دانلود پایان نامه

پسابها یک منبع ارزشمند قابل بازیافت آب میباشند. اگرچه آنها شامل مواد خطرناک و آلودهای برای محیط زیست و سلامت عموم میباشند، ولی در حدود 99% آنها را آب تشکیل میدهد؛ لذا ایجاد و توسعه فناوریهایی برای تصفیه و جداسازی مواد آلوده پسابها و ورود مجدد پسابهای تصفیه شده به شبکه توزیع آب یک امر ضروری به نظر میرسد.
از طرفی پسابها به شکل مواد آلی زیست تخریب پذیر، حاوی انرژی میباشند؛ این در حالی است که ما به جای بازیابی آن، انرژی اضافی را جهت تصفیه و جداسازی مواد آلاینده پساب به کار میگیریم.
تخمین زده میشود که پسابهای خانگی و پساب صنایع فرآوری غذایی در آمریکا حاوی 17 گیگاوات انرژی باشند. این مقدار تقریباً معادل میزان انرژی است که در حال حاضر برای کل زیرساختهای آبی در آمریکا مصرف میشود]2[. بنابراین اگر بتوان این میزان انرژی را بازیابی نمود، زیرساختهای آبی از لحاظ انرژی خودکفا خواهند شد.
تاکنون فناوریهای مختلفی جهت تصفیه پسابها به وجود آمدهاند که معروفترین و پرکاربردترین آنها تصفیه زیست شناختی به روش لجن فعال میباشد. این فرآیند قادر است تقاضای اکسیژن زیستی بالاتر از 300 میلی گرم بر لیتر را به کمتر از 5 میلیگرم بر لیتر کاهش دهد. با گندزدایی بیشتر میتوان تا %999/99 باکتریهای موجود را حذف نمود]4[. فناوریهای پیشرفته تصفیه نیز مانند میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، اسمز معکوس و فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته جهت حذف آلایندههایی به کار میروند که طی تصفیههای عادی و مرسوم از بین نمیروند. در این فرآیندها تنها با صرف انرژی، مواد آلاینده و خطرناک از پساب جدا شده ولی انرژی نهفته در آن بازیابی نمیگردد. در راستای بازیابی همزمان آب و انرژی از پسابها، فرآیند هضم بیهوازی با تولید متان میتواند یک گزینه مناسب باشد. با این وجود این فرآیند به دمای بالا (36 درجه سانتیگراد)، زمان اقامت بالا و پسابهایی با غلظت زیاد نیاز دارد.
با توجه به مطالب عنوان شده، برای مدیریت بهینه منابع آب و انرژی، ایجاد و توسعه فناوریهایی که قادر به بازیابی همزمان آب و انرژی از پسابها و یا زیست تودههایی با محتوی آب بالا باشند، ضروری به نظر میرسد.
از دیگر فرآیندهایی که مواد آلی موجود در پسابها و یا زیست تودهها را اکسید کرده و ضمن حذف از پسابها، تولید انرژی مینماید، فرآیند پیل سوختی میکروبی است که در یک دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در ادامه ابتدا به معرفی پیل سوختی و انواع آن پرداخته و پس از آن پیلهای سوختی میکروبی را دنبال میکنیم.
پیل سوختی
انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله پیل های سوختی از جمله انرژی های مطرح است، که به دلیل بازدهی بسیار بالا و عدم آلایندگی محیط زیست و نیز مصرف هیدروژن به عنوان سوخت، در حال حاضر راه حل مناسبی جهت عبور از تنگنای انرژی و آلودگی محیط زیست می باشد. گاز هیدروژن را می توان از منابع انرژی تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر به دست آورد.امروزه استفاده از گاز طبیعی اقتصادی ترین روش تولید هیدروژن است]1[.
