مقاله تصفیه ی دو مرحله ای پساب شهری ( خانگی ) در پیل سوختی میکروبی

بخشی از مقاله

چکیده:

در این پژوهش به کارایی نوعی از پیل سوختی به نام پیل سوختی میکروبی در تصفیه پساب پرداخته شده و امکان سنجی تصفیه دو مرحله اي پساب شهري - خانگی - به صورت متوالی در بخش کاتدي و آندي پیل سوختی و بهبود ساختار و اجزاي پیل در جهت افزایش توان تولیدي پیل مورد بررسی قرار گرفته است. اساس کار در این پژوهش بر پایه ي کارکرد پیل سوختی باکتریایی بوده و در آن هندسه پیل و انتخاب جنس و اجزاي پیل مورد بحث قرار گرفته است. در این طرح پس از کشت میکروبی و تلقیح به محفظه ي پیل همراه با لجن فعال تهیه شده از یک تصفیه خانه، طی دوران سازگارسازي، بیوفیلم مورد نظر از باکتري ها بر روي گرانول هاي بکار رفته در پیل تشکیل شد. در مدت انجام این آزمایش ولتاژ حاصله از پیل رصد شده و میزان حذف COD بیش از %50 بدست آمده است. همچنین نتیجه آنالیز ولتاژ – جریان1 در تعیین مقاومت پیل، منحنی پلاریزاسیون، چگالی توان و میزان حذف آلاینده هایی چون فسفات نیز از جمله نتایج بدست آمده می باشند.

واژه هاي کلیدي: پیل سوختی میکروبی، تصفیه پساب، انرژي الکتریکی زیستی، توان

مقدمه

در سالهاي اخیر سوختهاي فسیلی نیازهاي صنعتی و اقتصادي مردم کرهي زمین را برطرف میساخت. ولی آنطور که مشخص است در حال حاضر سوختهاي فسیلی چه براي نسل حاضر و چه براي نسل آینده پاسخگو نمیباشند. با افزایش جمعیت و پیشرفت تکنولوژي نیاز به انرژي به صورت نمایی رو به افزایش است حال آن که منابع سوختهاي فسیلی یکی پس از دیگري رو به اتمام میباشد. علاوه بر این، استفادهي بیش از حد از سوختهاي فسیلی تأثیرات جدي بر محیط زیست به دلیل انتشار شدید گاز دي اکسید کربن گذاشته است. به همین دلیل تأمین انرژي پاك، تجدیدپذیر و بیخطر از مهمترین چالشهاي مورد بررسی پژوهشگران و محققان در قرن 21ام میباشد.

پیل هاي سوختی ابزاري براي استفاده از انرژي شیمیایی موجود در مواد و تبدیل آن به انرژي الکتریسته می باشند. پیل هاي سوختی شامل دسته بندي ها و انواع گوناگونی می باشند، اما در حالت کلی از سه جزء اصلی تشکیل شده اند: الکترود آند، الکترود کاتد و الکترولیت.طبقه بندي رایج پیلهاي سوختی بر اساس نوع الکترولیت آنها می باشد که عبارتست از:

•پیل سوختی پلیمري - - PEMFC

•پیل سوختی قلیایی - - AFC

•پیل سوختی اسید فسفریک - PAFC -

•پیل سوختی کربنات مذاب - MCFC -

•پیل سوختی اکسید جامد - - SOFC

•پیل سوختی متانولی - - DMFC

•پیل سوختی میکروبی - - MFC

پیل سوختی مورد بحث در این مقاله از نوع پیل میکروبی بوده و استفاده از این نوع پیل در تصفیه ي دو مرحله اي پساب مورد بررسی قرار می گیرد. پیل میکروبی امکان تولید انرژي الکتریسیته را از ضایعات آلی و منابع بیومس تجدید پذیر ایجاد میکند .پیل هاي میکروبی همزمان با استفاده از منبع آلی میتواند عمل تصفیه را با کاهش مقدار ماده آلی به مقدار مناسبی انجام دهد.به بیان دیگر، حتی گاهی در پیل هاي میکروبی، کاربرد تصفیه ي محیط زیستی سیستم از تأمین انرژي اهمیت بیش تري پیدا میکند.

