بخشی از مقاله
چکیده _
در سالهای اخیر محافل علمی و صنعتی توجه شایانی به فناوری پیل سوختی میکروبی به دلیل پتانسیل بالا در تصفیه فاضلابهای مختلف و تولید همزمان انرژی، داشته است. میزان توان خروجی پیل سوختی میکروبی به دلیل سرعت آهسته واکنش کاهش اکسیژن و فرآیند انتقال الکترونی به ترتیب در کاتد و آند با محدودیتهای رو به رو است. در این تحقیق، کاتالیزورهای اکسید پروسکایتی لانتانیوم برای اولین بار به عنوان کاتالیزورهای کاتدی در پیل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گرفته است. دانسیته توان پیل سوختی میکروبی در این شرایط دو برابر بیشتر از الکترود پارچه کربنی و تنها 5,21 درصد کمتر نسبت به کاتالیزور پلاتین بوده است.
نانوکامپوزیت اکسید نیکل/ نانولوله کربنی/ پلی آنیلین نیز به عنوان کاتالیزور آند سنتز و مورد ارزیابی قرار گرفته است. پیل سوختی میکروبی مکعبی با استفاده از این کاتالیزورها 61,88 درصد دانسیته توان بیشتری نسبت به حالت بدون کاتالیزور، داشته است. این افزایش قابل ملاحظه توان ناشی از افزایش خاصیت الکتروکاتالیستی آند در فرآیند انتقال الکترونی بوده که به وسیله آنالیزهای الکتروشیمیایی مورد تایید قرار گرفته است.
مقدمه
پیل سوختی میکروبی به دلیل کاربرد دوگانه در زمینه تصفیه و همچنین تولید انرژی پاک بسیار مورد توجه پژوهشگران دنیا به خصوص در دهههای اخیر بوده است. این فناوری را میتوان از نظر تولید انرژی از فاضلاب، از دسته انرژیهای تجدیدپذیر و از طرف دیگر از نظر تصفیه آلایندههای مختلف، در میان روشهای حذف آلایندههای زیست محیطی به حساب آورد
میزان اندک تولید انرژی در این فناوری یکی از چالشهای مهم پیش روی پژوهشگران به حساب میآید که امروزه تحقیقات گستردهای در این زمینه در حال انجام است. البته همین میزان حداقل تولید انرژی پاک به همراه صرفه جویی در مصرف انرژی که در این فناوری انجام میپذیرد، توجه شایان دنیای امروز را که با چالشهای بزرگ گرم شدن زمین ناشی از مصرف سوخت¬های فسیلی روبرو است، به همراه داشته است. از طرف دیگر توانایی حذف انواع متنوعی از آلایندهها - 2 - ، سازگاری با شرایط دمای محیط و حتی پایینتر، و تولید لجن فعال اندک در این روش تصفیه سبب گردیده است تا این فناوری به عنوان یک روش دوستدار محیط زیست جایگاه ارزشمندی داشته باشد.همچنین پیل سوختی میکروبی علاوه بر تولید الکتریسیته و تصفیه فاضلاب، کاربردهای متنوع و شگفتانگیز دیگری نیز دارد
اجزا تشکیل دهنده یک پیل سوختی میکروبی آند، کاتد و در صورت وجود غشا تبادل پروتونی است. در مخزن آندی میکروارگانیسمها به صورت بیهوازی موجب اکسیداسیون ترکیبات سوخت میگردند که در اثر این فرآیند الکترون و پروتون و دیاکسید کربن تولید میگردد. الکترون تولید شده از طریق الکترود آند به سمت مدار خارجی هدایت میگردد و پس از آن به الکترود کاتد میرسد که در این بین الکترونهای منتقل شده از طریق مدار خارجی منشا تولید نیروی الکتریسیته خواهند بود. از طرف دیگر پروتون تولید شده در فرآیند اکسیداسیون سوخت توسط میکرو ارگانیسمها در مخزن آندی از طریق غشا تبادل پروتونی به سمت مخزن کاتدی نفوذ میکند - جهت تعادل بار در سیستم - . در مخزن کاتدی نیز پذیرنده الکترون - معمولا اکسیژن - به وسیله الکترونهای منتقل شده از مدار و پروتونهای نفوذی از طریق غشا کاهیده شده و تولید آب مینماید.
