بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش، از پساب شکلات سازی با COD ، 1400 mg/L برای اولین بار به عنوان سوبسترا و از مخلوط لجن بی هوازی به عنوان میکروارگانیسم استفاده شد.کربن پارچه ای و توری استیل ضدزنگ با مش 400 به ترتیب به عنوان کاتد و آند انتخاب شدند و از کربن پلاتین %40 به عنوان کاتالیست استفاده شد. کاتد توسط مخلوطی از محلول نفیون %5 و کربن پلاتین %40 پوشش داده شد. بیشینه ولتاژ سیستم در حالت مدار باز 742 mV و ماکزیمم دانسیته توان و جریان به ترتیب 7.98W/m3 و 2.68 mA به دست آمد.
.1 مقدمه
حرکت در حال ظهور به سمت جامعه ای پایدارتر و مصرف بالای انرژی در کنار جامعه امروز ما نیاز برای منابع پایدار انرژی را با روندی ثابت افزایش میدهد. تهدیدات مربوط به اتمام قریب الوقوع سوخت های فسیلی و روند سریع و بدون توقف گرمایش زمین، پیشرفت و توسعه ی سریع استفاده از تکنولوژی های انرژی تجدید پذیر را توجیح و ناگزیر میکند و از آنجا که منابع سوخت های فسیلی محدود بوده و منشاء آلودگی های عمده زیست محیطی میباشند، یافتن انرژی سبز با هزینه کمتر و بدون آلاینده های مضر گامی موثر و اساسی در توسعه فناوری و تولید صنعتی و در نتیجه بالا بردن سطح زندگی انسان در جوامع خواهد بود. از این رو استفاده از زیست توده به خصوص پسماند های آلی، هم سازگار با محیط زیست و هم یک منبع انرژی تجدید پذیر است و به عنوان یک گزینه ارزشمند در نظر گرفته میشوند .[2 ,1] چندین مسیر برای تبدیل زیست توده به انرژی زیستی وجود دارد، تکنولوژی مبتنی بر هضم بی هوازی متان که در طول دهه هفتاد پدید آمده است، در حال حاضر به خوبی جا افتاده است. به علاوه تخمیر اتانول و تخمیر هیدروژن رویکرد های دیگری برای تبدیل زیست توده به انرژی زیستی هستند. اخراًی فناوری پیل سوختی میکروبی به عنوان یک تکنولوژی زیستی جدید برای دریافت انرژی از زیست توده توسعه یافته است و پژوهش ها برای تولید انرژی الکتریکی پاک از بسترهای طبیعی مانند کربوهیدرات توجه زیادی را به خود جلب کرده است .[3]
پیل سوختی میکروبی یک تکنیک تولید انرژی زیستی تجدید پذیر در حال ظهور است که در آن جریان الکتریکی از پساب های آلی به کمک باکتری ها تولید میشودو به صورت همزمان تصفیه بیولوژیکی، حذف آلاینده های آلی و کاهش اکسیژن خواهی شیمیایی COD از پساب و پسماند صنایع غذایی و نفتی که دارای مقادیر بسیار زیادی هیدروکربن هستند صورت میگیرد .[4] باکتری های الکتروژنیک - باکتری هایی که در یک بافت زنده فعالیت الکتریکی دارند - ، که بر سطح آند رشد میکنند مواد آلی موجود در محفظه آندی را کاهش میدهند که در نتیجه این اکسیداسیون الکترون و پروتون آزاد میشود، پروتون ها از طریق غشای تبادل پروتون به محفظه کاتدی انتقال مییابند و در واکنش با اکسیژن به بخار آب تبدیل میشوند و الکترون های تولیدی از طریق مدار خارجی به سمت کاتد حرکت میکنند تا در حضور اکسیژن کاهش یابند. حضور اکسیژن در محفظه آندی مانع از تولید الکترون میشود، از این رو دستگاه باید به گونه ای طراحی شود که شرایط بی هوازی را در محفظه آندی فراهم نماید .[5]
باکتریها قادر به تولید جریان الکتریسیته از فاضلاب خانگی [6]، پساب صنایع غذایی مانند شکلات سازی [7]، صنایع لبنی و صنایع شیرینی پزی [10-8]، رسوبات دریایی [11]، فضولات حیوانات [12] و لجن فاضلاب بی هوازی [13] میباشند. در واقع هر ماده آلی زیست تخریب پذیری از جمله کربوهیدرات مانند قند، نشاسته، اسیدهای چرب، آمینو اسیدها، پروتئین ها، استات، لاکتات، بوتیرات، اتانول و مواد آلی موجود در فاضلاب حیوانی و حتی انسانی میتواند مورد استفاده قرار گیرد. عوامل متعددی بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تاثیرگذارند از جمله مایه تلقیح، نرخ هضم سوبسترای شیمیایی، نرخ انتقال الکترون از باکتریها به آند، نوع مواد مبادله کننده پروتون، انتقال جرم پروتون در مایع، مقاومت داخلی و خارجی پیل، قدرت یونی محلول، جنس و فاصله الکترودها .