بخشی از مقاله
چکیده
پیلهاي سوختی میکروبی که میتوانند از فاضلاب کارخانههاي صنایع غذایی یا فاضلاب خانگی، جریان الکتریکی تولید کنند و همزمان فاضلاب را تصفیه نمایند، در سالهاي اخیر به یکی از بهترین تکنولوژیهاي حوزه محیطزیست و بازیابی انرژي از فاضلاب تبدیل شدهاند. یک پیل سوختی میکروبی بیوراکتوري است که انرژي شیمیایی در پیوندهاي شیمیایی مواد آلی را به انرژي الکتریکی در طی واکنشهاي کاتالیستی توسط میکروارگانیسمها تحت شرایط بیهوازي، تبدیل میکند.
براي ایجاد جریان، باکتري میبایست الکترونها را به آند جامد برساند. این فرآیند انتقال خارج سلولی الکترون، به واسطه نفوذ واسطههاي الکترونی صورت میگیرد. به دلیل خواص واسطهاي که نانولوله- هايکربنی بین الکترود و باکتري میتوانند ایفا نمایند، در محفظه آند پیل سوختی میکروبی دومحفظهاي صفحهاي تخت ساخته شده در پژوهشگاه مواد و انرژي، بجاي واسطه نیوترآلرد از نانولولههاي کربنی استفاده نمودیم.
بزرگترین چالش در این مسیر، پخش آنها در محیط آبی بود که علاوه بر پخش کاملا هموژن، با گذشت زمان، کوآگوله نشود. با روشی شیمیایی، در حدود 3ماه نانولولهها، در محیط کشت باکتریایی، به حالت پخش باقی ماندند. با باکتري ساکارومایسس- سرویزیه به عنوان بیوکاتالیست و پارچهکربنی به عنوان الکترود، توان %68 افزایش نشان داد. تغییرات رشد میکروارگانیسم و مصرف منبع کربنی، هر 2 ساعت مورد بررسی قرار گرفت و تداخلی در عملکرد میکروارگانیسم در نتیجه استفاده از نانولوله کربنی مشاهده نگردید.
-1 مقدمه
درك موضوع گرمایش کره زمین به واسطه تولید گازهاي گلخانهاي توسط دانشمندان محیط زیست، نقطه عطفی در نگرش به مقوله انرژي و آینده بشر روي این کره خاکی بود که تحت این تغییر نگرش مسئله توسعه پایدار مطرح گردید: استفاده بهینه از منابع تجدیدناپذیر با درنظر گرفتن نیاز آیندگان، تاکید بر استفاده از انرژیهاي نو و تجدید پذیر و لزوم حفظ محیطزیست از آسیبهاي ناشی از آلایندههاي صنعتی. در این میان تولید انرژي الکتریکی از منابع تجدیدپذیر نیز توسعه روز افزون یافته است و از آن جمله پیلهاي سوختی میکروبی هستند که آنچه جهان پیش روي خود میبیند، پیشرفت در زمینه تولید همزمان الکتریسته در حین تصفیه فاضلاب است و قطعا پیلهاي سوختی میکروبی در اولویت پژوهشی آینده مدنظر قرار دارند.
دانش و تکنولوژي پیل سوختی میکروبی برآیندي از همگرایی چندین تخصص از جمله مهندسی شیمی، مکانیک، محیطزیست ، برق، مواد، نانو و میکروبیولوژي است. پیلهاي سوختی میکروبی یک فنآوري جدید براي تولید انرژيهاي جایگزین و پایدار است که در آن با استفاده از باکتريهاي خاص به عنوان کاتالیزور براي تولید الکترونهاي آزاد، از فاضلاب جریان الکتریکی تولید میشود. پیل سوختی میکروبی چشماندازي جذاب و امیدبخش در ساخت پالایشگاههاي زیستی ترسیم میکند که در آنها با بهرهگیري از باکتريهاي کشف شده، از ضایعات و پسماندهاي آلی، برق تولید میشود. اهمیت این فنآوري عدم تولید گازهاي گلخانهاي و همچنین استفاده از منابع آلی تجدید پذیر و در نتیجه نامحدود بودن آن است.
