دانلود پایان نامه

در حال حاضر به علت وجود عوامل هدردهنده پتانسیل، مشکلات فنی و قیمت بالای اجزاء، انرژی الکتریکی حاصل از پیلهای سوختی میکروبی از لحاظ اقتصادی با روشهای مرسوم تولید برق قابل رقابت نمیباشد. با توجه به پایین بودن توان الکتریکی تولیدی از پیلهای سوختی میکروبی میتوان از آنها برای تأمین انرژی دستگاههای کوچک و دور از دسترس مانند حسگرهای بیسیم، استفاده نمود. پیلهای سوختی میکروبی با استفاده از زیست توده تولید شده در محل نیز میتوانند تولید برق نمایند. از این نظر برنامههایی جهت استفاده آنها در سفینههای فضایی برای تولید برق و حذف همزمان پسماندهای انسانی فضانوردان در دست اقدام است. علاوه بر این پژوهشگران عرصه پزشکی در نظر دارند، از آنها برای تأمین انرژی اندامهای بدن با بهرهگیری از مواد مغذی موجود در بدن استفاده نمایند ]16[.
تصفیه پسابها
در حال حاضر به نظر میرسد، مفیدترین کاربرد پیلهای سوختی میکروبی در تصفیه پسابها و پسماندها باشد. در واقع پسابها و پسماندهای حاوی مواد آلی زیست تخریبپذیر میباشند که امکان استفاده از آنها را به عنوان سوخت پیل فراهم میآورد.
استفاده از پیلهای سوختی میکروبی برای تصفیه پسابها در سال 2004 مورد توجه قرار گرفت. لیو و همکاران (2004) ]18[ برای اولین بار نشان دادند که میتوان با استفاده از پیلهای سوختی میکروبی در حین تولید همزمان برق به سطح قابل قبولی از تصفیه پساب دست یافت.
اگرچه توان الکتریکی خروجی نمیتواند پاسخگوی نیاز یک شهر باشد، ولی به شکل بالقوهای میتواند انرژی لازم برای یک واحد تصفیه پساب را تأمین نماید ]2[. این امر نه تنها به علت تولید برق توسط خود پیل سوختی میکروبی بلکه به دلیل صرفهجویی انرژی حاصل، با به کارگیری آنها در تصفیه پساب محقق میشود. مهمترین صرفهجویی انرژی در استفاده از پیلهای سوختی میکروبی در تصفیه پساب، حذف انرژی لازم برای هوادهی پساب و دفن لجنهای جامد به جا مانده میباشد. هوادهی در فرآیندهای مرسوم هوازی به تنهایی نیمی از هزینههای عملیاتی را تشکیل میدهد و چون پیل سوختی میکروبی اساساً یک فرآیند بیهوازی است، فرآیند هوادهی در تصفیه پساب حذف میگردد. از طرفی میزان تولید میکروارگانیسمهای فعال در یک فرآیند بیهوازی بین 20 تا 90% کمتر از مقدار تولید شده در یک فرآیند هوازی است ]16 [و بنابراین از این طریق هزینههای مربوط به تصفیه و دفن لجنهای غیرفعال نیز حذف میگردد. بنابراین با استفاده از پیلهای سوختی میکروبی در تصفیه پساب، هزینهها به شکل چشمگیری در مقایسه با فرآیندهای مرسوم هوازی کاهش مییابند. حذف این هزینهها معادل صرفهجویی در مقدار قابل توجهی از انرژی میباشد.
تاکنون پژوهشگران پسابهای مختلفی را از جمله پسابهای صنایع غذایی، پساب صنایع دامی و پسماندهای کشاورزی مورد بررسی قرار دادهاند ]18؛19؛20؛21[. در برخی موارد نیز حذف آلاینده بر حسب تقاضای اکسیژن شیمیایی تا 80% گزارش شده است ]18؛20[.
تولید هیدروژن
فرآیند پیلهای سوختی میکروبی میتواند به آسانی تغییر یافته و به جای تولید الکتریسیته، در آنها گاز هیدروژن تولید نمود. سپس میتوان هیدروژن تولید شده را به شکلهای مختلف از جمله پیل سوختی هیدروژنی مورد استفاده قرار داد.
