بخشی از مقاله
چکیده
سوختهای فسیلی منابع انرژی رو به زوالی هستند که جامعهی رو به توسعهی انسانی را در آیندهای نه چندان دور دچار کمبود سوخت خواهند ساخت. با رشد سریع جمعیت و رسیدن آن به مرز 10 میلیارد نفر تا 50 سال دیگر نیاز به منابع پایانناپذیر سوخت افزایش خواهد یافت. با توجه به محدودیت منابع انرژی و مشکلات زیست محیطی ناشی از این آلایندهها لزوم استفاده از روشهای تبدیل انرژی با راندمان بالاتر و همچنین استفاده از سوختهایی که آلوده کننده نبوده و امکان تولید آن از منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدید ناپذیرممکن باشد اهمیت خواهد یافت.
پیلهای سوختی به عنوان وسایل تبدیل کننده مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی و هیدروژن به عنوان سوختی که میتوان آن را ازمنابع انرژی تجدیدپذیر و تجدید ناپذیر تهیه کرد میتواند یک راه حل قابل اطمینان برای رفع مشکل انرژی ومشکلات زیست محیطی باشد. در دهه های اخیر توجهات زیادی به پیل های سوختی میکروبی شده است. این سیستم ها مواد تجزیه پذیر را به عنوان سوخت استفاده می کنند.
پیل های سوختی میکروبی متداول از دو محفظه آند و کاتد تشکیل شده اند البته 1MFC های تک محفظه ای هم وجود دارند. میکروارگانیسم ها مواد آلی موجود در فاضلاب را تجزیه و الکتریسیته تولید می کنند. MFC ها به عنوان تولید کننده منبع قدرت در ابزارهای کوچک مانند بیوسنسورها نیز کاربرد دارند. موانعی از جمله چگالی توان و جریان پایین بر سر راه این سیستم وجود دارد.
در این مطالعه به اجزای پیل سوختی میکروبی که شامل آند، کاتد و غشا می باشد، پرداخته شده است. این تحقیق مروری پیشرفت MFC با خلاصه ای از مزیت ها و عملکردهای آن و پارامترهای کلیدی تاثیرگذار بر تولید الکتریسیته در این سیستم را بررسی می کند.
-1 مقدمه:
مصرف منابع، تولید پساب و تخریب محیط زیست به واسطه رشد جمعیت و صنعتی سازی جوامع، سرعت روز افزونی یافته است و این منجر به افزایش مصرف انرژی هم به منظور کاربرد روزانه و هم به منظور تصفیه پساب گشته است.
امروزه منابع تامین انرژی نفت وگاز هستند اما این منابع فسیلی محدودند و در آینده نزدیک گران وکمیاب خواهند شد. همچنین فاجعه آلودگی زیست محیطی ناشی از سوخت های فسیلی، گرم شدن هوا و اثر گلخانه ای سبب رویکرد محققین به روش های جدید تولید انرژی از دیگر منابع با دو ویژگی مهم و قابل تجدید پذیری و غیر مخرب بودن برای محیط زیست شده است.
از جمله انرژی های مطرح شده انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله پیل های سوختی است - M Zhou, 2011 - که بدلیل توانایی تبدیل مستقیم سوخت به انرژی الکتریکی بوسیله واکنش های اکسایشکاهش- مورد توجه زیادی قرار گرفته است. بازده بالا حدوداَ 3 برابر موتورهای احتراق، عدم حضور قطعات متحرک که نیاز به تعمیر یا تعویض داشته باشند، عدم تولید آلودگی صوتی و ابعاد کاربردی گسترده در زیر دریایی ها، سفینه های فضایی، کشتی ها و هواپیماها، پیل سوختی را به یک منبع انرژی مطلوب برای محققین تبدیل کرده است. در این پیل ها با استفاده از ترکیبات غیر آلی نسبتا ساده همانند متان، هیدروژن و متانول تولید انرژی، آب و کربن دی اکسید میشود.گاز هیدروژن بدلیل تمایل واکنش دهندگی بالا به همراه چگالی انرژی بالا به عنوان سوخت ایده آل در پیل سوختی مورد استفاده قرار می گیرد.
