بخشی از مقاله
چکیده
غلظت نیترات در آب هاي زیر زمینی در سال هاي اخیر در سراسر جهان به دلیل استفاده ي بیش از حد کودهاي شیمیایی و تخلیه ي فاضلاب هاي خانگی افزایش یافته است . اثبات شده است که نیترات اثرات مضري بر سلامتی حیوانات و انسان ها دارد . با وجود اینکه پیل هاي میکروبی در سال هاي اخیر براي تصفیه ي فاضلاب مورد استفاده قرار گرفته اند، اما تحقیقات کمی براي استفاده از این تکنولوژي براي حذف نیترات آبهاي زیر زمینی انجام شده است . در این مقاله یک روش جدید براي حذف نیترات با استفاده از پیل سوختی تک محفظه اي خاکی معرفی شده است .در سیسستم پیشنهادي یون هاي نیترات به عنوان الکترون گیرنده در بیوکاتد عمل می کنند . سیستم تولید انرژي الکتریکی کرده و در کنارآن حذف نیترات را نیز انجاممی دهد . آزمایش ها تحت شرایط هوازي و بی هوازي کاتد انجام شده اند. در این شرایط نیترات با سرعت 37 mg و 58 lit dayبه ترتیب در دو سیستم کاهش یافت .نتایج ما نشان داده است که پیل سوختی میکروبی خاکی می تواند به عنوان یک سیستم بدیع و با هزینه ي کم براي زیست درمانی آب هاي آلوده به نیترات مورد استفاده قرار گیرد و در کنار تصفیه، الکتریسیته از خاك تولید کند .
کلمات کلیدي :پیل میکروبی خاکی ،حذف نیترات، تصفیه ي زیستی، آب زیر زمینی، بیوکاتد
.1مقدمه
افزایش آلودگی منابع آب سطحی و زیر زمینی به نیترات در بسیاري از مناطق جهان - از جمله ایران - مشکلات بسیاري ایجاد کرده است . این افزایش آلودگی به علت استفاده ي زیاد از کودهاي شیمیایی ،دفع نامناسب فضولات و فاضلاب هاي حیوانی و فاضلاب هاي خانگی می باشد . [1] بالا رفتن غلظت نیترات در آب آشامیدنی باعث بروز بیماري متوگلوبیمیا در نوزادان و سرطان گوارشی در بزرگسالان می شود. به همین دلیل سازمان محیط زیست آمریکا مقدار حداکثر غلظت آلودگی را براي نیترات 10میلی گرم بر لیتر [2] و موسسه ي استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران 45 میلی گرم بر لیتر تعیین نموده است . [3] روش هاي مختلفی براي حذف نیترات وجود دارد که شامل : تبادل یونی ، اسمز معکوس، الکترودیالیز ،کاهش شیمیایی و کاهش بیولوژیکی با استفاده از الکترود می باشد. [1]
به علت پایداري بالاي یون هاي نیترات استفاده از روش هاي فیزیکی شیمیایی بسیار هزینه بر است. [4] از روش هاي بیولوژیکی میتوان استفاده از سیستم هاي بیو الکتروشیمیایی را نام برد که در این سیستم ها هم نیازمند اعمال انرژي الکتریکی خارجی می باشیم. [5] یکی از روش هاي تصفیه ي زیستی آب و فاضلاب ، استفاده از تکنولوژي پیل سوختی میکروبی است . پیلسوختی میکروبی ، یک سیستم بیو-الکتروشیمیایی میباشد که با کمک میکروارگانیزم هاي موجود در طبیعت، تولید جریان الکتریکی مینماید.در یک پیلسوختی میکروبی واکنشکاتالیستی میکرواورگانیسمها، در آند انرژي شیمیایی موجود در ماده ي آلی را به انرژي الکتریکی تبدیل می کند .این پیلها شامل محفظه ي کاتدي و آندي جدا شده توسط غشاي مخصوص کاتیونی میباشند.
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[6 ] .واکنش آندي - سوخت استات - و کاتدي پیل میکروبی در روابط1و2 آمده است :پیل خاکی یک نوع از پیل هاي میکروبی است که در آن الکترود آند در خاك قرار گرفته و در شرایط بی هوازي از میکروارگانیزم هاي موجود در خاك بعنوان کاتالیست استفاده می کند . هم چنین در سطح روي خاك ،اکسیژن محلول در آب کاهیده شده و واکنش کاتدي رخ می دهد . این پیل ها نیازي به غشا نداشته و سطح خاك جایگزین غشا می شود . [7]در واکنش کاتدي پیل هاي میکروبی نیازمند کاتالیست هستیم.