تحت شرایط عادی پروتونها و الکترونهای حاصل از واکنش آندی به محفظه کاتد منتقل شده و با ترکیب با اکسیژن، آب تولید مینمایند. تولید هیدروژن از پروتونها و الکترونهای ایجاد شده از سوخت و ساز میکروبی، از نظر ترمودینامیکی نامطلوب است. برای فائق آمدن بر این مانع ترمودینامیکی بایستی یک پتانسیل خارجی به پیل اعمال گردد. این امر مانند فرآیند الکترولیز آب میباشد ولی در یک پیل الکترولیز میکروبی مقدار پتانسیل خارجی مورد نیاز 110 میلی ولت میباشد؛ در صورتی که برای فرآیند الکترولیز آب به 1210 میلی ولت پتانسیل خارجی مورد نیاز است ]16 [. با اعمال این پتانسیل خارجی پروتونها و الکترونها با هم ترکیب شده و گاز هیدروژن به جای الکتریسیته، محصول خروجی فرآیند خواهد شد.
در پیلهای الکترولیز میکروبی به اکسیژن نیازی نیست و لذا مشکل نشت آن به محل اکسیداسون سوبسترا و کاهش بازدهی از بین میرود. علاوه بر این در یک پیل الکترولیز میکروبی، برای مثال به ازای مصرف هر مول گلوکز 8 تا 9 مول هیدروژن تولید میگردد؛ این در حالی است که در فرآیند تخمیر این مقدار 4 مول هیدروژن خواهد بود. باسیتی تا حد امکان از عبور سوبسترا از آند به کاتد و عبور هیدروژن در مسیر عکس جلوگیری نمود ]2 [.
1-9-1-4 حذف مواد شیمیایی
در اینجا نیز مانند پیلهای الکترولیز میکروبی، با اعمال یک پتانسیل خارجی به سامانه، یک واکنش غیر خودبخودی در جهت مطلوب و مورد نیاز پیش میرود. برای مثال با ثابت نمودن پتانسیل الکترودها در 500- میلی ولت، میتوان اورانیوم محلول را به اورانیوم نامحلول تبدیل و آن را مستقیماً در کاتد رسوب داد. همین امر برای تبدیل نیترات به نیتریت نیز کاربرد دارد ]13 [.
حسگرهای زیستی
یکی دیگر از کاربردهای بالقوه پیلهای سوختی میکروبی، استفاده از آنها در تجزیه و تحلیل و پایش در محلول آلایندهها میباشد. به عبارت دیگر، وجود رابطه نسبی بین بازده بازیابی الکترون و قدرت یک پساب، پیلهای سوختی میکروبی را به عنوان وسیلهای برای سنجش آنلاین میزان غلظت و تقاضای اکسیژن زیستی مطرح مینماید.
مقایسه پیلهای سوختی میکروبی با فرآیندهای بیواتانول و متانزایی
فناوریهای متانزایی و پیل سوختی میکروبی
فرآیند متانزایی با قدمت نسبتاً طولانی در استفاده بهینه و مناسب از پسماندهای آلی است. در این فرآیند پسماندهای موجود از منابع کشاورزی و صنعتی از طریق یک جامعه میکروب پیچیده به هیدروژن، استات و سپس به متان تبدیل میگردد. جامعه میکروبی در این فرآیند با یک سوخت و ساز میکروبی سبب تولید زیست توده جدید با بازده واقعی میکروبی پایین میشود. بنابراین در یک فرآیند متانزا با تولید مقدار کم زیست توده میکروبی (لجن فعال)، هزینه تصفیه و دفن آن حداقل شده و بنابراین 80 تا 90% الکترونهای تولیدی زیست تودهی زیست تخریب پذیر به صورت متان حاصل میگردد.
