دانلود پایان نامه
پیلهای سوختی میکروبی
پیلهای سوختی میکروبی معکوس
به دلیل اهمیت پیلهای سوختی میکروبی و پیلهای سوختی میکروبی معکوس، در ادامه به بررسی آنها پرداخته میشود.
1-9 پیل سوختی میکروبی
فرآیند پیل سوختی میکروبی در یک دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این فرآیند مواد آلی موجود در پسابها و یا زیست تودهها اکسید شده و ضمن حذف از پسابها، تولید انرژی مینمایند. بنابراین از دیدگاه بازیابی همزمان آب و انرژی یک فناوری جذاب و جالب توجه به شمار میآید.
شکل 1-4، نمایی کلی و ساده از فرآیند پیل سوختی میکروبی را نشان میدهد. به طور کلی پیلهای سوختی میکروبی همانند دیگر پیلهای سوختی از دو محفظه جدا از هم آندی و کاتدی تشکیل شدهاند. این دو محفظه توسط غشاء تبادل یون که بین آنها قرار دارد، از نظر فیزیکی از یکدیگر جدا شدهاند. در هر محفظه یک الکترود قرار دارد که از طریق یک مدار خارجی و یک مقاومت الکتریکی خارجی به یکدیگر متصل شدهاند. مایع موجود در محفظه آند، آنولیت و مایع موجود در محفظه کاتد، کاتولیت نامیده میشود. واسطه عبور یونها، شامل غشاء و محیط مایع بر سر راه آنها، نیز الکترولیت نام دارد.
در یک پیل سوختی میکروبی، میکروارگانیسمهای موجود در محفظه آندی طی یک نیم واکنش افزایشی، مواد آلی موجود در آنولیت را شکسته و جریانی از الکترونها را تولید مینمایند که با عبور از مراحل سوخت و ساز سلولی در میکروبها، برای آنها انرژی تولید مینمایند. مواد آلی موجود در واقع همان سوبسترا (سوخت) پیل را تشکیل میدهند. همانگونه که در شکل 1-4 نیز مشخص است، با اکسید شدن سوبسترا درون توده میکروبی جریانی از الکترونها، پروتونها و دیاکسید کربن تشکیل میشود.
الکترونها پس از خروج از سلول میکروبی به سطح آند منتقل شده و از طریق الکترود آند وارد مدار خارجی میگردند و با عبور از مقاومت الکتریکی خارجی توان الکتریکی تولید مینمایند. در اینجا جریان الکتریکی معرف میزان و تعداد الکترونهای تولید شده در واحد زمان و اختلاف پتانسیل الکتریکی نیز بیانگر انرژی قابل حمل توسط هر بار الکتریکی میباشد.
الکترونهای تولیدی پس از عبور از مقاومت (بار) خارجی و از دست دادن انرژی خود از طریق الکترود کاتد وارد محفظه کاتدی میشوند. در آنجا با حضور یونهای هیدروژن نفوذ کرده از طریق الکترولیت، و طی یک نیم واکنش کاهشی، با یک پذیرنده نهایی الکترون (مانند اکسیژن) ترکیب شده و محصولات نهایی (مانند آب) تولید میگردند. پس از طی این مراحل واکنشهای افزایش/ کاهش تکمیل شده و در نهایت با مصرف سوبسترا انرژی الکتریکی، گاز دیاکسید کربن و آب تولید میشود.

مطلب مرتبط :   منبع پایان نامه ارشد درباره شروع دوباره، اندازه گیری

شکل 1-4: شمایی از عملکرد پیل سوختی میکروبی ]13[.
غشاء تبادل یون علاوه بر جداسازی فیزیکی محفظههای آند و کاتد و جلوگیری از ترکیب مستقیم گونه الکترون دهنده و الکترون گیرنده، امکان عبور گزینشی یونها را از یک محفظه به محفظه دیگر فراهم میآورد. سمت و سوی انتقال این یونها بستگی به نوع غشای به کار رفته دارد.
با توجه به مطالب بالا میتوان گفت، میکروبهایی که در محفظه آندی رشد میکنند، فرآیند انتقال الکترون از مولکول ماده آلی به الکترود آند را کاتالیز نموده و نقش بیوکاتالیست را برای فرآیند بازی مینمایند ]4[. از این رو یکی از مزایای استفاده از پیلهای سوختی میکروبی این است که میکروبها در آن به عنوان کاتالیست خودکفا بوده و پس از غیرفعال شدن، با تکثیر میکروبی، خود به خود جایگزین میشوند ]2[.
