بخشی از مقاله
تصفیه پساب هاي صنعتی با استفاده از پیل سوختی میکروبی و تولید برق با
استفاده از آن
چکیده
از آنجایی که جهان امروز ما به دنبال کشف روش هایی جهت تولید انرژي با استفاده از سوخت هاي تجدید پذیر ، مؤثر و با حداقل آلودگی است، مطالعات در زمینه پیل هاي سوختی در انواع مختلف آن، به عنوان معرفی یک تکنولوژي جدید شکل گرفت. اساس کار پیل هاي سوختی تبدیل انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی می باشد و از جمله کاربرد هاي برجسته آن بازیافت فاضلاب ها و پساب هاي صنعتی و در نتیجه تولید انرژي تمیز یا انرژي سبز می باشد. بنابراین امروزه تکنولوژي پیل هاي سوختی توانسته است مشکل هزینه هاي بسیار زیاد حاصل از تصفیه پساب ها را به خصوص در کشور هاي در حال توسعه، تا حد بسیار زیادي کاهش دهد. با توجه به اینکه پیل هاي سوختی در انواع مختلفی وجود دارند، در نتیجه میزان بازده در آن ها متفاوت است، اما با پیشرفت علم و تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده است، پارامترهاي مؤثر در افزایش بازده پیل هاي سوختی نیز شناخته شده است. در این مقاله هدف، استفاده از پیل هاي سوختی از نوع میکروبی بر پایه ي سوبستراي باکتري (بهترین میکرو ارگانیسمهاي مولد برق) براي تولید برق از فاضلاب ها و پساب ها می باشد. گروههایی از باکتري ها به دلیل داشتن ریبوفلاوین در ساختار خود و توانایی بالاي آنها در پاکسازي محیط و سم زدایی آلایندههاي زیست محیطی و موارد دیگر بسیار قابل توجه بوده اند. این پیل هاي سوختی میکروبی بر دو نوع باواسطه و بی واسطه می باشند و نحوه ي تولید برق در این دو، اندکی باهم متفاوت است. پیل هاي سوختی میکروبی در دستگاه هاي پزشکی، صنایع کشتی سازي، کشاورزي، موتورهاي احتراقی و...کاربرد دارند. بنابراین باتوجه به افزایش روزافزون دامنه ي کاربردهاي پیل هاي سوختی در سطح جهان نیاز بشر به سوخت هاي با حداقل هزینه و آلودگی و همچنین حداکثر طول عمر احساس می شود.
کلمات کلیدي: پیل سوختی میکروبی، پساب هاي صنعتی، تولید الکتریسیته، باکتري هاي مولد برق
-1 مقدمه
امروزه کشورهاي پیشرفته وتوسعه یافته، درصدد کشف روش هایی جهت استفاده بهینه از فاضلاب ها، پساب هاي صنعتی و به طورکلی تولید انرژي و به خصوص تولید الکتریسیته با صرف هزینه کمتر هستند6]،5،4،3،2،[1، یعنی به دنبال روشی براي
تبدیل سوخت هاي شیمیایی به انرژي الکتریکی هستند که این تلاش ها منجر به کشف یک تکنولوژي جدید به نام سلول هاي سوختی شد که کم کم با پیشرفت علم و فناوري پارامترهایی که در کارایی سلول هاي سوختی مؤثر بودند،کشف شد. [1]
-2 سیر تحولی و رشد
فصلی دیگر از تحقیقات پیل سوختی توسط فرانسیس بیکن١ از دانشگاه کمبریج انگلستان انجام شد.او در سال 1932 بر روي ماشین ساخته شده توسط لنجر،اصلاحات بسیاري انجام داد. این اصلاحات شامل جایگزینی کاتالیست گران قیمت پلاتین با نیکل و همچنین استفاده از هیدروکسید پتاسیم قلیایی به جاي اسیدسولفوریک به دلیل مزیت عدم خوردگی آن می باشد. این اختراع که اولین پیل سوختی قلیایی بود، سل بیکون٢ نامیده شد. او 27 سال تحقیقات خود را ادامه داد تا توانست یک پیل سوختی کامل و کارا ارائه نماید. بیکون در سال1959 پیل سوختی با توان 5 کیلو وات را تولید نمود که می توانست نیرو محرکه ي یک دستگاه جوشکاري را تأمین نماید.8]،[7
