مقاله حذف ز یستی اتیلن گلایکول در پیل سوختی میکروبی

بخشی از مقاله

چکیده : اتیلن گلایکول یکی از آلایندههاي زیست محیطی است که در غلظتهاي بالا در پساب فرودگاهها، میدانهاي استخراج گاز، در پسابهاي پالایشگاههاي تصفیه گاز، صنایع تولید اتیلن گلایکول و پلی اتیلن وجود دارد و به عنوان یک آلاینده هیدروکربنی با استفاده از پیل سوختی میکروبی در این تحقیق حذف زیستی شده است. یک پیل سوختی میکروبی یک راکتور زیستی است که از طریق واکنشهاي کاتالیستی انرژي شیمیایی موجود در پیوندهاي شیمیایی ترکیبات آلی را به انرژي الکتریکی تبدیل میکند. یک پیل سوختی میکروبی دو مخزنی که حجم مفید مخزن آند 100ml است جهت کاهش بار آلی یک پساب سنتزي حاوي گلوکز و اتیلن گلایکول و تولید توان الکتریکی بصورت همزمان استفاده شد.

جهت بررسی کارایی پیل سوختی میکروبی غلظتهاي 1000mg/lit گلوکز، 100+1000 mg/lit گلوکز + اتیلن گلایکول، 500+500 mg/lit گلوکز+ اتیلن گلایکول، 1000 و 2000 mg/lit اتیلن گلایکول در مخزن آند استفاده شد. بررسیها نشان داد که پیل قابلیت حذف به ترتیب %92.68، %96.26، %93.6، %98.26 و %96.82 ، اکسیژن مورد نیاز شیمیایی پساب را براي آزمایشات در غلظتهاي مختلف دارا است. همچنین در این آزمایشات دانسیته توان پیل سوختی میکروبی بر اساس حجم مخزن آند به ترتیب 58/02، 127/54، 137/32، 124/60 و 124/70 mW/m3 میباشد.

کلمات کلیدي : پیل سوختی میکروبی، اتیلن گلایکول، حذف زیستی، تصفیه پساب

-1  مقدمه

اتیلن گلایکول یا منو اتیلن گلایکول محصول واکنش اکسید اتیلن با آب است. این ماده از کربن، هیدروژن و اکسیژن با فرمول شیمیایی C2H6O2 ساخته شده است . - 4 - اتیلن گلایکول در صنعت داراي کاربردهاي زیادي میباشد که از این موارد مهمترین آنها ضد یخها، رزینهاي پلی استري، مواد فعال سطحی مواد منفجره، مواد آرایشی و بهداشتی، حلالها و پلاستیکها – پلی اتیلن ترفتالات – میباشند 4 - و . - 10 کاربردهاي گسترده اتیلن گلایکول در صنعت منجر به وارد شدن و تخلیه مقادیر زیادي از آن به سیستمهاي تصفیه پساب شده است . - 10 - تحقیقات وسیعی در زمینه تخریب زیستی هوازي 2 - ، 3 و - 8 و تخریب زیستی بیهوازي 2 - ، 6 و - 8 اتیلن گلایکول در پساب و خاك انجام شده است. بر اساس غلظت اولیه اتیلن گلایکول و میکرو ارگانیسم  بکار رفته براي لقاح محیط کشت، مطالعات نشان داده است که تخریب زیستی اتیلن گلایکول در محیط زیست در نمونههاي فاضلاب و خاك در بازه زمانی از چند روز تا چند ماه انجام شده است . - 9 -

یکی از روشهاي نوین تصفیه پساب که میتواند بصورت همزمان الکتریسیته نیز تولید کند، پیل سوختی میکروبی میباشد. پیل سوختی میکروبی انرژي ذخیره شده در پیوندهاي شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنشی که بوسیله میکروارگانیسمها کاتالیز میشود به انرژي برق تبدیل میکند 1 - ، . - 5 گونههاي میکروبی متفاوتی مانند باکتريها میتوانند در پیل سوختی میکروبی استفاده شوند، این میکروبها ترکیبات آلی موجود در پساب را تخریب کرده و به عنوان خوراك استفاده میکنند و بصورت همزمان برق نیز تولید میکنند 7 - و . - 8 بر اساس دانش نویسنده بررسی سابستراهاي کربوهیدراتی در مقالات بصورت متعدد انجام شده است، لیکن سابستراهاي هیدروکربنی در پیل سوختی میکروبی کمتر بررسی شدهاند. بر این اساس در این مقاله حذف زیستی اتیلن گلایکول به عنوان یک سابستراي هیدروکربنی در پیل سوختی میکروبی دو مخزنی ارایه شده است.