[2, 14, 15] به منظور کاهش مقاومت درونی، بهینه سازی ساختار یا معماری یک پیل سوختی میکروبی به عنوان پارامتری که میتواند بیشترین احتمال را در افزایش توان خروجی سل داشته باشد، در نظر گرفته میشود. بیشتر پیل های سوختی میکروبی به منظور بهبود شرایط رشد باکتری ها در pH خنثی عمل می کنند. غلظت پایین پروتون در این pH موجب میشودکه پیل های میکروبی در مقایسه با سلول های سوختی شیمیایی که از اسید یا الکترولیت های قلیایی استفاده میکنند، مقاومت درونی نسبتا بالاتری داشته باشند. برای کاهش مقاومت درونی، بدون تغییر pH محلول 2 راه وجود دارد. یکی از آنها افزایش رسانایی محلول با افزایش قدرت یونی، و دیگری کاهش فاصله بین الکترود هاست .[16] عملکرد پیل همچنین میتواند بوسیله ی دما تحت تاثیر قرار گیرد، بدین صورت که دما بروی سینتیک باکتریایی تاثیر مستقیم دارد، بعلاوه این عملکرد بوسیله ی نرخ واکنش اکسیژن که بوسیله ی پلاتین بر روی کاتد کاتالیز میشودو همچنین نرخ انتقال پروتون به مایع، تحت تاثیر قرار میگیرد.
مطالعات پیل های سوختی معمولا به صورت نرمال در دمای 30-37 درجه سانتی گراد انجام میشود، در حالت کلی واکنش های باکتریایی میتوانند در محدوده دمایی متفاوت انجام شوند که بستگی به دوام باکتری دارد.این محدوده شامل دمای ملایم یا دمای سطح اتاق - 15-30 - درجه سانتی گراد تا دماهای بالا - 50-60 - درجه سانتی گراد که توسط گرما دوست ها تحمل میشودو یا دماهای کمتر از 15 درجه سانتی گراد که سرما دوست ها میتوانند رشد کنند. جنس الکترود کاتد و همچنین روش های ساخت آن نیز میتواند بر عملکرد پیل موثر باشد. بیشتر الکترودهای استفاده شده در پیل های سوختی میکروبی از مواد ساخته شده بر پایه کربن هستند. موادی که اغلب به عنوان الکترود کاتد یا آند استفاده میشوند عبارتند از : کربن نمدی [17]، کربن پارچه ای [18]، کربن کاغذی [19]، گرانول گرافیت [20]، برس گرافیتی، میله گرافیت [21]، فیبر گرافیت [22]، کربن فعال گرانول [23]، فوم گرافیت .[24 , 25]
2. مواد و روش ها
2.1 طراحی و ساخت پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای
2.1.1 ساخت بدنه و درپوش بالا و پایین
برای ساخت پیل سوختی میکروبی از صفحات شفاف پلکسی گلاس به ضخامت 3 سانتی متر برای ساخت بدنه پیل سوختی میکروبی استفاده شد. روی صفحه پلکسی گلاس به ضخامت 3 سانتی متر به کمک دستگاه لیزر و دستگاه cnc با آب، دایره ای به قطر 9 سانتی متر جدا میکنیم، سپس درون آن مطابق شکل 1، دایره دیگری به قطر 7/1 سانتی متر به کمک دستگاه لیزر جدا میکنیم که در واقع محفظه اصلی پیل میکروبی را شامل میشود. حد فاصل جداره داخلی و خارجی چهار سوراخ به قطر 5 میلیمتر ایجاد میکنیم که محل قرار گیری پیچ ها میباشد.
شکل -1 طرح سه بعدی و دو بعدی بدنه پیل سوختی میکروبی
درپوش های بالا و پایین پیل سوختی، دو قسمت دیگر از بدنه پیل را شامل میشوند که بر روی صفحه شفاف پلکسی گلاس به ضخامت 3 میلی متر برش دادیم و جهت اتصال آنها به یکدیگر و به بدنه اصلی، چهار سوراخ به قطر 5 میلی متر ایجاد کردیم که آنها را به هم پیچ میکنیم. لازم به ذکر است دایره مرکزی محل عبور هوا میباشد - شکل . - 2
شکل -2 شکل درپوش بالا پیل سوختی میکروبی
2.1.2 طراحی و ساخت نگه دارنده کاتد
بر روی صفحه پلکسی گلاس به ضخامت 3 میلیمتر، دایره ای به قطر خارجی 3/4 سانتی متر و قطر داخلی 2/1 سانتی متر جدا میکنیم. چهار پایه مستطیل شکل هر کدام به ارتفاع 3 سانتی متر و با سطح مقطع 6 میلیمتر مربع که روی هر کدام 3 سوراخ جهت عبور سیم مسی تعبیه شده
