بخشی از مقاله
چکیده:
با پایان یافتن منابع فسیلی بشر درآینده اي نه چندان دور با کمبود منابع انرژي مواجه خواهد شد .همچنین بهره گیري از منابع فسیلی مشکل انتشار گازهاي گلخانه اي و افزایش دماي زمین را به عنوان یک چالش اساسی براي جهان مطرح نمود است. استفاده از منابع تجدید پذیر به عنوان راهکاري درجهت تعدیل این چالش پیشنهاد شده است. توجه به منابع تجدید پذیر درسال هاي اخیر به منظور دستیابی به انرژي ودوستار محیط زیست مورد توجه بسیاري ازگروههاي تحقیقاتی است.
پیل سوختی میکروبی یکی از این منابع تجدید پذیري است که به عنوان راهکار مطرح گردیده است . اساس کار پیل هاي سوختی میکروبی اینگونه می باشد که سوبسترا توسط یک میکروارگانیسم یا آنزیمی اکسید می گردد و بواسطه این فرآیند جریان الکتریسیته تولید می گردد . دراین مقاله با ارائه ساختاري از پیل سوختی میکروبی بدون غشابا کاتد هوایی اثر حضور پلاتین بر میزان توان تولیدي ونیز اثر pH هاي مختلف جهت افزایش دانسیته توان و جریان تولیدي بررسی گردیده است. بیشینه توان تولیدي پیل الکتریکی 74/305میلی وات بر متر مربع بدست آمده است.
کلمات کلیدي: منابع تجدیدپذیر، پیل سوختی میکروبی بدون غشا، میکروارگانیزم، توان الکتریکی
مقدمه
پیل سوختی میکروبی تکنولوژي جدیدي است که بوسیله آن انرژي شیمیایی موجود درمواد قابل اکسایش به وسیله میکروارگانیزمها و یا آنزیمها آزاد شده و جریان الکتریکی تولید می شود. میکروارگانیزمها درمحفظه آندي درشرایط بی هوازي به عنوان یک بیوکاتالیست زنده عمل نموده و با مصرف سوبسترا الکترون وپروتون تولید می کنند. الکترون هاي آزاد شده به الکترود آند رفته واز طریق مدار خارجی خود رابه سطح الکترود کاتد می رسانند. پروتون هاي تولیدشده با عبور ازغشا هاي تبادل پروتونی و یا پل نمکی خود را به سطح کاتد رسانده وحضور اکسیژن با الکترون ها مولوکول آب را تشکیل میدهند.
با ارائه مفهوم پیل سوختی میکروبی با کاتد درتماس با هوا هزینه پیل سوختی به خصوص هزینه پذیرنده هاي الکترونی درمحفظه کاتدي کاهش یافت .[1] درمراحل اولیه توسعه پیل سوختی میکروبی ،غشا تبادل یونی، کربن کاغذي ،کرین پارچه اي5 وپلاتین به طور وسیع درساختار پیل سوختی میکروبی به کار گرفته شده است.[2] این مواد در مراحل آزمایش در تولید توان بالا موفق بوده ولی هزینه بالاي این مواد یکی از چالش هاي اصلی در به کارگیري این مواد درساختار پیل هاست.از این رو مواد جایگزینی با هزینه نسبتا کمتر به عنوان غشا به کارگرفته شده اند.به طور مثال غشا اولترا ، غشا تبادل کاتیون وآنیون [3]وهمچنین پوشش پارچه اي[4] 3 ونانو پلیمرهاي متخلخل. [5]
جایگزین هاي مناسبی براي پلاتین همچون کو تترا متیل فنیل پرفیرین[6] 4،فتالوسیانین آهن[3]5 و منیزیم دي اکسید درواکنش کاهش اکسیژن به کار گرفته شده اند. عملکرد یک پیل سوختی به پارامترهاي مختلفی بستگی دارد وجدا از عوامل ساختاري چون طراحی پیل وآند ،انتقال الکترون از سلول باکتري به آند فرایندي است که دو مقوله بیولوژیکی والکتروشیمی را به هم پیوند می زند.مکانیسم هاي مختلفی براي انتقال الکترون به آند وجود دارد ازجمله: اتصال مستقیم ،استفاده از واسطه ها ونانو وایر.[7]تک محفظه اي بودن وداشتن کاتد هوایی با کمترین هزینه و بیشترین پتانسیل ،کاربردي شدن این گونه پیل هارا توجیه می کند.انواع متعددي از سوبسترا به کارگرفته شده است ازقبیل استات [8]،گلوکز [9]،ساکارز[10]وآمینو اسید.[10]
توان پیل سوختی میکروبی را می توان با کاهش فاصله بین الکترود ها افزایش داد که این کار مقاومت داخلی پیل سوختی را کاهش خواهد داد.استفاده از جداکننده ها وغشا باعث کاهش فاصله بین الکترودها وهمچنین مانع از نفوذ اکسیژن به محفظه آندي خواهد شد[11] بعضی از انواع پیل سوختی میکروبی یدون غشا نیز توسط گروههاي تحقیقاتی ارائه شده است.[14-12]هدف از انجام این تحقیق حاضر استفاده از میکروارگانیزم در محفظه بی هوازي آند بدون استفاده از هیچ واسطه انتقال الکترونی جهت تولید جریان و ولتاژ الکتریکیبوده است . همچنین در این تحقیق اثر پلانین به عنوان یک کاتالیست برروي توان وجریان تولیدي مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روش آزمایش:
پیل سوختی ساخته شده شده شامل یک محفظه استوانه اي از جنس پلکسی گلس با طول 4.5 سانتی متر وقطر داخلی3.5 سانتی متر ،که یک طرف آن الکترود آند وطرف دیگرآن الکترود کاتد قرار دارد.جنس الکترود آند از کربن کاغذي انتخاب شده است والکترود کاتدنیز از جنس کربن کاغذي انتخاب شده است. قسمت میانی استوانه روزنه اي با قطر 2 میلی متر جهتخوراك دهی به پیل سوختی تعبیه گردید.شکل - 1الف - شماتیکی از پیل سوختی میکروبی بدون غشا ونیز شکل - 1ب - نمایی از پیل سوختی میکروبی ساخته شده را نشان می دهد. محلول بافر فسفات ازپتاسیم دي هیدروژن فسفات ودي پتاسیم هیدروژن فسفات وبراي تنظیم pH محیط استفاده شد.جهت ثبت داده ها از یک دیتا لاگر6که توسط سیم هاي مسی به الکترود ها متصل شده است استفاده شد.جدول - - 1 مواد ومیزان مصزف این مواد را به عنوان محیط کشت را نشان می دهد.توان وجریان تولیدي این پیل سوختی توسط قانون اهم محاسبه شده بود که معادله - 1 - و - - 2 این رابطه ها را به صورت زیر بیان می کند:
