بخشی از مقاله
چکیده:
پیل سوختی بیولوژیکی دستگاهی است که در آن انرژي بیو شیمیایی به انرژي الکتریکی تبدیل می گردد.اساس عملکرد این نوع پیلها بر مبنایاکسیداسیون سوبسترا توسط یک آنزیم یا میکروارگانیسم است, که منجر به تولید توان الکتریکی می گردد. این نوع از پیل ها توانایی استفاده از سوبستراها وبیوکاتالیست هاي متنوع جهت تولید جریان الکتریسیته و کاربردهاي دیگر را دارا می باشند. در این بررسیگلوکز به عنوان منبع کربنی با غلظت gr.L-51 و پساب بی هوازي فاضلاب کارخانه لبنی گلا به عنوان بیوکاتالیست مورد استفاده قرار گرفت.
انتخاب شرایط بهینه رشد از نظر دمایی و هم زدن میکروارگانیسم هاي موجود در یک مخلوط بی هوازي مورد مطالعه قرار گرفت. با مشخص شدن شرایط بهینه تولید الکتریسیته در پیل سوختی میکروبی بدون حضور ماده واسطه بررسی شد. از پیل دومحفظهاي شامل آند و کاتد که توسط غشاي نفیونی از یکدیگر جدا شدهبودند براي تولید توان الکتریسیته استفاده شد. الکترود هاي به کار گرفته شده در محفظه آندي و کاتدي از جنس کربن کاغذي بوده است. ولتاژ اولیه تولید شده پیل برابر 163/1654 mV بوده است و پس از رسیدن به شرایط پایدار ولتاژ به مقدار 503/9619 mVافزایش یافت.بیشینه توان و جریان تولید شده به ترتیب30/8797 mW.m-2 و 267/9528 mA.m-2 بوده است.
-1 مقدمه:
امروزه، بحران هاي سیاسی، اقتصادي و مسائلی نظیر محدودیت دوام ذخایر فسیلی، نگرانی هاي زیست محیطی، ازدحام جمعیت، رشد اقتصادي و ضریب مصرف، همگی مباحث جهان مشمولی هستند که با گستردگی تمام، فکر اندیشمندان را در یافتن راهکارهاي مناسب در حل مناسب معضلات انرژي در جهان، به خصوص بحران هاي زیست محیطی، به خود مشغول داشته است.[1] با توجه به نیاز روز افزون به منابع انرژي و کم شدن منابع انرژي فسیلی، ضرورت سالم نگه داشتن محیط زیست، کاهش آلودگی هوا، محدودیت هاي برق رسانی و تأمین سوخت براي نقاط و روستاهاي دورافتاده و... استفاده از انرژي هاي نو مانند: انرژي باد، انرژي خورشید ، انرژي هاي داخل زمین و انرژي ناشی از توده زیستی و... می تواند جایگاه ویژه اي داشته باشد.
از جمله فن آوري هایی که طی سالیان گذشته توجه بسیاري از محققان را به خود جلب کرده است فن آوري پیل سوختی است. پیل هاي سوختی، راه حل مناسبی براي مشکلات مختلف مربوط به انرژي هستند.پیل سوختی دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژي شیمیایی حاصل از یک واکنش شیمیایی را به انرژي الکتریکی مفید تبدیل میکند. تبدیل انرژي در پیل سوختی تبدیل مستقیم انرژي شیمیایی به انرژي الکتریکی است.