انرژي شیمیایی نهفته در این ترکیبات در مقایسه با سایر روشهاي تبدیل انرژي شیمیایی موجود در هیدروکربنها از جمله تولید اتانول و هیدروژن که به لحاظ تکنیکی و اقتصادي با مسائل بیشماري روبرو است، روشی مناسبی براي تبدیل مستقیم به انرژي الکتریکی محسوب میشود و لذا بدون هیچ احتراق و تولید آلاینده و با راندمانی بالا برق تولید میشود. از مزایاي پیل سوختی میکروبی می توان به موارد زیر اشاره نمود:[1]
-1عملکرد در دماي معمولی
-2درصد تبدیل بالا
-3بدون نیاز به هیچ فرآیند تصفیه گاز
-4بدون نیاز به انرژي ورودي
-5قابلیت اجرا در هر مکان
-6 خود احیایی3 و عمر بالاي این سلها
یک پیل سوختی میکروبی شامل بخش آند و کاتد است که در واقع اکوسیستمی مهندسی شده است و جمعیت میکروبی در ارتباطی تنگاتنگ با یک سطح جامد رسانا قرار میگیرد. الکترودها با متابولیسم انرژي میکروبی تداخل دارند و فشاري گزینشی که بطور نرمال در اکوسیستمهاي زیست محیطی وجود ندارد اعمال می نمایند.[2] میکروبهاي تخمیر کننده، هوازي اختیاري و بی هوازي اجباري داراي توانایی تولید الکترون در حین رشد - الکتروژن - 4، حائز شرایط استفاده در پیل سوختی میکروبی هستند.[3] این باکتري ها شامل: کلستریدیوم بوتیریکم[4]، ژئوباکتر سولفوروردیوسن[5]، آئروموناس هیدروفیلا[6]، پسودوموناس آئروژینوسا[7]، رودوپسودوموناس پالوستریس[8] و شوانلا اونیدنسیس[9] میباشند.
در پیلهاي سوختی میکروبی، باکتري فاضلاب حاوي مواد آلی را در محفظه آند اکسید کرده و الکترون تولید می کند. براي ایجاد جریان، باکتري میبایست الکترونها را به آند جامد برساند. این فرآیند، انتقال خارج سلولی الکترون نامیده میشود. باکتري از مکانیسمهاي مختلف براي این انتقال استفاده میکند. ازجمله، انتقال مستقیم الکترون از غشا پروتئینی سلول، نفوذ واسطههاي الکترونی محلول به داخل سلول باکتري و بالعکس، و انتقال الکترون از شبکهاي هادي در خارج سلول - نانو وایر - . ساکارومایسس سرویزیه میکروارگانیسم هوازي اختیاري، براي انتقال الکترون به واسطه احتیاج دارد. واسطههاي گوناگونی تاکنون در تیمهاي تحقیقاتی مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. واسطه هاي خارج سلولی میتواند شامل - ماده آلی رنگی - 5 و مواد آلی فلزي چون نیوترآل رد6، متیلن بلو7 باشد.
یک واسطهي خوب میبایست داراي مشخصات زیر باشد :[10]
-1 قادر به دریافت الکترون از زنجیره ي انتقال الکترونی وکاهیده شدن با سرعت بالا
-2 قادر به اکسید شدن در سطح آند
-3 سرعت واکنش بالا با الکترود
-4 انحلال مناسب در محلول آند
-5 غیر قابل تجزیه شدن توسط میکروب و عدم سمیت براي آن
-6 قیمت پایین
-7 پتانسیل استاندارد تا حد امکان نزدیک به پتانسیل سوبستراي اولیه یا اکسنده نهایی - اکسیژن - .