شکل :1 نمای کلی از ساز و کار یک پیل سوختی میکروبی که از استات به عنوان رشدمایه در آن استفاده شده است.
نمای طرح واره یک پیل سوختی میکروبی به همراه نحوه کارکرد آن در شکل 1 نمایش داده شده است. به بیان دیگر میتوان فرآیند تولید انرژی در پیل سوختی میکروبی را در یک واکنش کلی اکسایش-کاهش خلاصه نمود. در این واکنش اکسایش-کاهش، گونه شیمیایی کاهنده منبع کربنی - سوخت - است که توسط میکروارگانیسمها اکسید شده و در حین این فرآیند الکترون تولید مینماید.
بر طبق قانون بقای بار، الکترونهای تولید شده باید توسط یک پذیرنده دریافت شوند. پذیرنده الکترونی - Ox2 - الکترونهای تولید شده از واکنش اکسیداسیون - 1 - را دریافت کرده و خود کاهیده میگردد.
مواد انتخاب شده برای الکترودهای پیل سوختی میکروبی به طور قابل توجهی در دانسیته توان و کارایی کولومبی آن موثر است. موادی که به عنوان الکترود قابلیت کاربرد در پیل سوختی میکروبی را دارند باید ویژگیهایی نظیر مساحت سطح و میزان تخلخل بالا، عدم گرفتگی و مسمومیت، هدایت الکتریکی بالا، زیست سازگارپذیری، پایداری، دوام، قیمت مناسب و در دسترس بودن را دارا باشند . به تازگی، اصلاح الکترودی به وسیله نانو ذرات در پیلهای سوختی میکروبی به طور گستردهای مورد توجه قرار گرفته است. نانو ذرات به سبب افزایش مساحت سطح الکترود تاثیر به سزایی بر کارایی پیل سوختی میکروبی دارند
یکی از مهمترین فاکتورهای محدود کننده دانسیته توان در پیل سوختی میکروبی سرعت کم واکنش کاهش اکسیژن و محدودیتهای سینتیکی آن است. از این روی در غالب موارد از کاتالیزور پلاتین در جهت افزایش سرعت واکنش کاهش اکسیژن استفاده گردیده است. از آنجا که پلاتین فلز گرانقیمتی است به خصوص در مقیاسهای صنعتی امکان استفاده از این کاتالیزور وجود ندارد و امروزه محققان به دنبال یافتن جایگزینی مناسب برای آن هستند. خانواده اکسیدهای پروسکایتی بر پایه لانتانیوم دستهای از کاتالیزورها هستند که به عنوان کاتالیستای ارزان قیمت برای واکنش های اکسایش اکسیژن با توانایی انتقال سریع بار شناخته شدهاند . - 8 - به همین دلیل در این تحقیق از این دسته از کاتالیزورها به عنوان کاتالیست کاتدی استفاده شده است. کاتالیزور پروسکایتی سنتز شده و پس از پوششدهی کاتد پارچه کربنی با این کاتالیزور، خاصیت الکتروکاتالیستی آن در پیل سوختی میکروبی مکعبی مورد بررسی قرار گرفته است.
از طرف دیگر، سهولت در انتقال الکترون از زنجیره تنفسی میکروارگانیسم به الکترود آند یکی از عوامل بسیار مهم در تولید دانسیته توان بیشتر در پیل سوختی میکروبی میباشد. از این روی یافتن کاتالیزوری برای آند که توانایی آن را در دریافت الکترون افزایش دهد و توانایی تحمل تجمع میکروبی آنرا بالا ببرد، یکی از مبحثهای چالش برانگیز در این زمینه است. در این میان روشهای اصلاح آندی متفاوتی که تا به حال انجام پذیرفته است، استفاده از کاتالیزور های نانوکامپوزیتی به خصوص نانوکامپوزیتهای حاوی پلیمرهای هادی و نانولوله کربنی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق از کاتالیزور نانوکامپوزیتی استفاده شده که حاوی پلی آنیلین به عنوان پلیمر هادی به منظور ایجاد اتصال بهتر میکروارگانیسم با آند، نانولوله کربنی به جهت افزایش مساحت سطح و افزایش هدایت الکتریکی و اکسید نیکل به عنوان واسط الکترونی بوده است.