پیل-3 سوختی چیست؟
در واقع یک پیل الکتروشیمایی است،که باید از یک سوخت و یک اکسیدان در آن استفاده شود. به هیچ عنوان ذخیره انرژي در آن صورت نمی گیرد، در واقع تبدیل انرژي در این پیل صورت می گیرد که این تبدیل انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی خواهد بود. بنابراین پیل هاي سوختی را باید از باتري ها متمایز کرد، چرا که به هیچ عنوان ذخیره انرژي و شارژ دوباره صورت نمی گیرد و تنها تبدیل انرژي انجام می شود. جدول 1
-1-3 انواع پیل هاي سوختی:
• پیل سوختی الکتروگالوانیزه • پیل سوختی اسید فسفریک
• پیل سوختی قابل بازگشت • پیل سوختی کربنات ها
• پیل سوختی اسید فرمیک • پیل سوختی متانول
• پیل سوختی آلکالینی • پیل سوختی میکروبی
جدول :1 نشان دهنده عملیات چندین نوع پیل سوختی
-1-1-3 پیل سوختی میکروبی١ چیست؟
پیل سوختی مورد بررسی، از نوع میکروبی است پیلی است که در آن میکرو ارگانیسم ها ترکیباتی مثل گلوکز، استات یا آب زائد را اکسید می کنند. الکترون هایی که از این
اکسیدها حاصل می شوند در جهت الکترودي می روند که آند نامیده می شود. از آند الکترون ها از طریق یک مدار الکتریکی در جهت الکترود دوم یعنی کاتد پیش می روند، در کاتد الکترون ها در جهت یک پذیرنده الکترونیکی با اختلاف پتانسیل، در نتیجه فعالیت باکتري ها تولید می شوند. شکل [7] 1
شکل:1 نمونهاي از سلول سوختی میکروبی صفحه تخت
ساختار پیل سوختی میکروبی:
• محفظه آندي
• محفظه کاتدي
• غشاي تبادل پروتون( : (PEM دیواري پلاسمایی جهت انتقال الکترون ها بین الکترودها
• سوبسترا : بستري براي انجام واکنش هاي میکرو ارگانیسم ها و باکتري ها
هیدروژن آند پیل را تغذیه می کند و اکسیژن از طریق کاتد وارد پیل می شود. با کمک یک کاتالیست، هیدروژن به یک پروتون و یک الکترون شکافته می شود که هر کدام مسیر متفاوتی را به سوي کاتد طی می کنند. پروتون از طریق الکترولیت عبور می کند و الکترون جریان جداگانه اي را ایجاد می کند که می تواند قبل از رسیدن به کاتد مورد استفاده قرار گیرد، این الکترون ها براي تشکیل مولکول آب مورد نیاز می باشد.
براي یک سیستم پیل سوختی که شامل "بهینه ساز سوخت" است، می توان براي تأمین هیدروژن از سوخت هاي هیدروکربنی استفاده کرد، از گاز طبیعی گرفته تا متانول و بنزن و از آنجایی که اساس کار پیل سوختی واکنش شیمیایی است و نه احتراق، انتشار از این نوع سیستم حتی بسیار کمتر از تمیز ترین سیستم هاي احتراق است.
رایج ترین الکترودهاي مورد استفاده در پیل سوختی میکروبی: الکترودهاي گرافیتی هستند که هرچه سطح الکترود بزرگتر باشد، چگالی بار بیشتر خواهد شد، پس فضا براي میکرو ارگانیسم ها جهت انتقال الکترون ها بیشتر خواهد بود. در فضاي آندي، سوخت توسط میکرو ارگانیسم ها اکسید شده و الکترون ها و پروتون ها را تولید می کند، سپس الکترون ها و پروتون ها در فضاي کاتدي مورد استفاده قرار می گیرند و در ترکیب با اکسیژن، آب تشکیل می دهند. به طور کلی براي تولید یک جریان مفید لازم است که یک مدار کامل ایجاد شود و تنها نقل و انتقال الکترون به یک نقطه ي واحد صورت نگیرد.
