بخشی از مقاله
چکیده
سلول سوخت میکروبی - Cell - Microbial Fuel وسیله ای است که انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد آلی را بااستفاده از میکروارگانیسم ها به عنوان بیوکاتالیست به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. سلول های سوخت میکروبی بدون واسطه و کاتالیست - - CAML-MFC تکنولوژی جدیدی را برای تولید الکتریسیته زیستی و تصفیه انواع مختلفی از فاضلاب ها از جمله فاضلاب صنایع فراوری پروتئینی نشان می دهند. در این مطالعه ما برای اولین بار تولید الکتریسیته به طور مستقیم از فاضلاب تولیدی صنعت فرآورده های غذایی پروتئینی و به طور همزمان تصفیه آن را با استفاده از تکنولوژی CAML-MFC را اثبات کردیم.
این مطالعه از نوع توصیفی بود.CAML-MFC به کار رفته در این مطالعه از نوع دومحفظه ای بود. محفظه آند شامل الکترود آند بی هوازی و محفظه کاتدشامل الکترود کاتد هوازی بوده که توسط غشاء تبادل پروتون از هم جدا شده بودند. درمحفظه آند فاضلاب و در محفظه کاتد بافر فسفات تزریق شد. شدت جریان و ولتاژ تولیدی از فاضلاب به عنوان سوخت با استفاده از اهم متر دیجیتالی مدلFCًََDEC سنجیده شده و پساب خروجی از محفظه آند نیز از نظر میزان COD، ِBOD ،َNH ،P ،TSS،VSS، ُSO و قلیائیت مطابق با روشهای استاندارد مندرج در کتاب روشهای استاندارد آزمایش آب و فاضلابمورد آزمایش قرار گرفت.
ٍmA/m ًَ/ٍِْ و ٍmw/mَ/ًٍَ در سطح آند ،در در این مطالعه بیشترین دانسیته جریان و توان تولیدی به ترتیب OLR برابر با .DَkgCOD/mَُّ/ً ، بیشترین ولتاژ تولیدی و کارایی کولمبی بود که در OLR برابر با .DَkgCOD/mٌٍَ/ً بدست آمد.حداکثر راندمان حذف COD، BOD ،َNH ،P ،TSS، VSS ،ُSO و A.L.K نیزبه ترتیب َّ، ُْ، َْ، ٌَ، َّ ، ٍّ ،ًَ و َِ درصد حاصل شد. نتایج حاصل شده ،نشان داد که تولید الکتریسیته زیستی و تصفیه فاضلاب صنعت فراوری غذایی پروتئینی به وسیله CAML-MFC مزایای زیادی از قبیل تمیزبودن ، کارامد بودن، قابل تجدید بودن و عدم تولید محصولات جانبی سمی دارد و به عنوان گزینه بهتر برای بازیابی کامل و ساده در تبدیل واقعی انرژی از فاضلاب این صنعت و همچنین شیوه ای نوین در تصفیه آن ظاهر شدند.
کلید واژه: تولید الکتریسیته - تصفیه فاضلاب - صنعت فراورده غذایی - سلول سوخت میکروبی - بدون واسطه
مقدمه
نیاز به انرژی در سرتاسر دنیا به طور تصاعدی در حال افزایش است. در حال حاضر انرژی مورد نیاز دنیا عمدتا" بستگی به سوخت های فسیلی دارد که منابع انرژی فسیلی نیز روبه کاهش است و احتراق آنها، به علت انتشاردی اکسید کربن اثرات منفی جدی بر محیط زیست دارد ] ٌ-ُ.[ از طرفی فرانید سریع صنعتی شدن باعث تولید کمیت های زیادی از فاضلاب شده که تصفیه آنها قبل از رها سازی به محیط به شدت ضروری بوده و به انرژی بالایی نیاز دارد]َ, ِ-ْ.[ برای خارج شدن از مشکلات ناشی از کمبود انرژی ، تغییرات جهانی اقلیم به دلیل احتراق سوخت های فسیلی و هزینه های فزاینده ی تصفیه فاضلاب های تولیدی ، جامعه نیاز به توسعه منابع انرژی به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی دارد] [ همچنین پیدا کردن راه هایی برای تولید محصولات مفید ازفاضلاب های تولیدی و تکنولوژی هایی با هزینه بهره برداری پایین برای تصفیه آنها اخیرا" اهمیت فزاینده ای دربررسی های زیست محیطی پیدا کرده است] [ به همین دلیل تحقیقاتی در جهت جمع آوری انرژی قابل تجدید از منابع زائد آلی مورد مطالعه قرار گرفته و به خوبی مشخص شده است که میکروارگانیسم ها می توانند از موادآلی ، سوخت هایی از قبیل اتانول، متان ، هیدروژن و الکتریسیته تولید کنند.