برخی از میکروبها میتوانند الکترون ناشی از اکسیداسیون سوبسترا درون سلول خود را پس از طی زنجیره تنفسی به بیرون از سلول خود و در نهایت به یک الکترون گیرنده انتقال دهند. این گونه میکروبها با عنوان میکروبهای برون الکترونزا شناخته میشوند ]2[ و میتوانند برای تولید توان الکتریکی در پیلهای سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرند. آنها انرژی مورد نیاز خود را از طریق انتقال الکترون در یک سری واکنشهای افزایش/ کاهش درون سلول خود (زنجیره تنفسی ) به دست میآورند. میکروبهای موجود در آند به صورت بیهوازی تنفس مینمایند و لذا باید تا حد امکان از حضور اکسیژن در محفظه آند جلوگیری به عمل آورد.این میکروبها در محفظه آندی میتوانند به دو صورت معلق در آنولیت و یا به شکل بیوفلم چسبیده به سطح الکترود آند وجود داشته باشند. البته طبق پژوهشهای انجام شده بیوفیلمها نقش اساسی را در کاتالیز نمودن فرآیند واکنش اکسیداسیون در آند بر عهده دارند و در صورت نبود میکروارگانیسمهای معلق عملکرد سامانه تغییر چندانی نمیکند ]14؛15[.
در فرآیند تولید متان از زیستتودهها، نامگذاری به کار رفته برای فرآیند، میکروارگانیسمها و راکتور مربوطه به ترتیب به صورت متانزایی (و یا هضم بیهوازی)، متانزا و هضم کنندههای بیهوازی میباشد؛ به روش مشابه میتوان فرآیند تولید الکترون از زیست توده را الکترونزایی با باکتریهای برون الکترونزا در راکتور پیل سوختی میکروبی نامگذاری نمود ]2[.
با توجه به شکل 1-3، مواد آلی مختلف پیش از تشکیل متان از جمله پروتئینها، اسیدهای چرب، شکرها و استات میتوانند به عنوان الکترون دهنده و یا سوبسترا (سوخت) در یک پیل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرند. پذیرندههای الکترون نیز میتواند شامل اکسیژن، پتاسیم هگزاسیانو فرات (و یا فریسیانید) و نیترات بوده و در محفظه کاتدی به صورت الکتروشیمیایی و یا بیوالکتروشیمیایی کاهش یابند ]4[. استفاده از فریسیانید به جای اکسیژن در نهایت موجب دستیابی به پتانسیل بالاتر برای پیل میگردد ] 13[.
اگر از استات به عنوان الکترون دهنده و از اکسیژن به عنوان الکترون گیرنده نهایی استفاده گردد، نیم واکنشهای آندی و کاتدی به ترتیب ذیل خواهند بود ] 5[:
(1-20) CH3COOH + 2 H2O → CO2 + HCO3- + 8 H+ + 8 e-
(1-21)
O2 + 4 H+ + 4 e- → 2 H2O
در صورت کاهش بیوالکتروشیمیایی در کاتد، یک جامعه میکروبی، برای کاتالیز نمودن واکنش انتقال الکترون از الکترود کاتد به الکترون گیرنده مورد نیاز است. در غیر اینصورت الکترونها، پروتونها و اکسیژن به کمک یک کاتالیست شیمیایی مانند پلاتین در کاتد ترکیب شده و آب تشکیل میگردد.
بنابر واکنشهای 1-20 و 1-21، در نهایت و با تکمیل شدن نیم واکنشهای افزایش و کاهش، استات مصرف شده و دیاکسید کربن و یون بیکربنات تشکیل میگردد و به دلیل وجود اختلاف پتانسیل بین الکترودها، الکترونهای تولیدی در نیم واکنش 1-20، به سوی الکترود کاتد جریان مییابند. اگرچه دیاکسید کربن به عنوان محصول نیم واکنش اکسیداسیون سوبسترا تشکیل میگردد، ولی در نهایت با توجه به بخش 1-2، نشر کربن خالصی صورت نگرفته است. زیرا دیاکسید کربن موجود در زیست توده تجدیدپذیر در اصل از طریق فرآیند فتوسنتز و از جو به دست آمده و پس از تولید دوباره توسط فرآیند فتوسنتز به زیست توده جدید تبدیل میگردد]16[.
کاربرد پیل سوختی میکروبی
با توجه به چگونگی عملکرد و فرآیند موجود در پیلهای سوختی میکروبی که در بخش قبل بدان پرداخته شد، کاربردهای گوناگونی را میتوان برای آنها متصور شد. در ذیل برخی از این کاربردها به اختصار معرفی شدهاند.
تولید برق
پیلهای سوختی میکروبی قادرند، انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی درزیست تودهها را با کمک میکروارگانیسمها به انرژی الکتریکی تبدیل نمایند. از آنجا که این تبدیل انرژی به جای گرما مستقیماً به الکتریسیته تبدیل میشود، چرخه کارنو با بازده گرمایی محدود (در حدود 30%) حذف شده و میتوان مانند سایر پیلهای سوختی از نظر تئوری به بازده تبدیل انرژی بسیار بالاتری (>70%) دست یافت ]16[. پژوهشگران مقادیر مختلفی را برای بازده بازیابی الکترون (بازده کلومبیک ) گزارش کردهاند. بوند و لاولی (2003) ]14[ مقدار 95%، چادهوری و لاولی (2003) ]15[ مقدار 80%، رابی و همکاران (2003) ]17[ مقدار 89% را برای بازده بازیابی الکترون از سوبسترا گزارش نمودهاند. این مقادیر میزان تبدیل سوبسترای تجزیه شده به الکترون را نشان میدهد.