عملکرد پیل سوختی مانند باتري نیست که انرژي را ذخیره کند، بلکه در پیل سوختی حالتی از انرژي به حالت دیگر تبدیل می شود.در میان اقسام پیل سوختی, پیل سوختی میکروبی با توجه به قابلیت تنوع استفاده از سوبستراهاي مختلف نظیر فاضلاب در کنار تولید الکتریسیته از اهمیت ویژه اي برخوردار است.[2] پیل سوختی میکروبی یا پیل سوختی زیستی ، یک سیستم بیو- الکتروشیمیایی میباشد که با کمک برهم کنشهاي باکتریایی موجود در طبیعت، تولید جریان الکتریسیته مینماید, به عبارت دیگر دستگاهی است که توسط واکنش کاتالیستی میکرو ارگانیسمها، انرژي شیمیایی را به انرژي الکتریکی تبدیل میکند.[3]
پیل سوختی میکروبی متداول شامل محفظه کاتدي و آندي می باشد که توسط غشاي مخصوص تبادل گر پروتون از هم جدا شده اند. در بدنه آندي، سوخت توسط میکروارگانیسمها اکسید شده، تولید الکترون و پروتون مینماید. الکترونهاي تولیدي از طریق یک مدار خارجی و پروتونها از میان غشاء به بدنه کاتدي منتقل میشوند. الکترونها و پروتونها در بدنه کاتدي مصرف شده و براي تولید آب با اکسیژن ترکیب میشوند.
در مجموع، دو نوع پیل سوختی میکروبی وجود دارد که عبارتنداز : پیلهايسوختی میکروبی بی واسطه و با واسطه. در پیل سوختی میکروبی با واسطه انتقال الکترون از میکرو ارگانیسم ها به الکترود توسط واسطه هایی مثل تیونین، متیل ویولوژن، متیل بلو، هیومیک اسید، قرمز خنثی و ... تسهیل مییابد .[5 ,4] واسطه هاي مورد استفاده در پیل سوختی میکروبی معمولا ترکیباتی سمی و گران قیمت هستند. بنابر این به کار گیري طولانی مدت پیل سوختی میکروبی با واسطه از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نیست.[6] اما در پیل هاي سوختی میکروبی بی واسطه میکروارگانیسم هاي مورد استفاده از نظر الکترو شیمیایی فعال می باشند, به عبارت دیگر میکروارگانیسم ها الکترون هاي تولیدي را در غیاب واسطه هاي شیمیایی به سطح الکترود انتقال می دهند.[7]
محققان در بررسی هاي خود دریافته اند که منابع فاضلابی مختلفی می تواند به عنوان سوخت در پیل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرند, در نتیجه امکان تولید انرژي ازمنبع ارزان قیمیت و فراوان فراهم می آید. قسمت عمده انرژي حاصل از اکسیداسیون مواد آلی به انرژي الکتریکی تبدیل شده - % 50 – 90 بر حسب بازده کلونی - و باقی مانده انرژي صرف فعالیت هاي متابولیکی میکروارگانیسم ها می شود .[9 ,8] در این بررسی ابتدا انتخاب شرایط بهینه به منظور رشد میکروارگانیسم هاي موجود در مخلوط بی هوازي پرداخته شد و سپس تولید الکتریسیته در پیل سوختی میکروبی در غیاب هیچ واسطه انتقال الکترون مورد مطالعه قرار گرفت.
-2 مواد و روش ها
-1-2 فاضلاب و مواد شیمیایی مورد استفاده
در این آزمایشات از فاضلاب بی هوازي کارخانه لبنی گلا - آمل - به عنوان ماده تلقیحی استفاده شده است. اکسیژن مورد نیاز شیمیایی - - COD فاضلاب با استفاده از روش نور سنجی بر اساس کتاب روشهاي استاندارد [10] اندازه گیري شده است. میزان COD اولیه فاضلاب به میزان 1500 mg.l-1بوده است. ماده تلقیحی ترکیبی به محیط کشت ساختگی شامل ترکیباتی که در جدول - 1 - آورده شده است, تلقیح گردید. همه مواد شیمیایی و معرف هاي مورد استفاده از شرکت مرك آلمان - Merk, Germany - تهیه شد. از pH سنج با الکترود شیشه اي مدل HANA 211 - Romania - به منظور اندازه گیري pH محلول استفده شده است. دانسیته نوري - - OD محلولهاي آبی به منظور تعیین میزان رشد میکروارگانیسم ها با استفاده از اسپکترومتر مدل - analytikjena, Spekol 1500, Germany - اندازه گیري شد.
