دانلود پایان نامه

فصل دوم
بررسی پژوهشهای پیشین
در این فصل پیش از آنکه به بررسی پژوهشهای انجام گرفته در زمینه پیلهای سوختی میکروبی معکوس و الکتروسنتز میکروبی پرداخته شود، پژوهشهای انجام گرفته در زمینه پیل سوختی و پیل سوختی میکروبی و همچنین مدلسازی و شبیهسازی آنها به اختصار بیان میشود.
2-1 مروری بر پیلهای سوختی از گذشته تا حال
در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی، اصول کار پیل سوختی را کشف کرد. گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته به کار برد. الکتریسیته حاصل، آب را در یک ظرف کوچکتر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل کرد. او این پیل را با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت، در سال 1955 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
در سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو به کار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتور آمریکا ساخته شد. با سرمایه گذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیزسرمایه گذاری این وزارتخانه در سال 1990 فن آوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیر دریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد به عنوان پیشرو این صنعت، در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهرهبرداری قرار گرفت. این هواپیما توان پرواز طولانی (شش ماه) و بدون وقفه را دارد و با حرکت مستمر خود در یک منطقه از آسمان در سیستمهای مخابراتی، جاسوسی و امداد رسانی (در حوادث طبیعی) کاربردهای وسیعی پیدا کرده است[7].
2-2 تاریخچه پیل سوختی میکروبی
به صورت تئوری اکثر میکروارگانیسمها پتانسیل استفاده شدن به عنوان بیوکاتالیست در پیلهای سوختی میکروبی را دارند. اولین مفهوم پیل سوختی میکروبی توسط پاتر در سال 1910 نشان داده شد. در این پیل سوختی، انرژی الکتریکی از محیط کشت اشرشیاکلی و ساکارومایسیس با استفاده از الکترودهای پلاتین تولید شد. این پدیده تا سال 1980، تا زمانی که کشف شد که دانسیته جریان و توان خروجی میتوانند تا حدی با اضافه کردن واسطههای الکترونی افزایش یابند، علاقه زیادی را ایجاد نکرد. میکروبها در انتقال مستقیم الکترونها به آند ناتوانند، مگر در مواردی که اتاقک آندی، آندوفیل باشد. لایههای خارجی اکثر گونههای میکروبی ترکیبی از چربی غشاء غیرهادی، پپتیدوگلایکانها و لیپوپلیساکاریدهاست که مانع از انتقال مستقیم الکترون به آند میشود. واسطههای الکترونی، انتقال را شدت میبخشند. واسطهها در حالت اکسید شده به آسانی میتوانند با گرفتن الکترونها از درون غشاء احیاء شوند. سپس واسطهها در سراسر غشاء حرکت میکنند و الکترونها را از آند آزاد کرده و دوباره در محلول بالک در اتاقک آندی اکسید میشوند. این فرآیند چرخهای، سرعت انتقال الکترونها را شدت بخشیده و توان خروجی را افزایش میدهد. متأسفانه سمیت و ناپایداری واسطههای سنتزی باعث محدود شدن استفاده آنها در پیلهای سوختی میکروبی شده است [35].
لاولی در سال 1993 نشان داد که هیومیک اسیدها توانایی انتقال الکترون را از درون غشاء سلولی به آند دارند. دستیابی به موفقیت زمانی بود که برخی از میکروبها برای انتقال مستقیم الکترون به آند یافت شدند [36]. این امر توسط کیم و همکاران در سال 1999 [37] و سپس در سال 2003 توسط لاولی و چاوهوری [15] کشف شد. همچنین توسط لاولی و چاوهوری و به علاوه اسکولز و اسکورودر در سال 2003 نشان داده شد که این میکروبها از لحاظ عملیاتی پایدارند و بازده کلمبیک بالایی دارند [38].
2-3 تاریخچه مدلسازی پیل سوختی میکروبی
میتوان گفت اولین پژوهش انجام شده در زمینه مدلسازی پیلهای سوختی میکروبی توسط ژانگ و هالم در سال 1995 صورت پذیرفت[39]. این مطالعه بر اساس حضور گروههای میکروبی معلق انجام شد. همچنین، از آنجا که در این سال، ساز و کار هدایت مستقیم الکترونها هنوز ناشناخته بود، انتقال الکترون با ساز و کار ماده واسط اضافه شده به سامانه، انجام گرفته است. این مدل، یک مدل تک بعدی و متغیر با زمان میباشد. در این بررسی، اثر عوامل مختلف مانند غلظت سوبسترا و غلظت ماده واسط و بار الکتریکی خارجی بر روی جریان الکتریکی خروجی از پیل سوختی میکروبی مطالعه شد. این امر با استفاده از شبیهسازی جریان الکتریکی خروجی در بستر زمان انجام گرفت و چگونگی پاسخگویی سامانه در اثر تغییر عوامل یاد شده مشخص شد.
بر پایه نتایج این پژوهش، با افزایش مقاومت الکتریکی خارجی از 40 به 400 اهم، سطح ثابت جریان تقریباً از 10 به 63/1 میلی آمپر کاهش مییابد. همچنین افزایش غلظت مواد واسط در محفظهی آندی سبب افزایش سطح جریان خروجی، با رفتاری مشابه برای همه حالتها، میگردد[39].
