بخشی از مقاله
ا صول عملکردی کلی پیل سوختی میکروبی مانند سایر پیلهای سوختی ا ست. اک سایش باکتری طی یک فرایند سبتاً پیچیده به تولید الکترون منجر می شود. به همین جهت فهم دقیق پدیدههای موجود در الکترود آند این گونه پیلها از اهمیت شایانی برخوردار ا ست. پتان سیل الکتریکی در سمت آند متأثر از عوامل متعددی ا ست که هر یک به گونهای متفاوت باعث تغییر آن می شوند. تعامل این عوامل که شامل رفتار دینامیکی انتقال سوب سترا، و ضعیت اک سایش/کاهش باکتری، کمپلکس سوب سترا-باکتری و واسط شیمیایی ا ست، منجر به پیچیدگی م ضاعف فیزیک پیل سوختی میکروبی در سمت آند میگردد.
انتقال الکترون به سطح آند از طریق بیوفیلم یا بصورت مستقیم از باکتریها و یا به کمک یک مکانیزم واسط شیمیایی صورت میپذیرد. در تحقیق حاضر مکانیزم انتقال الکترون به کمک یک واسط شیمیایی در نظر گرفته شده است. هدف این مقاله تو سعه یک مدل عددی برای مطالعه تأثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد پیلهای سوختی میکروبی ا ست. در را ستای این هدف یک مدل عددی یکبعدی بر پایه اکسایش گلوکز توسعه یافته است. به کمک این مدل اثرات غلظت باکتری و سوبسترا بر عملکرد پیل سوختی میکروبی مورد مطالعه واقع شده است. منحنی ولتاژ-جریان بدست آمده از مدل حاضر، تطابق خوبی را با نتایج منتشر شده در مقالات قبلی نشان میدهد.
کلمات کلیدی: مدلسازی پیل سوختی میکروبی، پساب ارگانیک، برق تجدیدپذیر
.1مقدمه
استفاده از سوختهای فسیلی به خصوص نفت و گاز در سالهای اخیر رشد فزایندهای را نشان میدهد. اما آنچه مسلم است این منابع قادر نی ستند اقت صاد جهانی را ب صورت نامحدود تأمین نمایند. علاوه بر این م صرف این سوختها در سی ستمهای تبدیل انرژی سنتی همراه با احتراق است که موجب انتشار انواع آلایندهها از جمله گازهای گلخانهای میگردد. این عوامل دانشمندان را به جستجوی منابعی جایگزین برای تأمین انرژی وادار کرده است. در همین راستا، در سالهای اخیر توجه بسیاری از متخصصان به پیلهای سوختی معطوف شده است. یکی از انواع پیلهای سوختی، پیل سوختی میکروبی است. پیلهای سوختی میکروبی را میتوان در زمره یکی از فناوریهای مورد توجه و در حال توسعه در استخراج انرژی تجدیدپذیر ذخیرهشده در مواد و تولید برق از آنها، قلمداد کرد. این مواد شامل مواد ارگانیک طبیعی، پسماندهای ارگانیک، زیستتودههای تجدید پذیر و پسابهای ارگانیک میباشند.
