دانلود پایان نامه

ماکزیمم ولتاژ تئوری به دست آمده از یک پیل سوختی میکروبی به طور ترمودینامیکی میتواند با توجه به معادله نرنست پیشبینی شود (بررسی این معادلات در فصل سوم آمده است)، هر چند ولتاژ عملی به خاطر افت سه ترم برگشت ناپذیر مهم، یعنی افت اکتیواسیون، افت اهمی و افت انتقال جرم، کمتر از مقدار پیشبینی شده است. کاهش اکتیواسیون مانع، افزایش مساحت سطح مشترک، دما یا غلظت اکسنده میتواند عملکرد پیل سوختی میکروبی معکوس را بهبود بخشد و در نتیجه افت اکتیواسیون را کاهش دهد. توجه به افت اهمیک، کاهش مقاومت الکترود، الکترولیتها و اتصالات داخلی مقاومت داخلی را کمتر خواهد کرد و به طور مثبت، فرآیندهای انتقال الکترون و پروتون را به پیش میراند و در نتیجه عملکرد پیل سوختی میکروبی معکوس را بهبود میبخشد. افت انتقال جرم به خاطر کاهش مواد واکنش دهنده یا تجمع محصول به طور نرمال در دانسیته جریان بالا اتفاق میافتد. نگهداری غلظتهای بالای توده و حتی توزیع اکسید کنندهها در سمت اتاقک کاتدی و بهینه سازی شرایط عملیاتی پیل سوختی میکروبی معکوس، مواد سازنده الکترود، و هندسه محفظه کاتدی میتواند افت انتقال جرم را کاهش دهد. کاهش ظاهری در افت فعالیت در بیوکاتدهای احیاء کننده اکسیژن ثابت کرده است که با کتریها به عنوان کاتالیستهای واقعی فعالیت کردهاند[33].
در حالیکه بیوکاتدهای هوازی در طول سالهای گذشته بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند، هنوز چندین ضعف اساسی، همچون نیاز به تجهیزات خاص برای حل کردن اکسیژن و عبور اکسیژن از محفظه کاتد به آند، برای استفاده از این بیوکاتدها وجود دارد. مقدار ناکافی اکسیژن حل شده ممکن است اساساً عملکرد سیستم را محدود کند. رساندن اکسیژن حل شده، بدون نفوذ بیش از حد اکسیژن به آند که افت الکترونها را از طریق احیاء مستقل اکسیژن کاتد گسترش داده است، هنوز یکی از اساسیترین چالشهایی است که بیوکاتدهای هوازی پیلهای سوختی میکروبی مجبور به رویارویی با آن است. محدودیتهای بیوکاتدهای هوازی و کاربردهای ویژهای که حذف آلایندههای احیاء کننده یا تولید محصولات با ارزش احیاء کننده را نیاز دارد، تحقیقات را بر روی بیوکاتدهای بیهوازی متمرکز کرده است. این پذیرندگان الکترون شامل نیترات، سولفات، دیاکسید کربن، فومارات، پرکلرات، تری کلرواتن و تتراکلرواتن میباشند[33].
بیوفیلمهای کاتد
برهمکنش نزدیک بین میکروارگانیسمها و الکترود کاتد وجود دارد که هنور مشخص نشده که آیا تنها در رابطه با اکسیداسیون دهنده الکترون محلول و احیاء اکسیژن در حال نفوذ از طریق کاتد است (در جایی که اکسیژن گیرنده نهایی الکترون است). بعضی از خصوصیات درون سلولی این میکروارگانیسمهای اکسید کننده الکترود بر روی پتانسیل الکترود و توان خروجی بیوکاتد پیلهای سوختی میکروبی تأثیر میگذارد. برای مثال، نسبت گونههای اکسید کننده به احیاء کننده حاملان الکترون در یک میکروارگانیسم بر روی پتانسیلی که میتوانند الکترونها را به درون یا خارج سلول انتقال دهد، تأثیر میگذارد. به علاوه تنوع وسیعی از مکانیسمهای خارج سلولی القاء میکروبی برای توصیف نقش میکروارگانیسمها در افزایش پتانسیل سطح روی فلزات مجهول مورد استفاده قرار گرفتهاند [33].