تلاش هاي زیادي براي جایگزین کردن کاتالیست هاي گران قیمت در کاتد با میکروارگانیزم ها ي ارزان انجام شده و بیوکاتدها در مواردي جایگزین کاتدهاي معمولی شده اند . هرچند مکانیزم مشخصی براي واکنش بیوکاتدي هنوز ارائه نشده است . [5] اخیرا نشان داده شده که نیترات به عنوان یک الکترون گیرنده می تواند در محفظه ي کاتدي این پیل ها توسط میکرو ارگانیزم هایی به عنوان کاتالیست به نیتریت یا گاز نیتروژن تبدیل شود .[8]واکنش کاهش نیترات به نتریت در رابطه ي 3 آمده است :براي اولین بار در سال clawer 2007 و همکاران از الکترون هاي تولید شده در محفظه ي آندي که از اکسایش استات تولید می شد استفاده کرده و بدون اعمال جریان خارجی کاهش نیترات را در یک پیل دو محفظه اي با جریان پیوسته انجام شد .[9] در سال Lefebvre 2008 و همکاران در یک سیستم ناپیوسته پیل دو محفظه اي به حذف نیترات دست یافتند.[6]
در سال Morris 2009 و همکاران از میکروارگانیسم ها ي آب چاه استفاده کرد و به حذف نیترات دریک پیل میکروبی که خوراك آن فاضلاب نفتی بود پرداختندclawer. [2] و همکاران با ارتقاي سیستم قبلی و کنترل پارامترهاي عملیاتی به درصد حذف بالاتر رسیدند Sukkasem .[5] و همکاران براي اولین بار به بررسی حذف نیترات در پیل تک محفظه اي با حضور اکسیژن پرداخته و به نتایج مطلوبی رسیدند.[8] با این وجود تا به حال از پیل میکروبی خاکی تک محفظه اي ،به منظور حذف نیترات از آب آلوده استفاده نشده است. در این مقاله به بررسی امکان حذف نیترات با استفاده از میکروارگانیزم هاي آب چاه به عنوان کاتالیست درمحفظه ي کاتدي در یک پیل خاکی پرداختیم. در کنار حذف نیترات و تصفیه ي زیستی ، تولید انرژي الکتریکی سیستم نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
.2مواد و روشها:
نمونه ي محفظه ي آندي از خاك گودبرداري شده در 30m زیر زمین برداشته شد . و آب مورد استفاده در کاتد از آب چاه در همان منطقه ، به عنوان منبعی از میکروارگانیزم هاي آب زیرزمینی مورد استفاده قرار گرفت . همان طور که درشکل 1 مشاهده می شود پیل ها به شکل مکعب مستطیل و از جنس پلکسی گلاس با ابعاد 23cm 10cm 10 cm ساخته شدند. از کف پیل تا ارتفاع 9 cm خاك غربال شده که با آب مقطر شسته شده بود ریخته شد.دوغاب حاصل محفظه ي آنديرا تشکیل می دهد . الکترود آند از جنس گرافیت - RE54 - با ابعاد 75mm 40mm 5mm به صورت افقی به فاصله ي6 cm از کف سیستم در خاك قرار داده شد . روي سطح خاك قسمت کاتدي سیستم را تشکیل می دهد و محیط کشت باخاصیت بافري که در جدول 1 ترکیباتش آمده است[10] ، به حجم 1lit به عنوان کاتولیت به محفظه اضافه شد . الکترود کاتد ازجنس گرافیت - RE54 - با ابعاد45mm 40mm 5mm می باشد.
در سیستم هوازي از پمپ هواي آکواریوم، براي هوادهی و اختلاط سیستم استفاده شد . در سیستم بی هوازي پرج نیتروژن صورت گرفت و سپس تمام سیستم با چسب حرارتی آب بندي شد. پس از راه اندازي سیستم مقاومت 500 اهمی در مدار خارجی پیل قرار داده شد و بعد از گذشت 4 روز با افزودن نیترات پتاسیم به محفظه ي کاتدي غلظت نیترات به مقادیر غلظت اولیه رسید .در طول مدت آزمایش نمونه ها از لوله ي نمونه گیري روي بدنه ي پیل گرفته شد.ولتاژ تولیدي توسط دو پیل در طول آزمایش با استفاده از مولتی متر دیجیتال اندازه گیري شد و براي رسم نمودار پلاریزاسیون ، آند و کاتد سیستم به مقاومت هاي متغیر متصل شده و ولتاژهاي پایدار در مقاومت هاي متغییر اندازه گیري شد و مقدار جریان بر اساس رابطه ي اهم محاسبه شد . [11 ] غلظت نیترات محلول در کاتد با استفاده از دستگاه هچ مدل DR/4000 اندازه گیري شد .
.3نتایج و بحث :
روند تغییرات غلظت نیترات با گذشت زمان براي سیستم هوازي و بی هوازي در شکل 2 آمده است .همان طور که مشاهده میشود روزانه در سیستم هوازي 37.39ppm و در سیستم بی هوازي 58.5 ppm از غلظت نیترات کم می شود.با توجه به نمودار پلاریزاسیون ولتاژ و جریان سیستم هوازي بیشتر از بی هوازي است .