جزییات فرآیند به این صورت است که واسطه و میکرو ارگانیسم، در محلولی شامل جزء مناسب مورد عمل، مانند گلوکز، با یکدیگر مخلوط می شوند. این مخلوط در یک محفظه عایق براي جلوگیري از ورود اکسیژن قرار داده شد و بنابراین میکرو ارگانیسم به استفاده از یک تنفس غیر هوازي میشود.[9]
-2-1-3 انواع پیل هاي سوختی میکروبی
●پیل سوختی با واسطه:1 این پیل ها به صورت الکتروشیمیایی غیرفعال هستند. انتقال الکترون از پیل هاي میکروبی به الکترود توسط واسطه هایی چون تیونین، متیل بلو، اسیدآبدار، قرمز خنثی و غیره صورت می گیرد. 6]،12،11،[10
●پیل سوختی بی واسطه:2 این نوع پیل نخستین بار در مؤسسه علوم و تکنولوژي کشور کره ساخته شد.این نوع پیل نیازي به واسطه ندارد و تنها از باکتري هاي فعال الکتروشیمیایی براي انتقال الکترون ها به الکترودها استفاده می کنند. 6]،12،11،[10
سلول سوختی میکروبی بدون غشا: 3
در برخی از سلول هاي سوختی میکروبی بی واسطه، یک غشاء پروتئینی آند و کاتد را از هم جدا می کند که در واقع به مانند یک الکترولیت نقش جداکننده الکتریکی را ایفا می کند و در نتیجه به پروتئین ها اجازه ي عبور می دهد ولی استفاده از این غشاها در سلول هاي سوختی میکروبی، باعث محدود کردن دامنه عملکرد این سلول ها در صنعت تصفیه آب و پساب ها می شود. به طور مثال، پروتون انتقال دهنده در میان این غشاها و مخصوصا به همراه رسوباتی که از سوسپانسیون برخی جامدات حاصل می شوند و همچنین برخی ترکیبات قابل حل، به عنوان یک عامل محدود کننده در پروسه ي تصفیه آب به حساب می آیند، از طرف دیگر این غشاها گران هستند، و همچنین به دلیل پایین بودن چگالی آنها بیشتر در سطح آزمایشگاهی کاربرد دارند. ولی با اتصال چندین سلول سوختی به یکدیگر میتوان دانسیته و همچنین میزان ولتاژ تولیدي را افزایش داد، بنابراین در خواست براي این سلول ها تقریبا کم شده است. البته با تغییر پارامترهایی که در این سیستم وجود دارد، می توان تا حدي کارایی سیستم را بالا برد.[12]
-3-1-3 شکل هاي مختلف سلول هاي سوختی میکروبی
سلول هاي سوختی میکروبی شکل هاي متفاوتی دارند که رایج ترین شکل آن ها، سلول هاي سوختی میکروبی دو محفظه اي می باشند شکل 2، که از یک محفظه کاتدي و یک محفظه آندي ، تشکیل شده اند و توسط یک غشاي تعویض کاتیونی از هم جدا می شوند، ولی اخیرا سلول هاي سوختی میکروبی تک محفظه اي شکل 2، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند،1 زیرا این شکل از سلول ها، نیازي به محفظه ي کاتدي ندارد و در نتیجه، الکترود کاتد در ارتباط مستقیم با هواست. لازم به ذکر
است که در سلول هاي سوختی میکروبی تک محفظه اي، بازده سیستم بسیار بالاتر از سلول هاي سوختی میکروبی دو محفظه اي است، زیرا نیازي به وارد کردن هواي مصنوعی (مانند آنچه در دو محفظه اي ها اتفاق می افتد) نیست، در نتیجه مقاومت داخلی سیستم تا حد زیادي کاهش پیدا می کند.19
شکل :2 نمونههایی از انواع و ساختارهاي سلول هاي سوختی میکروبی [13]
:B ,A سلول سوختی میکروبی تک محفظهاي
:C ,D سلول سوختی میکروبی دو محفظهاي
-4 انتخاب بهترین میکرو ارگانیسم در تکنولوژي MFC
کوچک ترین شکل حیات موجود در دنیا، توانسته بزرگترین مشکل امروز بشر را حل کند. این موجودات کوچک(میکروارگانیسم ها) قادر به تولید انرژي قابل نگهداري وتجدید پذیر هستند. سالهاست که دانشمندان مشغول مطالعه باکتریهایی هستند که می توانند ضایعات سمی را ببلعند و بدین ترتیب محیط را از آنها پاك کنند، باکتري هاي دیگري هم براي تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند. این باکتریها عبارتند از: دي سولفوروموناس ها، ژئوباکترها، شوآنلا، آئروموناس ها و... شکل 3، که این باکتریها می توانند به طور مستمر میزانی از برق را تولید کنند که براي راه اندازي وسایل الکترونی کوچک کافی است. تا زمانی که به این باکتري سوخت (مواد آلاینده) برسد، می توانند به صورت 24 ساعته برق تولید کنند. 16].،15،[14