لذا این فناوری از مزایای قابل توجهی برای ترکیب با انواع سیستمهای مدیریت، بازیافت و تصفیه پسابهای ارگانیک و فاضلابها برخوردار است.در پیلهای سوختی میکروبی، کمپلکس باکتری-سوبسترا به عنوان کاتالیزوری برای اکسایش مواد ارگانیک در آند عمل میکند. این اکسایش موجب آزاد شدن الکترون و جریان یافتن آن از سمت آند به کاتد میشود که نتیجه آن بوجود آمدن جریان الکتریکی در مدار خارجی است .[1] بدین ترتیب انرژی شیمیایی موجود در مواد ارگانیک به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. علاوه بر این اگر از فاضلاب به عنوان ماده ارگانیک که در واقع سوخت پیل محسوب میشود، استفاده گردد، مزیت دوگانه دارد چرا که علاوه بر تولید برق تجدید پذیر، ت صفیه همزمان فا ضلاب هم صورت گرفته ا ست .[2]
این فناوری هنوز برای ر سیدن به بلوغ کافی و کاربردهای صنعتی گامهای قابلتوجهی در پیش دارد. برای ر سیدن به چنین نقطهای بای ستی جوانب مختلف این پدیده اعم از فرایندهای بیولوژیک، فیزیکی/شیمیایی و الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار گیرند تا درک دقیق و با جزئیات بی شتری از آنها حا صل شود .[3] از مهمترین موانع در صنعتی شدن و تو سعه پیلهای سوختی میکروبی، میتوان به مواردی از قبیل طول عمر کوتاه، چگالی جریان و توان پایینتر در مقایسه با سایر پیلهای سوختی اشاره کرد که عمدتاً به نرخ انتقال الکترون مرتبط هستند .[4] در برخی از تحقیقات منتشرشده در این زمینه، سینتیک و فیزیک آند به عنوان فاکتور محدودکننده اصلی معرفی شده است .[5]
یکی از راههای شناخت بهتر و عمیقتر پیچیدگی این پدیدهها، مدلسازی تحلیلی/عددی آنها است. مدلسازی پیلهای سوختی میکروبی شامل دامنه وسیعی از فرایندها است. این فرایندها شامل انتقال جرم گونههای مختلف موجود در الکترولیت، رشد و تکثیر باکتریها، سینتیک شیمیایی آند و کاتد و شرایط مرزی آنها، میباشند .[6]یکی از اولین کارهای انجامشده در مدلسازی پیلهای سوختی میکروبی توسط ژنگ و هالمه [7] ارائه شده است. این مدل یک مدل یکبعدی از پیلی با دو محفظه و ماده ارگانیک ر سوبات تخمیر شده دریایی با یک محلول بافر به همراه یک وا سط شیمیایی افزودهشده به اند بود. پیسیورنا و همکاران [8] از مدلهای دو و سهبعدی برای شبیهسازی آند و مطالعه کارایی واسط شیمیایی، ا ستفاده نمودند.
در پژوهش دیگری که تو سط پی سیورنا و همکاران [9] به انجام ر سیده، ا ستفاده از مدل ه ضم بیهوازی برای مدلسازی رفتار حالت دائم فرایند هضم نیمهپیوسته، بوده است. مارکوس و همکاران [10] یک مدل یکبعدی گذرا ارائه کردند که مکانیزم انتقال الکترون در آن بصورت مستقیم در نظر گرفته شده بود. انتقال الکترون در این مدل بر اساس اکسایش الکترون و تنفس درونزا صورت میپذیرد. در این تحقیق با استفاده از مدل توسعهیافته پدیدههایی نظیر نرخ تولید الکترون، بالانس و نفوذ جرمی در سوبسترا، چگالی جریان و حداقل پتانسیل موضعی مورد بررسی قرار گرفتهاند. پینتو و همکاران [11] یک پیل سوختی میکروبی تک-محفظه با کاتد هوا را که از استات در ان به عنوان سوبسترا استفاده شده بود، شبیه سازی نمودند.
در این مدل از هیچ واسط شیمیایی برای مکانیزم انتقال الکترون استفاده نشده بود. معادلات اساسی این مدل شامل معادله مونود، قانون اهم، بقای جرم باکتری اکسیدشونده و بقای جرم سوبسترا بودهاند. در پژوهش دیگری مارکی و چاپ [12] مدلی دوبعدی را برای برر سی تأثیرات هند سی بر توان خروجی تو سعه دادند. بر ا ساس مدل ارائه شده تو سط مارکوس و همکاران [10]، صداقتوند و همکاران [13] با استفاده از الگوریتم ژنتیک روشی را معرفی کردند که با تنظیم پارامترها بر ا ساس خروجیهای ت ست تجربی، بهترین مدل از نظر تطابق نتایج با نتایج آزمای شگاهی حا صل شود. تابع هدف در این بهینهسازی، حداقل کردن اختلاف پتانسیل پیل بدستآمده از مدل و نتایج تجربی بوده است. در کار ارائه شده توسط جایاسینگه [14] و همکاران، مدل جدیدی برای تحلیل بیوفیلم ارائه گردید.