تشکیل بیوفیلم نقش مهمی را در بهبود پتانسیل الکترود در پیلهای سوختی میکروبی ایفا میکند. مبنی بر مقایسه دانسیتههای جریان از یک محیط کشت مخلوط و محیط کشتهای خالص و تشکیل بیوفیلم فعال الکتروشیمیایی با استفاده از اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون، مشاهده شده که محیط کشت خالص توان کمتری نسبت به محیط کشت مخلوط تولید میکنند. برای تولید توان مطلوب تحت شرایط کشت خالص، تغییرات pH، اصلاحات سطح یا رشد بیوفیلم توسعه یافته روی الکترود کاتد، مورد بررسی قرار میگیرد [33].
ترم دیگری که بر روی توان تولیدی از بیوفیلمهای تشکیل شده بر روی الکترود کاتد نقش دارد، ضخامت بیوفیلم است. هر چند ضخامت بیوفیلم کاتدی ممکن است بر تولید توان در یک حالت خاص، اثر متفاوت داشته باشد، با این وجود نشان داده شده است که با افزایش ضخامت بیوفیلم کاتد، توان تولیدی به تدریج کاهش مییابد[34].
الکترود کاتدی
زبری سطح الکترود کاتدی ممکن است بر روی ناهمگونی ساختاری بیوفیلم اثر داشته باشد، که به ترتیب بر دینامیک فعالیتهای بیوفیلم و انتقال جرم و سپس پتانسیل مدار باز سطح اتصال تأثیر گذار است. مطالعاتی برای پایداری پیوند مستقیم بین بیوفیلم اتصال یافته و زبری سطح انجام گرفته است. به عنوان مثال، افزایش سطح جلا یافته، باعث کاهش زبری سطح و مقدار چسبندگی باکتری میشود، در حالیکه یک سطح زبر چسبندگی باکتری و کلنیزاسیون و سطوح پر انرژی برای تجمع بیشتر باکتریها را افزایش میدهد در نتیجه باکتریها اتصال محکمتری خواهند داشت. در مطالعهای دیگر بر روی یک سطح نرمتر اولیه کربن شیشهای و فولاد ضد زنگ بیوفیلم فشردهتر و همگنتر رشد یافتند. تحت شرایط ثابت برای هر دو نوع الکترود، مشاهده شده که دانسیته جریان فولاد ضد زنگ 25 برابر بیشتر از کربن شیشهای است و خواص الکتروسینتیکی عالی برای احیاء فومارات کاتالیز شده به وسیله کشت خالص نشان داده شد.
مساحت سطح الکترود، فاکتور مهم دیگری برای عملکرد راکتور است. افزایش مساحت سطح کاتد و نگهداشتن نسبت کم سطح آند به کاتد به طور گسترده برای حفظ واکنشهای کاتدی از نرخهای محدود انتقال الکترون در بیوآند و سپس توسعه تولید توان پیشنهاد شده است. در نمونه بیوکاتد پیلهای سوختی میکروبی، افزایش مساحت سطح کاتد، باید مقدار کاتالیست باکتری روی کاتد را افزایش دهد و بنابراین عملکرد سیستم را با کاهش اکتیواسیون بیوکاتد الکترود بهبود بخشیده و منجر به افزایش پتانسیل کاتد و افزایش تولید توان میشود. این افزایش تولید توان از کاتدهای میکروبی اخیراً با اصلاح مساحت سطح الکترودهای بر پایه گرافیت مشاهده شده است. کاتدهای فیبری گرافیت با مساحت سطح ویژه بیشتر نسبت به گرانولهای گرافیت در راکتور مشابه با استفاده از اکسیژن به عنوان یک پذیرنده الکترون، توان بیشتری را تولید میکنند که نشان دهنده اهمیت مساحت سطح بیوکاتد بالا است. تولید توان بزرگتر و نرخ احیاء بیشتر در یک بیوکاتد با مساحت سطح بیشتر، به خاطر تجمع میکروبی بیشتر میباشد.
