجود در فاضلاب توسط باکتری های بی هوازی الکتروژنیک موجود در فاضلاب تجزیه شده و دی اکسید کربن، آب، الکترون و پروتون تولید می شود.
پروتون H+ تولید شده از طریق غشاء تبادل یونی به سمت محفظه کاتدی مهاجرت می کند و در آنجا با اکسیژن یا الکترون گیرنده های دیگر موجود در محفظه کاتدی واکنش می دهد. از سوی دیگر، الکترون تولید شده در آند از طریق مدار الکتریکی خارجی به سمت الکترود کاتد حرکت کرده و در واکنش کاتدی مورد استفاده قرار می گیرد.
نوع دیگر از پیل های سوختی میکروبی پیل های تک محفظه ای1 هستند که به جای استفاده از الکترولیت در محفظه کاتدی به طور مستقیم از اکسیژن موجود در هوا به عنوان الکترون گیرنده استفاده می کنند.[4] این نوع از پیل ها بدلیل حذف محفظه کاتدی و عدم نیاز به هوادهی در سال های اخیر مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند. شکل-1 به طور خلاصه نحوه عملکرد پیل های سوختی میکروبی را نشان می دهد.
شکل -1 نحوه عملکرد پیل های سوختی میکروبی، - الف - پیل سوختی دو محفظه ای - بالا - ، - ب - پیل سوختی تک محفظه ای - پایین -
با وجود مزایای بسیار پیل های سوختی میکروبی، استفاده از این تکنولوژی بدلیل وجود مشکلاتی از قبیل پایین بودن دانسیته انرژی تولیدی، هزینه بالای مواد اولیه و... هنوز به مرحله تجاری سازی نرسیده است. در این میان هزینه غشاهای تبادل پروتون بخش زیادی از هزینه ساخت پیل های سوختی میکروبی را به خود اختصاص می دهد.
تلاش های زیادی در راستای جایگزین نمودن غشاهای تبادل یونی صورت گرفته است. استفاده از غشاهای متخلل ارزان قیمت که پروتون را با توجه به میزان حفرات موجود در ساختارشان ، و نه بر اساس نوع یون، انتقال می دهند نتایج امیدوارکننده ای را در پی داشته است.[6 ,5] به عنوان نمونه می توان به پشم شیشه، پارچه های متخلخل [5] و سرامیک ها [8 , 7] اشاره نمود.
در تحقیق پیشین که توسط همین گروه صورت گرفت ترکیبی از لایه های پشم شیشه، پارچه نم گیر و پارچه نایلونی به عنوان غشای تبادل یونی مورد استفاده قرار گرفت که توان و ولتاژ الکتریکی قابل قبولی با استفاده از این مواد ارزان قیمت به عنوان غشای تبادل پروتون پیل سوختی میکروبی بدست آمد .
هرچند پارچه های متخلخل و الیاف نبافته مزایای بسیاری دارند اما بکارگیری این مواد به عنوان غشای تبادل پروتون در مقیاس صنعتی، به عنوان مثال جهت تصفیه خانه فاضلاب شهری، به دلیل فشار های هیدرولیک بالا و امکان پاره شدن آنها و نیز گرفتگی غشا در اثر تجمع زیست توده2 ، استفاده از این مواد را در مقیاس های صنعتی محدود می نماید. ویژگی های منحصر به فرد سرامیک ها از جمله ارزان و در دسترس بودن، استحکام مکانیکی عالی، مقاومت شیمیایی در برابر محیط های اسیدی و بازی قوی، تطابق پذیری با سیستم های بیولوژیک میباشد.
