بخشی از مقاله
چکیده
امروزه پیل هاي سوختی میکروبی - MFCs - ، روشی جدید براي تصفیه ي همزمان فاضلاب و تولید انرژي الکتریکی به عنوان یک انرژي تجدید پذیر - الکتریسیته زیستی - محسوب می گردند. در این مطالعه امکانپذیري استفاده از فاضلاب سنتتیک - حاوي اسید استیک و متانول - براي تولید الکتریسیته با استفاده از لجن بی هوازي به عنوان منبع غنی از میکروارگانیسم ها مورد بررسی قرار گرفت. یک پیل سوختی میکروبی دو محفظه اي مجهز به پل نمکی - بی نیاز از غشاء - با حضور دو نوع واسطه ي متیلن بلو - MB - و نوترال رد - NR - به عنوان الکترون گیرنده مورد بررسی قرار گرفت. در محفظه ي آندي، الکترود از جنس گرافیت مسطح استفاده شد و با استفاده از اسید اورتوفسفریک، pH آن در محدوده ي 6 حفظ شد. محفظه ي کاتدي حاوي 200 mM فري سیانید پتاسیم [K3Fe - CN - 6] در بافر فسفات بود و pH آن در محدوده ي 7/5 تنظیم شد.
در محفظه ي کاتدي نیز الکترودها کاملاً مشابه با محفظه ي آندي استفاده شد. اسید استیک در مقایسه با متانول راندمان بالاتري را در تولید الکتریسیته ي زیستی نشان داد. در اسید استیک با استفاده از - 0/2 mM - MB حداکثر ولتاژ تولیدي برابر با V0/667 بدست آمد در حالیکه حداکثر جریان و توان به ترتیب 0/607 mA و 0/405 mW ثبت شد.حداکثر دانسیته ي توان و دانسیته ي جریان به ترتیب برابر با 61/718 mW/m2 و 92/530mA/m2حاصل شد. با استفاده از - 0/2 mM - NR حداکثر ولتاژ تولیدي برابر با 0/655 V بدست آمد در حالیکه حداکثر جریان و توان به ترتیب 0/590 mA و 0/386 mW ثبت شد. حداکثر دانسیته ي توان و دانسیته ي جریان به ترتیب برابر با 58/820 mW/m2 و 89/940 mA/m2 حاصل شد. نتایج، عملکرد مؤثرتر MB را نسبت به NR نشان داد. نتایج بدست آمده عملکرد خوب پیل سوختی میکروبی مجهز به پل نمکی را در این مطالعه نشان میدهد.
واژههاي کلیدي: پیل سوختی میکروبی، انرژي الکتریکی، پل نمکی، واسطه، فاضلاب سنتتیک
-1 مقدمه
تا کنون تلاشهاي زیادي صورت گرفته تا گزینه هایی براي تولید انرژي شناسایی و جایگزین گردند، تکنولوژي استفاده از پیل هاي سوختی میکروبی - MFC - که انرژي موجود در پیوندهاي شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنشهاي کاتالیتیکی میکروارگانیسم ها تحت شرایط بی هوازي به انرژي الکتریکی تبدیل می کنند، در سالهاي اخیر توجه محققان را به خود جلب نموده است.[1] راکتورهاي MFC تک محفظه اي یا دو محفظه اي، می توانند براي تولید الکتریسیته بر پایه اکسیداسیون میکروبی مواد آلی ساخته شوند تصاویر زیر ساختار کلی راکتورهاي MFC و واکنشهاي الکتروشیمیایی آنها را نشان می دهد.[2]
شکلA -1 و-B به ترتیب ساختارکلی راکتور MFC دو محفظه اي وتک محفظه اي در پیل هاي میکروبی الکترونهاي آزاد شده از مواد آلی در ابتدا بوسیله ترکیبات حامل الکترون درون سلولی - مانند نیکوتین آمید آدنین دي نوکلئوتید - [NAD] پذیرفته می شود و سپس به پذیرنده الکترون در زنجیره تنفسی انتقال الکترون منتقل می شود. مکانیسم رها سازي الکترون از مواد آلی که در بالا تشریح شد، می تواند از هریک از قسمتهاي مسیر انتقال الکترون درون سلولی به یک الکترود برون سلولی - مانند آند - اتفاق بیافتد سپس اکسیداسیون میکروبی مواد آلی می تواند با تولید الکتریسیته همراه گردد - مانند یک سیستم. - MFCیکی از رایج ترین الکترون گیرنده هاي کاربردي در پیل هاي سوختی میکروبی، فري سیانید پتاسیم K3Fe - CN - 6 می باشدکه از نظر عملکردي بسیار مطلوب است.
