دانلود پایان نامه
همانگونه که در شکل 4-5 مشخص است، چگالی جریان در زمان صفر از مقدار 5/17آمپر بر متر مربع شروع شده و در نهایت پس از گذشت حدوداً 20 روز به مقدار 5/8 آمپر بر متر مربع رسید. این مقدار نهایی، تحت شرایط یکسان، تا زمانی که پتانسیل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع ثابت باشند، تغییری نمیکند. همچنین مدت زمان رسیدن به مقدار نهایی، تابعی از پتانسیل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع است.
با توجه به شکلهای 4-4 و 4-5، ضخامت بیوفیلم در مدت زمان بیشتری نسبت به چگالی جریان به مقدار نهایی خود رسیده است. این امر با توجه به مقدار بالای کسر الکترونهای مولد انرژی برای دی اکسید کربن قابل توجیه است، بخش اعظمی از الکترونهای وارد شده به سیستم صرف تولید محصول شده و سهم ناچیزی از آن صرف تکثیر میکروبها و تشکیل بیوفیلم گردید.
علاوه بر چگالی جریان، بازده کلومبیک نیز یکی از معیارهای مهم در بررسی و مقایسه عملکرد پیلهای سوختی میکروبی و پیلهای سوختی میکروبی معکوس است. میزان تبدیل الکترونهای ظاهر شده دراستات به الکترون مصرف شده به عنوان جریان بیانگر بازده کلومبیک میباشد. در شرایط مرجع، بازده کلومبیک برابر 59% شد. این مقدار، از نسبت شار مولی محصول خروجی از سطح بیوفیلم (با واحد میلی مول استات بر سانتی متر مربع بر روز) به شار الکترون مصرف شده به عنوان جریان با واحد مشابه به دست آمد (به بخش 3-8 رجوع شود).
این میزان بازده کلومبیک به علت استفاده از سوبسترای دیاکسید کربن و باکتری اسپوروموسا اواتا است. گونه باکتریایی مذکور یکی از باکتریهای برون الکترون زا شناخته شده میباشد و جامعه میکروبی متشکل از آن توانایی بالایی را در انتقال الکترون از کاتد به سوبسترا ، بدون حضور مواد واسطه دارا میباشد. دیاکسید کربن نیز به عنوان یک ماده معدنی به راحتی توسط میکروارگانیسمهای اوتوتروف شکسته شده و با مصرف الکترون (به عنوان پذیرنده نهایی الکترون) به محصولات چند کربنه نهایی تبدیل میگردد. علاوه بر این، در مدل حاضر از وجود محصولات تولیدی رقیب برای مصرف الکترون صرف نظر شده است. بنابراین در فرآیندهای واقعی که ترکیبی از محصولات چند کربنه تولید میشود، میزان بازده کلومبیک به مراتب پایینتر خواهد بود.
از طرفی با توجه به شکلهای 4-1، 4-2 و 4-5، جایی که غلظت سوبسترا بیشینه مقدار خود را دارد، دانسیته جریان و پتانسیل الکتریکی دارای کمترین مقدار میباشند. در واقع الکترون یا همان دانسیته جریان و پتانسیل الکتریکی، نقش محدود کننده برای تولید استات ایفا میکنند. به همین علت انتظار میرود با افزایش غلظت سوبسترا یا همان دیاکسید کربن در طول بیوفیلم، بازده کلومبیک کاهش مییابد. چرا که در غلظت بیشینه سوبسترا، دانسیته جریان و پتانسیل الکتریکی کمترین مقدار خود را دارند.
4-2 اثر تغییر پتانسیل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع
در بخش1-4 در مورد نحوه رشد بیوفیلم، اشباع شدن چگالی جریان با زمان و پروفایلهای غلظت، پتانسیل و جزء حجمی زیست توده فعال برای یک حالت خاص و با پتانسیل کاتد و غلظت حجم مایع ثابت بررسیهای لازم انجام گرفت. در این بخش اثر تغییرات پتانسیل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع بر روی چگالی جریان مصرفی، با حفظ سایر مقادیر جدول 4-1، مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرد.
در کل سه عامل اصلی چگالی جریان مصرفی در پیل سوختی میکروبی معکوس را محدود مینمایند [41؛ 44]:
غلظت سوبسترا
پتانسیل سطح کاتد
تغییرات pH در بیوفیلم و الکترولیت
در مدل حاضر، از تغییرات pH در بیوفیلم و الکترولیت و اثرات آن صرفنظر شده است. بنابراین تنها اثر دو عامل اول مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی با توجه به معادله مصرف سوبسترا (معادله 3-3)، که یک معادله دو- حدی است، انجام شد. معادله مذکور بیان میدارد که هر دو عامل غلظت سوبسترا و پتانسیل سطح کاتد میتوانند سرعت مصرف سوبسترا، چگالی جریان مصرفی و در نتیجه بازده تولید استات را محدود نمایند.