-2 مواد و روشها

-1-2 ساختار پیل سوختی میکروبی

مخزن آند پیل سوختی میکروبی با قابلیت جایگذاري در تانک هوادهی به عنوان مخزن کاتد در مقیاس آزمایشگاهی از جنس پلکسی گلاس ساخته شد. مخزن آند داراي حجم موثر 100ml و ابعاد5*4*5 cm3 میباشد. از غشاء گورتکس با ابعاد 4*4 cm2 به عنوان غشاء انتقال پروتون در پیل سوختی میکروبی استفاده شد از یک صفحه گرافیتی با ابعاد 4*3 cm2 و با ضخامت 2 mm به عنوان الکترود آند استفاده شد. مخزن کاتد یک تانک هوادهی با ابعاد 10* 8* 10 cm3 از جنس پلکسی گلاس میباشد. همچنین از یک صفحه پلاتینی با ابعاد 4*1 cm2 و با ضخامت 0/5 mm به عنوان الکترود کاتد استفاده شد.

-2-2 محیط کشت، لقاح میکروبی و شرایط عملیاتی

محیط کشت بیهوازي مخزن آند بصورت مصنوعی در یک لیتر ساخته شد :  1000 mg گلوکز، 0/144  mg اوره، 0/046 mg K2HPO4، FeCl30/4 mg، MgSO4 3 mg، CuSO4.5H2O 0/3 mg، NaCl 0/7 mg، ZnCl2 0/015 mg، Na2S2O5 4mg،  mg MnSO4 0/254 و 90 ml .FeSO4.&H2O 2/06 mg از محیط کشت به همراه 10 ml از لجن صاف شده - لقاح - %20 به عنوان محلول آند استفاده شد. مخزن هوادهی نیز بوسیله بافر فسفات 0/2 mM با pH برابر 7 به عنوان کاتولیت پر و هوادهی شد.

کل سیستم در محیط آزمایشگاه با تنظیم درجه حرارت در 30±2˚C قرار داده شد. حداقل سه سیکل کامل براي غنی سازي میکروارگانیسمهاي فعال به لحاظ الکتروشیمیایی پیش از شروع آزمایشات انجام شد. جهت بررسی قابلیت پیل سوختی میکروبی در حذف اتیلن گلایکول به عنوان منبع کربن و انرژي میکروارگانیسمها، آزمایشات با شمارههاي 1 الی 5 به ترتیب با غلظتهاي 1000 mg/lit گلوکز ، 100+ 1000 mg/lit گلوکز + اتیلن گلایکول، 500 mg/lit 500+ گلوکز+ اتیلن گلایکول ، 1000 و 2000 mg/lit اتیلن گلایکول در پیل سوختی میکروبی انجام شد. همچنین هر 24 ساعت یکبار نمونه گیري جهت بررسی اکسیژن مورد نیاز شیمیایی انجام شد.

-4-2 مطالعات الکتریکی

اختلاف پتانسیل مدار باز و اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت خارجی به میزان 1000Ω بصورت هر 24 ساعت یکبار بوسیله مولتی متر دیجیتال خوانده شد. توان ایجاد شده در پیل اساس حجم مخزن آند و سطح الکترود آند محاسبه شد. منحنی قطبیت سیستم در حالت حداکثر ولتاژ بوسیله تغییر مقاومت خارجی از 1 MΩ تا 100 Ω و اندازه گیري جریان و ولتاژ بصورت همزمان انجام شد.

-3 نتایج و بحث

-1-3 بازده حذف اکسیژن مورد نیاز شیمیایی

نتایج کاهش اکسیژن مورد نیاز شیمیایی که نشان دهنده حذف سابسترا در سیستم است در شکل 1 نشان داده شده است. بر اساس نتایج بدست آمده براي آزمایشات مختلف، حذف %92.68، %96.26، %93.6، %98.26 و %96.82 براي آزمایشات 1 الی 5 انجام شده است. نتایج نشان میدهند اتیلن گلایکول آلایندهاي است که میتوان آن را بخوبی در پیل سوختی میکروبی حذف کرد.

-2-3 عملکرد پیل سوختی میکروبی

پتانسیل مدار باز در آزمایشات مختلف جهت بررسی اثر غلظتهاي مختلف اتیلن گلایکول بر تولید توان در شکل 2 رسم شد.

-3-3 منحنی قطبیت

جهت بررسی عامل محدود کننده تولید توان در پیل سوختی میکروبی و مقاومت داخلی سیستم، منحنی قطبیت در آزمایشات 1 الی 5 پس از ثابت شدن ولتاژ سیستم در شکل 3 رسم شد. بر اساس محاسبات انجام گرفته با استفاده از اطلاعات منحنیهاي قطبیت در آزمایشات مختلف نتایج میزان حداکثر دانسیته توان تولیدي و مقاومت داخلی سیستم بصورت جدول 1 میباشد.