دانلود پایان نامه
در این فصل به بررسی و تبیین معادلات حاکم بر فرآیند پیل سوختی میکروبی میپردازیم. در ابتدا معادلات سرعت برای فرآیندهای دخیل شامل مصرف سوبسترا، خود-اکسایی میکروبها و فرآیند غیر فعال شدن میکروبهای فعال تشریح میگردند.
در ادامه به بررسی معادله بقای جرم سوبسترا در بیوفیلم، پرداخته میشود. به منظور بررسی جریان پیوسته در محفظه کاتدی بایستی اثر میدان سرعت جریان بر انتقال جرم مشخص شود. این امر با بررسی روابط ارائه شده برای پیشبینی ضریب انتقال جرم در لایه مرزی غلظتی انجام میگیرد. پس از آن معادله بقای جرم در حجم مایع کاتولیت و ارتباط آن با معادله بقای جرم در بیوفیلم مطرح میگردد.
مهمترین بخش در مدلهای بر پایه هدایت الکترون، قانون اهم و معادله پتانسیل و یا بقای الکترون است. این معادله به همراه انواع مختلف شرایط مرزی ممکن در بخش3-6 به تفصیل بحث خواهد شد.
چگونگی رفتار زیست شناختی فرآیند، تکثیر و زوال گونههای میکروبی و نحوه رشد و تشکیل بیوفیلم نیز از طریق معادلات بقای جرم زیست تودهها و معادله رشد بیوفیلم در بخش 3-8 مشخص خواهد شد. پس از آن در بخش 3-9 نیم واکنشهای انجام گرفته در بخش آند و کاتد بیان میگردد.
در بخش 3-10 به بررسی مدل مورد استفاده جهت تخمین پارامترهای طراحی پرداخته میشود و در پایان نیز، پس از تعیین معادلات حاکم، الگوریتم حل تعیین خواهد شد.
پیش از آنکه به بررسی معادلات حاکم بر مدل حاضر پرداخته شود، فرضیات صورت گرفته آورده شده و هر کدام در جایگاه خود نیز توضیح داده خواهد شد.
3-1 فرضیات انجام گرفته:
تأمین جریان الکترون از یک منبع خارجی
استفاده از یک مدل یک بعدی و ناپایا برای توصیف رشد و زوال بیوفیلم
انتقال الکترونها به روش هدایت الکتریکی از طریق بیوفیلم رسانا
ضریب نفوذپذیری سوبسترا درون بیوفیلم به میزان 79% ضریب نفوذپذیری سوبسترا درون آب
تغییرات خطی پروفایل غلظت در لایه مرزی غلظتی در جریان منقطع
صرفنظر کردن از فرآیندهای درون سلولی در فرآیند انتقال الکترون
صرفنظر کردن از پدیده جدایش برای تعیین ضخامت بیوفیلم
در نظر گرفتن هندسه لوله ای شکل برای الکترود کاتد
صرفنظر کردن از مقاومت ایجاد شده توسط الکترودها (گرافیت) و غشاء تبادل یون در برابر انتقال ذره های باردار
صرفنظر کردن از تغییرات pH در بیوفیلم و الکترولیت
مدلسازی یک بعدی بیوفیلم
3-2 معادلات سرعت
3-2-1 معادلات مصرف سوبسترا
به طور کلی در فرآیندهای زیست شناختی با دو گونه الکترون دهنده و الکترون گیرنده سروکار داریم. سوبسترا، که ماده مغذی میکروب ها به حساب می آید، نقش الکترون دهنده را برای فرآیند بازی می کند. این ماده طی یک واکنش اکسایش، اکسید شده و الکترون تولید می نماید. الکترون پس از تولید درون سلول باکتر ی ها و انتقال به روی سطح غشای خارجی آن ها، طی یک واکنش کاهشی به الکترون گیرنده منتقل می شود.
در فرآیندهای زیست شناختی هوازی، اکسیژن نقش پذیرنده الکترون را بر عهده دارد؛ در صورتی که در فرآیندهای بی هوازی مانند فرآیند متان زا دی اکسید کربن، الکترون های تولیدی را دریافت و کاهش می یابد . در این گونه فرآیندها غلظت الکترون گیرنده می تواند در تعیین سرعت مصرف سوبسترا و تولید محصول نهایی نقش داشته باشد [52]. لازم به ذکر است که در مطالعه حاضر، دیاکسید کربن که نقش سوبسترا برای میکروارگانیسمها را دارد، پذیرنده نهایی الکترون بوده و در نهایت با مصرف شدن آن توسط میکروارگانیسمها، کاهیده میشود.
در فرآیندهای فوق، نیم واکنش های افزایش/کاهش در کنار هم اتفاق می افتند . ولی در پیل های سوختی این دو نیم واکنش جدا از هم و به ترتیب در محفظه های آندی و کاتدی انجام گرفته و سوبسترا نقش الکترون دهنده و در بیشتر موارد اکسیژن نقش پذیرنده الکترون نهایی را ایفا می کنند.
در پیل سوختی میکروبی معکوس همانند پیل سوختی میکروبی، نیم واکنش اکسایش در آند و نیم واکنش کاهش در کاتد انجام میگیرد، با این تفاوت که در آند آب اکسید شده و الکترون تولید میشود و در کاتد دی اکسید کربن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون، با دریافت الکترون، محصول (به عنوان مثال استات)، تولید مینماید. در واقع محفظه کاتد بیهوازی است و لایه بیوفیلم بر روی الکترود کاتد رشد مینماید. در نتیجه میکروارگانیسم های به کار رفته در پیل سوختی از نوع هتروتروف هستند- منبع کربن آنها آلی است- ولی میکروارگانیسمهای مورد استفاده در پیل سوختی میکروبی معکوس اوتوتروف هستند یعنی منبع کربن موجود در آنها دی اکسید کربن است.
در پیل های سوختی میکروبی، اگر توجه خود را تنها به محفظه بی هوازی آندی و زنجیره انتقال الکترون در بیوفیلم معطوف داریم، به ترتیب آنزیم های درون سلولیِ میکروب ها، غشای سلولی آنها، بیوفیلم و در نهایت الکترود آند نقش الکترون گیرنده را بازی می کنند. الکترونها پس از انتقال به الکترود آند از طریق مدار الکتریکی خارجی به الکترود کاتد رسیده و در معرض اکسیژن قرار می گیرند.
در پیلهای سوختی میکروبی معکوس، الکترونها از الکترود آند از طریق مدار الکتریکی خارجی به الکترود کاتد منتقل میشوند و به ترتیب الکترود کاتد، بیوفیلم، غشای سلولی میکروبها ، آنزیمهای درون سلولیِ آنها و در نهایت دی اکسید کربن نقش الکترون گیرنده را بازی میکنند.