با انجام واکنش متانزا، علاوه بر متان، دیاکسید کربن نیز تولید میگردد که برخلاف متان به میزان بیشتری در فاز مایع حل شده و تولید بیکربنات میکند. بیکربنات تولید شده نقش پذیرنده الکترون نهایی را از میکروبها بر عهده دارد و لذا گازهای خروجی از فرآیند متانزایی حاوی 55 تا 75% متان است.
با جمعآوری و خالص سازی متان میتوان آن را در یک توربین و یا موتور پیستونی سوزاند و با بازده متوسط 33% تولید برق نمود. از طرفی گاز خروجی از این فرآیند حاوی مقادیری از هیدروژن و هیدروژن سولفید است که در صورت سوختن میتواند محصولات جانبی نامطلوبی را تولید نماید. انرژی لازم برای جداسازی این گازها بالا بوده و این امر باعث میشود بازده انرژی خالص خروجی از فرآیند کاهش یابد. با توجه به مطالب بخش تولید برق، در یک پیل سوختی میکروبی با کنار زدن چرخه کارنو بازده تبدیل انرژی بسیار بالاتر خواهد بود. علاوه بر این فرآیند متانزایی به پسابهایی با قدرت بالا نیاز دارند ولی پیلهای سوختی میکروبی در استفاده از پسابهای رقیق نیز مشکلی ندارند ]5 [.
فناوریهای بیواتانول و پیل سوختی میکروبی
بیشتر باکتریهای موجود در طبیعت، در طی فرآیند تخمیر شکرها (مانند گلوکز)، علاوه بر الکل (مانند اتانول) استات و هیدروژن نیز تولید مینمایند و لذا تبدیل استوکیومتری یک مول گلوکز به دو مول اتانول به ندرت به شکل طبیعی دیده میشود. صنایع تولید کننده اتانول برای رفع این مشکل معمولاً از مخمرها استفاده میکنند تا بتوانند فرآیند تخمیر را با گزینشپذیری بالاتری به سوی محصول اتانول سوق دهند. استفاده از مخمرها، فرآیند را به گستره کوچکی از سوبستراها محدود مینماید.
با موازنه انرژی میتوان گفت، بازده تولید خالص انرژی از این فرآیند حداکثر 25% خواهد بود. اگر 85% الکترونهای موجود در ذرت به اتانول بازیابی گردند، با سوزاندن بیواتانول در توربین و تولید برق با بازده متوسط 33%، نسبت انرژی الکتریکی خروجی به انرژی ورودی زیست توده به طور متوسط 30% خواهد بود ]5[.
پیلهای سوختی میکروبی برخلاف فرآیند تولید بیواتانول، میتوانند با استفاده از جوامع میکروبی چندگانه به جای مخمرها، گستره وسیعی از سوبستراها را مورد استفاده قرار دهند. به علاوه با حذف چرخه کارنودر آنها، بازده تولید انرژی نسبت به تولید بیواتانول بسیار بالاتر خواهد بود.
علاوه بر مسائل فوق، لزوم به زیر کشت بردن بخش وسیعی از زمینهای کشاورزی جهت تولید ذرت میتواند تبعات زیست محیطی زیادی، از جمله فرسایش خاک، استفاده بیش از حد از آفت کشها و رها سازی بیش از حد گاز نیتروژن در جو را در پی دارد ]5 [.
بررسی جامعه میکروبی و زنجیره تنفسی در آنها
در برخی از میکروبها، لازم است جهت تبدیل مواد اولیه به محصولات نهایی و تولید انرژی گونههای الکترون دهنده و الکترون گیرنده به داخل غشای سلولی آنها نفوذ نموده و واکنشهای بیوالکتروشیمیایی درون سلولها انجام گیرد. ولی میکروبهای برون الکترونزا قادرند گونههای الکترون دهنده و الکترون گیرنده نامحلول را که نمیتوانند به داخل سلول وارد شوند، مصرف نمایند. این گونه میکروبها قادرند الکترونها را توسط پروتئین سیتوکروم موجود در غشای خود، به بیرون سلول انتقال داده و به یک پذیرنده الکترون اهدا نمایند ]2[. خانوادههای ژئوباکتر و شوانلا دو گونه معرف و شناخته شده برون الکترونزاها میباشند ]4 [.