روش تحقیق
پیل سوختی میکروبی
پیل به صورت تحقیقاتی و دومخزنی طراحی شده است. ابعاد این پیل 10 ×6 سانتی متر مربع و حجم کلی مخازن آندی و کاتدی 500 میلی لیتر و حجم قابل استفاده آن 400 میلی لیتر میباشد. در طراحی این پیل سعی شده است که اتصالات آن به نحوی باشد که برای استفاده مجدد و شستشوی آن نیازی به باز نمودن تمامی صفحات از یکدیگر نباشد، که این امر به طور قابل ملاحظه ای از نشتی آن در حین راه اندازی جلوگیری نموده است. همچنین برای جلوگیری از خوردگی سیمها محافظی برای آنها تعبیه شده است.
از آن جایی که این پیل به منظور مطالعه برای بهینه سازی الکترودها در نظر گرفته شده است، در این طراحی سعی بر آن بوده است که اندازه الکترودها برای صرفه جویی در هزینههای پوشش دهی تا حد امکان کوچک در نظر گرفته شود. مساحت سطح الکترودها در این پیل 32 سانتی متر مربع طراحی شده است. مساحت سطح غشا بکار رفته نیز 60 سانتی متر مربع بوده است.
همچنین به منظور استفاده از این پیل در سیستم نیمه پیوسته شیرهایی برای هر دو مخزن آندی و کاتدی تعبیه شده است که شیرهای مخزن کاتدی به منظور تزریق بافر و خروج آب و شیرهای آند به منظور تزریق محیط کشت و مواد مورد نیاز میکروارگانیسم، ورودی فاضلاب و خروجی قرار داده شدهاند. در این سیستم در حالت بسته و نیمه پیوسته از فاضلاب شهری شرکت فاضلاب تهران به عنوان آنولیت استفاده شده که به وسیله یک پمپ پریستالتیک - E7401 QCM - با دبی 10 میلی لیتر بر دقیقه مخزن 2 به مخزن 1 پمپ شده و از مخزن 1 با همان دبی به مخزن آندی پیل وارد گردیده است. پس از آن مجدد از پیل به سیکل بازگردیده است.
سنتز کاتالیزورها
برای سنتز این کاتالیزورها از روش سل ژل و از نمکهای نیترات لانتانیوم شش آبه و نیترات منگنز چهار آبه مطابق با نسبت استوکیومتری استفاده شده است
برای سنتز کاتالیزورهای نانوکامپوزیتی اکسید نیکل/نانولوله کربنی/پلی آنیلین - NCP - از دو فرآیند پلیمریزاسیون شیمیایی و رسوب گیری استفاده شده است. نانوکامپوزیت NPC با ترکیب 20% از نانولوله کربنی، 30% از پلی آنیلین و 50% از اکسید نیکل تهیه شده است
تهیه الکترود اصلاح شده
آند و کاتد از جنس پارچه کربنی در نظر گرفته شده است. میزان پوشش دهی سطح الکترودها، 0,5 میلی گرم کاتالیزور به ازای هر سانتی متر مربع پارچه کربنی است. برای این کار مقدار لازم از پودر کاتالیزور سنتز شده با 20 میکرولیتر محلول نفیون 1 درصد وزنی - به عنوان پیوند دهنده - و 53,18 میکرولیتر ایزوپروپانول خالص با هم مخلوط شده و به همراه 8-6 دانه شیشه ای به مدت یک دقیقه و برای چندین بار متوالی در دستگاه - Velp RX3 - ورتکس شده است. سپس مخلوط خمیری شکلی به دست آمده روی سطح الکترود پارچه کربنی پوشش داده شده و به مدت یک شب در هوای آزاد خشک شده است.
یافته ها و تحلیل نتایج
.1,3 تعیین خصوصیات ساختاری کاتالیزورهای سنتز شده
کاتالیزور LaMnO3 تهیه گردیده و ساختار کریستالی آن به کمک آنالیز XRD بررسی شده است. به منظور سهولت در بحث، کاتالیزورهای تهیه شده با نامهای آورده شده است. در طیف XRD - شکل - 2 چند پیک اصلی در ناحیه 2های 22,818، 32,473، 40,089، 46,721، 58,147، 68,288 و 77,651 درجه مشاهده شده است که نمایانگر ساختار مکعبی کاتالیزور پروسکایتی LM میباشد.