اساس این مدل ترکیبی از معادلات نرنست و مونود بود و با استفاده از آن تأثیر ضخامت بیوفیلم بر چگالی جریان مورد بررسی قرار گرفت. هنوز جنبههای متعددی از فیزیک پیلهای سوختی میکروبی وجود دارد که در مدلها وارد نشدهاند و این زمینه همچنان یک عرصه فعال و زنده در پژوهشهای مرتبط با اینگونه پیلها میباشد.یکی از چالشهای اصلی در پیلهای سوختی میکروبی و بطور کلی پیلهای سوختی زیستی کارایی پایین است که دلیل آن بازگشتناپذیریهای سمت آند و همچنین کاتد است که نرخ انتقال و تخلیه الکترون را بطور جدی محدود مینماید .[15] در پژوهشی با هدف بررسی همین موضوع، بارتلت و همکاران [16] با استفاده از تکنیک LSV پارامترهای سینتیک شیمیایی والکتروشیمیایی کمپلکس آنزیم-سوبسترا را استخراج نمودهاند.
این مطالعات و مشابه آن نشان میدهد که کارایی تخلیه - انتقال - الکترون پدیدهای گذرا میباشد و با مدلهای حالت-دائم تمام جزئیات آن قابل مطالعه نیست. لذا یکی از زمینههای جالب تحقیقاتی در این زمینه توسعه مدلهایی با قابلیت بررسی اثرات پارامترهای مختلف بر کارایی این نوع پیلها است. چرا که بر ا ساس آن میتوان به راهکارهایی مهند سی برای افزایش بازده پیلهای سوختی زی ستی و فراهم کردن زمینه صنعتی شدن آنها پرداخت.بر اساس اطلاع نویسندگان این مقاله، در مطالعههای قبلی تأثیر میزان غلظت باکتری و سوبسترا بر کارایی پیل مورد بررسی قرار نگرفته است. در پژوهش حاضر، یک مدل یکبعدی، گذرا، با در نظر گرفتن مکانیزم واسط شیمیایی برای انتقال الکترون توسعه یافته است. نتایج این کار تطابق خوبی را با کارهای قبلی منتشر شده نشان میدهد و همچنین تأثیر پارامترهای مذکور بر عملکرد پیل نیز بررسی شده است.
این مدل شامل اجزاء مختلفی است که در این بخش به شرح آنها پرداخته میشود.در آند پیل با وجود واسطه شیمیایی در انتقال الکترون، واکنش بین باکتری و واسط شمیایی بصورت زیر قابل بیان است :[17]البته واکنش فوق یک واکنش تک-مرحلهای نیست و مکانیزم انجام آن را میتوان بصورت ذیل در نظر گرفت :[18] پارامترهای استفادهشده در واکنشهای فوق در جدول 1 توصیف شده است. در این واکنشها فرض شده است که سوبسترا با باکتری بطور بازگشتپذیر یک کمپلکس تشکیل میدهند و در نتیجه بین آنها در این کمپلکس بالانس برقرار میشود. واکنش برگشتناپذیری که این بالانس را برهم می زند موجب تشکیل محصولات واکنش خواهد شد .[19] سوبسترا در این واکنشها گلوکز است. با سوبسترا واکنش میدهد و تولید میکند که به نوبه خود میتواند در واکنش شرکت نموده و منجر به تولید گردد. و در نهایت هم میتواند به تبدیل شود که با مکانیزم پخش از الکترود فاصله گرفته و با باکتری واکنش میدهد .[20]