مهمترین مزیت فري سیانید، پتانسیل اضافی ناچیزي است که در هنگام استفاده از کاتدهاي کربنی مسطح5 حاصل می شود که ناشی از اختلاف ناچیز پتانسیل عمل کاتد6 و پتانسیل مدار باز7 آن می باشد.[3] معادله ي - 1 - واکنش اکسایش فري سیانید و پتانسیل اکسیداسیون-احیاي آن را نمایش می دهد.غشاء هاي تبادل پروتون - PEMs - غشاء هاي فلوروپلیمري - flouropolymer - هستند که براي انتقال پروتون از یک ناحیه با پتانسیل احیاي پایین تر به یک ناحیه با پتانسیل احیاي بالاترکاربرد مطلوبی دارند. سایر غشاء هاي مورد استفاده براي این منظور غشاء هاي دیالیز، پل نمکی، ورقه هاي کربنی، لایه هاي نافیون مایع و غیره هستند.[4] غشاء هاي نافیون بدلیل هدایت یونی بالا و خاصیت گزینش پذیري که دارد بطور گسترده اي بعنوان انتقال دهنده ي پروتون در مطالعات کاربرد دارد ولی بدلیل هزینه ي بالاي این غشاء ها کاربرد MFCها با وجود توسعه ي سریع آنها محدود شده است.
بنابراین لزوم یافتن یک جایگزین با هزینه ي پایین اهمیت زیادي پیدا کرده است. مین و همکارانش عملکرد یک PEM و یک پل نمکی را درسیستم MFC که با میکروارگانیسم ژئوباکتر متالی ردیوسنس تلقیح شده بود، مقایسه کردند. توان خروجی با استفاده از پل نمکی، 2/2 میلی وات بر مترمربع بود که به میزان قابل توجهی کمتر از مقداري بود که با استفاده از Nafion بدست آمد. [5] چنانچه خوراك چیزي شبیه به فاضلاب خانگی باشد، غشا ها و تیغه کائولینی مستعد گرفتگی هستند. اگر گرفتگی یا هزینه غشا به عنوان یک مشکل در کاربرد این سیستم ها مطرح باشد، MFC هاي بدون غشا مطلوب ترند.[6]از آنجاییکه بسیاري از سلولهاي میکروبی از نظر الکتروشیمیایی غیرفعال هستند در پیل هاي سوختی نیازمند به واسطه، انتقال الکترون از سلولهاي میکروبی به الکترود توسط واسطه ها تسهیل می گردد.
اگر چه گونه هاي میکروبی در مخزن آندي، آند دوست هستند ولی میکروبها قادر نیستند الکترونها را مستقیماً به سوي آند هدایت کنند ضمناً بخش عمده غشاي خارجی گونه هاي میکروبی، از غشاي لیپیدي غیرهادي مثل پپتیدي دوگلیکان8 و لیپوپلی ساکارید9 تشکیل شده است که مانع از انتقال مستقیم الکترونها به آند می شود.واسطه ها ترکیباتی با پتانسیل اکسایش - کاهش بسیار پایین هستند، بسیار پایین تر از آنچه واکنش هاي سلولی را به پیش می برد؛ بنابراین آنها الکترونها را به دام می اندازند و آنها را از واکنشهاي پیوند غشایی که حاوي حاملین پروتون و الکترون هستند جدا کرده و به سوي الکترود آند هدایت می کنند، جایی که