دامنه استفاده از پیل های سوختی بسیار گسترده است، به عنوان مثال از آن ها در زیردریایی ها، سفینه های فضایی، کشتی ها و هواپیماها می توان استفاده کرد و یا آن ها را در وسایل نقلیه، مانند اتوبوس ها، کامیون ها و سواری ها به کار برد. در روستاها و مناطق دورافتاده که امکان استفاده از شبکه برق سراسری وجود ندارد (روستاها) می توان از آن ها به مثابه نیروگاه استفاده کرد. هم چنین می توانند منبع تأمین نیروی برق پایدار برای مناطق حساسی نظیر بانک ها، مراکز معاملات سهام، بیمارستان ها و مراکز رایانه ای باشند]6[.
از سال 1839 میلادی که اصول کار فناوری پیل سوختی توسط سر ویلیام گرو، دانشمند انگلیسی کشف شده است، تا به امروز قریب به 170 سال میگذرد اما هیچگاه به اندازه دو دهه اخیر این فناوری مورد توجه قرار نگرفته است. دلایل متعددی برای توجیه و تفسیر این موضوع ذکر میگردد؛ اما در مجموع میتوان این دلایل را در سه بخش زیر جداگانه تقسیم نمود]7[:
1-در حالیکه مصرف سوختهای فسیلی مانند نفت، گاز و زغال سنگ به عنوان اولین منبع انرژی در جهان، کماکان در حال افزایش است، ماهیت پایانپذیری و تجدیدناپذیری این منابع و کاهش آن، حرکت به سمت انرژیهای جایگزین را سرعت میبخشد. در این بین پیل سوختی فناوریی است که در عین بازدهی بسیار بالا نسبت به فناوریهای رقیب در تبدیل سوختهای فسیلی به انرژی، این قابلیت را دارد که از منابع انرژی تجدیدپذیر و نو مانند آب، زیست توده و هر مادهای که دارای عنصر هیدروژن و یا ترکیبات آن باشد استفاده و تولید انرژی نماید.
2-اثرات نامطلوب زیست محیطی انرژیهای فسیلی موجود در وسایل حمل و نقل (به ویژه خودرو) و نیروگاههای برق، معضلات فراوانی را برای جوامع ایجاد نموده است. به همین منظور هر روز فضای استفاده از این منابع انرژی و فناوریهای تبدیل آنها در دنیا کاهش یافته و استفاده از فناوریهای سبز مانند پیل سوختی به عنوان یکی از گزینههای تولید انرژی پاک و حرکت به سمت توسعه پایدار بیشتر رواج مییابد.
3-کاهش مسائل و مشکلات فنی و جایگزینی مواد ارزان قیمت، کاهش قیمت تمام شده پیل سوختی را به دنبال داشته و زمینه تجاری سازی این فناوری را مهیا نموده است. به عنوان مثال پیشرفتهای فناوری در حوزه نانوفناوری، باعث کاهش میزان استفاده از فلزات گرانبها در ساختار الکترود پیل سوختی شده است. نقشه راه کشورهای پیشرو در توسعه این فناوری در ده سال آینده، بیانگر رقابتی شدن پیل سوختی با فناوریهای رقیب میباشد.
تعریف پیل سوختی
پیل سوختی دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی حاصل از واکنشهای شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. انرژی حاصل در پیلهای سوختی ناشی از تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی است. عملکرد پیل های سوختی مانند باتری نیست که انرژی را در خود ذخیره کند، بلکه در پیل های سوختی حالتی از انرژی به حالت دیگر تبدیل شده و در طی آن مواد داخل پیل مصرف نمی شوند. چگالی انرژی تولیدی در باتری کمتر از پیل سوختی می باشد. توان تبدیلات الکتروشیمیایی در باتری ها بعد از چندین بار شارژ شدن و تخلیه شارژ، کاهش می یابد، در حالیکه در پیل های سوختی چنین مشکلی وجود ندارد. به عنوان مثال توده پیل های سوختی کارکرده در یک خودرو قابل انتقال به خودرو جدید می باشد]8[.
انواع پیل سوختی
پیل سوختی پلیمری
پیل سوختی قلیایی
پیل سوختی اسید فسفریک
پیل های سوختی اکسید جامد
پیل سوختی متانولی
پیل سوختی سرامیکی پروتونی
پیل سوختی روی – هوا
پیل های سوختی اسید فرمیک
پیل سوختی الکتروگالوانیزه
پیل سوختی کربنات مذاب