یکی از انواع پیل های سوختی پیل سوختی میکروبی است. انرژی بالای مورد نیاز برای سیستم های متعارف تصفیه فاضلاب بسیار طاقت فرسا هستند. تکنولوژیهایی به این منظور با هزینه مؤثر و نیاز به انرژی کمتر برای این عملیات کارآمد پیشنهاد می شود. مزیت اصلی این سیستم های پیشنهاد شده نسبت به تصفیه های هوازی متعارف این است که نیازی به انرژی به منظور تامین اکسیژن ندارند،تولید لجن کمتر و گاز متان قابل بازیافت است
پیل سوختی میکروبی یکی از روشهای تصفیه فاضلاب قابل اعتماد است که از تنوع فاضلاب بهره جسته ویکی از روش های ذخیره سازی انرژی برای تولید گاز هیدروژن و یا جریان برق است. اولین هدف دستیابی به پیل سوختی میکروبی با استفاده از فاضلاب شهری و صنعتی و سایر فاضلاب ها بود
پیل های سوختی میکروبی از میکروارگانیسم های فعال به عنوان بایو کاتالیست برای تولید الکتریسیته در محفظه آند استفاده میکنند
جریان الکتریکی تولید شده توسط باکتری اولین بار توسط پاتر1 مشاهده شده است . - Potter, 1911 - تحقیقات در زمینه MFC به میزان زیادی در سال1999 انجام شد محققان دریافتند که واسطه ها نمی توانند به صورت اجباری با یکدیگر در MFC ترکیب شوند
همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده تقریبا همه MFC ها شامل محفظه آند و کاتد و یک غشای تعویض پروتون هستند
شکل -1 نمای کلی پیل سوختی میکروبی
بایو کاتالیست فعال در آند مواد آلی را اکسید و الکترون ها و پروتون ها را آزاد می کند - Antonopoulou, Stamatelatou, Bebelis, - & Lyberatos, 2010 پروتون ها از غشای تعویض پروتون به محفظه کاتد و الکترون ها از طریق مدار خارجی هدایت می شوند پروتون ها و الکترون ها در محفظه کاتد در طول کاهش اکسیژن به آب باهم واکنش می دهند - Sharma & Li, 2010 - در واقع بایوکاتالیست های فعال در محفظه آند، کربن و مواد آلی را اکسید کرده و الکترون ها و پروتون ها را تولید می نمایند. به عنوان مثال واکنش های آندی استیک اسید در معادله - 1 - و معادله - 2 - آورده شده است.
وجود اکسیژن در محفظه آند، تولید الکتریسیته را محدود می کند بنابراین سیستم باید به گونه ای طراحی شود که محفظه آند کاملا بی هوازی باشد
MFC ها بر اساس انتقال الکترون های تولید شده توسط میکروارگانیزم ها به الکترود آند به دو دسته MFCهای با واسطه و MFC های بدون واسطه تقسیم می شوند. البته وجود پارامترهای الکتروشیمیایی گوناگون مانند چگالی توان، ولتاژ پیل و عوامل بیولوژیکی مثل میزان بار مواد آلی نیز قادر به توصیف این سیستم می باشند. لازم به ذکر است که عملکرد MFC ها تحت تاثیر میزان اکسیژن موجود و مصرف آن در محفظه کاتد، اکسیداسیون مواد آلی در محفظه آند و نفوذپذیری غشای تعویض یونی، نیز می باشد
با وجود پیشرفت های گسترده ای که این سیستم در دهه های اخیر داشته است همواره با چالش هایی برای کاربردی شدن و استفاده در مقیاس های بزرگتر مواجه است، از جمله این چالش ها مقاوت غشا در فرآیند انتقال پروتون به محفظه کاتد است زیرا غشای تعویض یونی منبع اصلی بالا بوددن مقاوت داخلی است. بازده MFC با افزایش مقاومت داخلی کاهش یافته و محدود می شود همچنین تولید توان با غلظت مواد آلی رابطه مستقیم دارد هر چند با افزایش غلظت مواد آلی از حد مشخصی، افزایش توان پیل متوقف خواهد شد