لازم به ذکر است در اینجا نیز فرض بر این است که پنانسیل سطح کاتد در طی زمان اشباع چگالی جریان، توسط پتانسیواستات ثابت شده و مقادیر مختلف پتانسیل با تنظیم دستگاه به روی سطح کاتد اعمال شده است. همچنین غلظت ثابتی از سوبسترا نیز همواره در محفظه کاتدی تأمین گشته و غلظت درون حجم مایع با مصرف سوبسترا تغییری نکرده است؛ لذا در هر بار اجرای برنامه، غلظت متفاوتی از سوبسترا در حجم مایع به عنوان ورودی به مدل داده شد. در جدول 4-2، محدوده تغییرات غلظت سوبسترا در حجم مایع و پتانسیل سطح کاتد با حفظ سایر مقادیر نسبت به حالت مرجع (جدول 4-1)، مشخص شده است. همچنین، جهت بررسی تأثیر غلظت سوبسترا و پتانسیل سطح کاتد در محدود نمودن فرآیند و مصرف چگالی جریان، نتایج در دو حالت غلظت محدود کننده و پتانسیل محدود کننده طبق جدول 4-2 ارائه میگردند. در حالت 1 پتانسیل سطح کاتد و در حالت 2 غلظت حجم مایع در حالت اشباع میباشند.
جدول 4-2: محدوده تغییرات پتانسیل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع
عوامل محدود کننده حالت 1 (پتانسیل اشباع) حالت 2 (غلظت سوبسترای اشباع)
پتانسیل سطح کاتد (ولت) 4/0- (3/0-)-5/0-
غلظت سوبسترا در حجم مایع (میلی مول بر سانتی متر مکعب) 05/0-02/0 03/0
در اینجا نیز جهت بررسی عملکرد پیل سوختی میکروبی معکوس، از بازده کلومبیک و چگالی جریان استفاده شد و تغییرات این دو با تغییرات حجم مایع و پتانسیل سطح کاتد مورد بررسی قرار گرفت.
مدلسازی به ازای غلظتها و پتانسیلهای مختلف در محدوده مذکور در جدول 4-2 انجام شد.
شکل 4-6 تغییرات بازده کلومبیک با غلظت سوبسترای درون حجم مایع را نشان میدهد. همانگونه که مشخص است، محدوده تغییرات بازده کلومبیک بین 10 تا 75% میباشد که علت آن در بخش 4-1 به تفصیل توضیح داده شد. با افزایش غلظت در مایع کاتولیت، بازده پیل کاهش یافته و به ازای غلظت مایع کاتولیت 025/0 میلی مول بر سانتیمتر مکعب، دارای بیشینه مقدار خود یعنی 75% است. این مقدار اشباع یا بیشینه، حداکثر توانایی میکروبهای فعال موجود در کاتالیز کردن واکنش تولید استات از دیاکسید کربن و الکترون را تعیین میکند. بنابراین با وجود سوبسترا و پتانسیل الکتریکی کافی و تحت شرایط حالت مرجع (بخش 4-1)، گونه میکروبی مذکور حداکثر توانست 75% استات از جریان الکتریکی و دیاکسید کربن تولید نماید.

مطلب مرتبط :   دانلود پایان نامه ارشد درمورد سرمایه های اجتماعی، روش های نمونهگیری

شکل 4-6: تغییرات بازده کلومبیک با غلظت سوبسترا در حجم مایع
نحوه تغییرات چگالی جریان و ضخامت بیوفیلم نیز برای حالت 1 جدول 4-2، در شکلهای 4-7 و 4-8 مشخص شده است. در اینجا غلظت سوبسترا محدود کننده و پتانسیل سطح کاتد در حالت اشباع میباشد. تشابه روند تغییرات ضخامت بیوفیلم و چگالی جریان در شکلهای 4-7 و 4-8، به رابطه مستقیم آنها اشاره دارد. در واقع ضخامت بیشتر بیوفیلم به معنای چگالی بالاتر میباشد.
در اینجا نیز به ازای غلظتهای کاتولیت 5-5/4 مول بر متر مکعب، چگالی جریان به حالت اشباع رسیده و بنابراین میکروارگانیسمهای موجود تحت شرایط حالت مرجع، توان مصرف چگالی جریان بیش از 34/0 آمپر بر متر مربع را ندارند. علاوه بر این، ضخامت بیوفیلم حداکثر به 8/2 میکرومتر رسید.