نتایج این پژوهش نشان میدهد، اثر تغییر غلظت سوبسترا بر جریان خروجی با تأخیر زمانی طولانی مشاهده میگردد در حالیکه این امر برای غلظت ماده واسط در مدت زمان بسیار کمتری قابل رؤیت است [39]. افزایش غلظت سوبسترا باعث میگردد تا تجزیه و اتمام آن در محفظه آندی، مدت زمان بیشتری به طول بینجامد.
مدل بعدی برای پیلهای سوختی میکروبی در سال 2007 توسط پیسیورنو و همکاران ارائه گردید [40]. این مدل یک مدل بسیار جامع میباشد، به گونهای که جامعه میکروبی معلق و چسبیده به سطح آند در مختصات یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی در نظر گرفته شد. همچنین در این مدل امکان استفاده از چندین گونه میکروبی به صورت معلق و بیوفیلم وجود دارد. از نظر تعداد گونههای شمیایی محلول به کار رفته نیز محدودیتی وجود ندارد و واکنشهای زیست شناختی، شیمیایی و الکتروشیمیایی در حجم مایع آنولیت، بیوفیلم و سطح الکترود انجام میگیرد.
در این پژوهش، شاخصهای مهم پیلهای سوختی میکروبی و تغییرات زمانیآنها از جمله جریان الکتریکی، ولتاژ و توان تولیدی، میزان مصرف سوبسترا و میزان رشد میکروبهای معلق و چسبیده مورد بررسی قرار گرفته است. اثر عوامل مختلف عملیاتی مانند پتانسیل استاندارد کاهشی مواد واسط، نسبت میکروبهای معلق به باکتریهای چسبیده به سطح آند، غلظت اولیه سوبسترا و مواد واسط، نفوذپذیری آنها، مقاومت الکتریکی خارجی، سوخت و ساز داخلی میکروبها و رقابت بین گونهای مختلف میکروبی در بیوفیلم، توسط شبیهسازی رفتار پیل سوختی میکروبی در شرایط مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.
به دلیل حضور میکروبهای معلق در حجم مایع آنولیت، واکنشهای زیست شناختی علاوه بر درون بیوفیلم در حجم مایع نیز قابل انجام است.
بیوفیلم و لایه مرزی غلظتی در این پژوهش به یکدیگر پیوسته بوده و دارای یک شبکه مکانی میباشند و بنابراین امکان استفاده از روابط و تئوریهای موجود برای ضرایب انتقال جرم وجود ندارد. از آنجا که اکسیداسیون مواد واسطه به مقدار pH وابسته است، مقدار pH بدون در نظر گرفتن تغییرات آن و با انجام موازنه بار (شرایط خنثی الکتریکی) محاسبه شده است [40].
نتایج شبیهسازی این بررسی در مختصات دو بعدی و سه بعدی نشان میدهد، جریان تولیدی در مناظقی با بیوفیلم چسبنده و جوان دارای ناهمگونی بالاتر است ولی برای میکروبهای با عمر بیشتر، توزیع جریان الکتریکی روی صفحه آند یکنواختتر میباشد [40]. مدلهای دو بعدی و سه بعدی تنها برای بررسی اثر ناهمگونی بیوفیلمها استفاده میگردد و برای یک بیوفیلم تشکیل شده همگن، مدل یک بعدی نیز میتواند به خوبی رفتار سامانه را پیش بینی نماید.
در دست آزمایی این مدل با نتابج آزمایشگاهی [14]، انحراف نسبتاً زیادی بین نتایج مدل و نتایج آزمایشگاهی مشاهده میشود. برای مثال شکل 2-1، مقایسه شبیهسازی مدل [40] و نتایج آزمایشگاهی [14] را در تغییرات جریان خروجی از پیل با زمان نشان میدهد. گونه خالص میکروبی و سوبسترا در هر دو حالت به ترتیب “ژئوباکتر سولفورریداسنز” و استات با غلظت 1 میلی مولار میباشد. خطوط توپر نشاندهنده نتایج حاصل از مدل و نقاط دایرهای بیانگر نتایج آزمایشگاهی ارائه شده است.
انحرافهای مشاهده شده در شکل 2-1، ناشی از فرض انتقال الکترون از سطح میکروبها به سطح الکترود آند توسط مواد واسط اضافه شده میباشد [40]. با توجه به جامع بودن مدل ارائه شده توسط پیسیورنو و همکاران (2007)، میتوان از آن به عنوان مرجعی مناسب برای مدلسازی پیلهای سوختی به کار رفته در تصفیه پسابها با جوامع میکروبی آمیحته و پیچیده استفاده نمود.
علاوه بر پژوهشهای بالا، مدل دیگری نیز در سال 2007 توسط مارکوس و همکاران، برای پیلهای سوختی میکروبی ارائه گردید [30]. در این مدل بر خلاف کارهای پیشین، ساز و کارهای هدایت مستقیم الکترون در بیوفیلم تحت میدان پتانسیل الکتریکی مورد استفاده قرار گرفته است. قانون اهم و ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم مشخص کننده رسانایی آن میباشند.
جامعه میکروبی مورد استفاده در مدل بالا، تنها شامل گونه “ژئوباکتر سولفورریداسنز” است و از سوبسترای استات استفاده میگردد. جامعه میکروبی در اینجا تنها شامل بیوفیلم چسبیده به سطح آند بوده و از گروههای میکروبی معلق چشمپوشی شده است [30].