توانایی میکروب هاي مورد استفاده در پیل هاي میکروبی براي استفاده در تجزیه رنج عظیمی از مواد آلی و آلودگی هاي محیط زیستی باعث شده است که استفاده از پیل هاي میکروبی به منظور استفاده در تصفیه ي زیستی بسیار با ارزش تر از مقدار محدود انرژي که تولید میکنند باشد.این مقاله به رویکرد جدیدي در ساختار پیل سوختی میکروبی می پردازد. در این رویکرد از خروجی آند براي خوراك ورودي کاتد استفاده می گردد. که در واقع به این ترتیب تصفیه ي دو مرحله اي پساب در این سیستم صورت می پذیرد.

ساختار و هندسه پیل

پیل سوختی مورد بحث از نوع دو محفظهاي بوده و با ورقهایی از جنس پلکسی گلس شفاف ساخته شده است. ابعاد پیل - 10cm×10cm×3cm - براي هر کدام از محفظه هاي کاتد و آند بوده که توسط یک غشا تبادل کاتیونی از جنس نفیون به یکدیگر متصل شده اند. مساحت فعال غشاء در پیل مکعبی 100cm2 است.در این پیل سوختی از گرانولهاي گرافیتی به عنوان الکترود ، در محفظهي آندي ، استفاده شد. در این پیل، گرافیتهاي میلهاي2به عنوان جمع کنندهي جریان در هر دو محفظه کار گذاشته شد. الکترونهاي آزاد شده در محفظهي آند از طریق سیم مسی به مدار خارجی منتقل میشوند.

شرایط راه اندازي

در اولین مرحله از راه اندازي پیل پس از طراحی و ساخت اجزاي آن، پیل می بایست تحت یک دوران سازگارسازي قرار میگرفت تا بیو فیلم آندي بر روي الکترود ها تشکیل شود. از این رو پیل تحت شرایط زیر راه اندازي شد:

1.استفاده از محلول پتاسیم فريسیانید به عنوان کاتولیت

2.استفاده از بافر پتاسیم فسفات براي کنترل pH در هر دو محفظه

3.کنترل دما توسط استخر آب در سیستم در دماي بهینه رشد باکتري ها در شرایط بیهوازي

4.قرارگیري پیل در حالت مدار بسته با مقاومت 76Ω

محلول آند در نظر گرفته شده براي پیل، محلولی از پساب و لجن فعال تازه - جمع آوري شده از مرکز تصفیهي پساب خانگی اکباتان شهر تهران - بوده که به نسبت %10 حجمی لجن فعال می باشد. همچنین بافر پتاسیم فسفات، به غلظت 100mM - K2HPO4+ KH2PO4 - ، براي کنترل pH آنولیت نیز به محیط اضافه گردید. این محلول در شرایطی کاملا بی هوازي و مناسب به عنوان اولین کاتولیت براي تلقیح به پیل در نظر گرفته شد.محلول کاتدي که براي مرحله ي راه اندازي آماده شد، محلول پتاسیم فريسیانید بود.

زیرا که براي ایجاد بیوفیلم محکم و پایدار در سمت آند به یک محیط اکسنده و پایدار در سمت کاتد نیاز است. به همین دلیل پتاسیم فريسیانید چون داراي چنین خواصیتی می باشد به عنوان اکسنده مناسب، در دوران راه اندازي پیلها در کاتد مورد استفاده قرار گرفت. همچنین به منظور پایدار نگاه داشتن pH در کاتد نیز محلول بافري پتاسیم فسفات 100mMبه کاتولیت اضافه شد. پس براي قسمت کاتد محلول100mM پتاسیم فريسیانید همراه با محلول بافري پتاسیم فسفات 100mM در نظر گرفته شد. این محلول که به طور