تولید اتانول ، متان وهیدروژن زیستی محدودیت هایی به علت بازیابی کم انرژی ، هزینه های بهره برداری بالا و مشکلات مختلف دیگری مانند تصفیه وذخیره دارند ، در حالی که تولید الکتریسیته زیستی به وسیله MFCها مزایای زیادی از قبیل تمیزبودن ، کارامدبودن، قابل تجدید بودن و عدم تولید محصولات جانبی سمی دارند و به عنوان گزینه بهتر برای بازیابی کامل و ساده در تبدیل واقعی انرژی ظاهر شدند]ٌٍ-ٌٍ.[MFC وسیله ای است که انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد آلی را با استفاده از میکروارگانیسم ها به عنوان بیوکاتالیست به انرژی الکتریکی تبدیل می کند] ٍٍ-ٍَ.[ مواد آلی با کمک میکروارگانیسم ها در محفظه آند در شرایط بی هوازی به انرژی ، الکترون و پروتون تبدیل می شوند.انرژی توسط میکروارگانیسم ها ذخیره شده و برای رشد مورد استفاده قرار می گیرد.الکترون ها توسط میکروارگانیسم ها به الکترود آند منتقل و از طریق سیم مسی به الکترود کاتد جریان می یابد و این انتقال از آند به کاتد به علت اختلاف پتانسیل ردوکس که بین محلول های مایع ناهمگن وجود دارد انجام می شود. پروتون ها نیز از طریق غشاء تبادل پروتون به محفظه کاتد منتقل می شوند و با اکسیژن و الکترون ها واکنش داده و تولید آب می کنند:
مکانیسم انتقال الکترون در 2H2O2 4H+ + 4e- + 2O2 بیشتر گونه های MFC موضوع مهمی در فهم تئوری چگونگی عمل آنهاست. باکتریایی مورد استفاده در MFCها برای انتقال الکترون غیر فعال اند. از این رو از ترکیبات مصنوعی و طبیعی از قبیل thionine ، humicacid ، neutralred ، methylblue و methylviologen که واسطه های ردوکس نامیده می شوند مورد استفاده قرار می گیرند. با اضافه کردن چنین واسطه هایی کاربرد تجاری MFCها برای تولید انرژی و تصفیه فاضلاب با مشکل روبرو می شود زیرا بیشتر واسطه ها گران و سمی هستند].[ از این روامروزه برای توسعه MFCهای بدون واسطه تاکید می شود.این شیوه ی تولید الکتریسیته باعث بهبود هزینه بهره برداری و افزایش پذیرش MFC به عنوان فرایند تصفیه فاضلاب می شود. اخیرا" به اثبات رسیده است که باکتریهای احیاءکننده آهن از قبیل Shewanellaputrefaciens و خانواده Geobacteraceae مانندGeobactersulfurreducens که از نظر الکتروشیمیایی فعال اند ،می توانند به طور مستقیم با استفاده از آنزیم های ردوکس الکترون ها را به الکترود آند منتقل کنند]ٍ.[
عملکرد یک سلول سوخت میکروبی می تواند توسط چندین عامل تحت تاثیر قرار گیرد که شامل میزان اکسیداسیون و انتقال الکترون به الکترود از طریق میکروارگانیسم ها ، میزان بارگذاری، ماهیت منبع کربن مورد استفاده ، ماهیت غشاء تبادل پروتون ، انتقال پروتون از طریق غشاء به محفظه کاتد ، تامین اکسیژن و احیاء در کاتد ، ساختار MFC ، ماهیت و نوع الکترودها، مقاومت مدار، پذیرنده های الکترون، الکترولیت مورد استفاده ، درجه حرار بهره برداری ، pH و زمان ماند می باشد ] ّ, َ, ٌِ, ٌّ, ٍَ, ٍِ.[ از دیگر کاربردهای این تکنولوژی تولید هیدروژنزیستی و استفاده از آن به عنوان سنسوری برای آنالیز آلاینده - سنجش - BOD می باشد]ٌُ, ٌَ, ُُ, ُِ.[فاضلاب صنعت فرآورده های غذایی پروتئینی یک منبع بسیار خوب از نظر مواد آلی برای تولید الکتریسیته بااستفاده از MFC بوده، اما تا کنون این نوع از فاضلاب برای تولید الکتریسیته بررسی نشده است.در این مطالعه مابرای اولین بار تولید الکتریسیته به طور مستقیم از فاضلاب تولیدی صنعت فرآورده های غذایی پروتئینی و به طورهمزمان تصفیه آن را با استفاده از تکنولوژی CAML-MFC را اثبات کردیم.
مواد و روش ها
ساختار و راه اندازی :MFC
CAML-MFC به کار رفته در این مطالعه به صورت دومحفظه ای طراحی شد که در شکل ٌ شماتیکی ازآن نشان داده شده است. این MFC شامل دو محفظه آند و کاتد از جنس ورقه های پلاکسی گلاس به ضخامتcmٍو هر کدام با حجم موثر Lِ/ٌ، دو الکترود آند و کاتد از جنس صفحه گرافیتی با ابعاد َcm ِ/ً×ُ×ٌٍ ، غشاءتبادل پروتون از جنس نافیون - ,Sigma-Aldrichٌٌْ - NAFION و دستگاه اهم متر دیجیتالی و سیم مسی بود.الکترود ها قبل از استفاده در آب دیونیزه شده به مدت h ٍُ خیسانده شدند. غشاء تبادل پروتون نیز برای افزایش نفوذپذیری به مدت ٌ ساعت در آب اکسیژنه ًَ% ، آب دیونیزه و ِ/ً مول ُSOٍH جوشاندهشده و سپس تا قبل ازکاربرد در سیستم ،در آب دیونیزه نگهداری شد.
الکترود آند با cmّ و الکترود کاتد با cmٍ فاصله نسبت به غشاء قرارگرفته بود.الکترودها توسط سیم مسی به یکدیگر متصل شده بودند. محفظه آند با واشرهایی کاملا محکم شده بود تا شرایط کاملا بی هوازی ایجاد شود. ورودی فاضلاب به این محفظه به عنوان سوخت به صورت جریان مداوم و از پایینو خروجی آن از بالای محفظه بود. محفظه کاتد هوازی بوده ، با بافر فسفات - mMًِ دی پتاسیم هیدروژن فسفات - به عنوان کاتالیت پر شده و به صورت مداوم با پمپ آکواریومی هوادهی می شد. pH کاتالیت در محدوده ِتنظیم شده بود. بهره برداری از این MFC در درجه حرارت اتاق c - ًٍِ - انجام گرفت.