مینیمم کردن دوره شروع به کار برای بیوکاتدها، یکی از چالشهای پیش روی کاربرد این تکنولوژی است. کاربرد پتانسیل کاتد بهینه میتواند شروع به کار جریان را تسریع کند و عملکرد بیوکاتد را با استفاده از اکسیژن به عنوان پذیرنده الکترون، مبنی بر نقشهای کاربردی پتانسیل الکترود بر روی فیزیولوژی میکروبی که شامل تغییر خواص سطح سلول، افزایش فعالیت آنزیم، کوتاه کردن زمان تکثیر باکتری است، را افزایش دهد.
در حالیکه خواص الکترود بر اتصال میکروارگانیسمها و عملکرد پیلهای سوختی میکروبی تأثیر میگذارد، ذکر این که هزینه مواد سازنده الکترود هنوز یک موضوع اساسی بیوکاتد پیلهای سوختی میکروبی است، قابل توجه میباشد. اخیراً الکترودهای بیوکاتد اساساً مواد بر پایه کربن مانند کاغذ کاربن ، نمد کربنی ، پد گرافیت ، گرانول گرافیت و فیبر گرافیتی میباشند. اما باز هم نیاز به هزینه پایینتر مواد الکترود برای کاربردهای عملی باقی میماند[33].
شیمی محلول
ایجاد گرادیانهای pH یک مشکل عمومی در پیلهای سوختی میکروبی است که از اسیدی شدن در آند به علت اکسیداسیون سوخت میکروبی، تولید قلیا در کاتد توسط احیاء اکسیژن و انتقال غیر معمول کاتیونهای موجود از طریق غشاء در غلظتهای پروتون نتیجه میشود. با توجه به میکروارگانیسمهای بیوکاتدی، تغییر pH میتواند ویژگیهای سطح سلولهای درون بیوفیلم شامل هیدروفوبیته سطح سلول، بار الکترواستاتیک خالص سطح، وضعیت سطح سلول و پلیمرها، مورفولوژی سلول، سایز سلول در تقسیم سلولی، زمان تقسیم و همچنین ساختار بیوفیلم را تغییر دهد، همه اینها میتوانند بر فعالیت بیوکاتالیستی تأثیر بگذارند. بنابراین یک عمل خنثی سازی pH مناسب یا یک کاتد اسیدی میتواند فعالیت بیوکاتالیست را برای فرآیند دنیتریفیکاسیون ، که در طی آن قلیا تولید میشود، افزایش دهد. بر عکس، یک pH نسبتاً بالای کاتد میتواند احیاء بیولوژیکی آلایندههای اکسید کننده همچون کلرات را که نیاز به pH بالاتر دارند، مفید باشد. عدم حضور بافر در یک الکترولیت بیوکاتدی هوازی منجر به تجمع هیدروکسیل میشود که نتیجه آن عملیات ناپایدار پیلهای سوختی میکروبی میباشد. در حالیکه استفاده از بافر و به طور بالقوه کنترل pH در بیوآند و بیوکاتد نیاز است، به چالشی برای بیوکاتدها در پیلهای سوختی میکروبی معکوس تبدیل شده است زیرا یک پیل سوختی میکروبی معکوس پایدار باید با کمترین نیاز برای اضافه کردن مواد شیمیایی کار کند. استفاده از غشاهای دوقطبی و یا غشاهای اولترافیلتراسیون یک فلاکس پروتونی بالای مجاز به اندازه استفاده از مواد زائد آند در کاتد یا یک عملیات مداری و در نتیجه استراتژیهای مجاز برای تعادل پروتونها و نگهداری پایدار بیوکاتد پیلهای سوختی میکروبی معکوس میباشند. اخیراً از یک بیوالکترود برگشتپذیر برای انجام واکنشهای متناوب آندی و کاتدی به طور موفقیت آمیز استفاده شده است. در چنین نمونهای، پروتونهای تولید شده در آند نیاز به انتقال یافتن از طریق غشاء آند ندارند، اما میتوانند برای احیاء اکسیژن در محفظه مشابه بدون مشکل بازدارندگی گرادیان pH مورد استفاده قرار گیرند. بعلاوه، اگر حذف غشاء از تولید جریان جلوگیری کند، یک عملیات بدون غشاء نیز انتخاب دیگری برای احیاء گرادیان pH است.
نتیجه مهم دیگر درباره شیمی محلول، نقش منبع کربن و اثرات شرایط کربن محدود کننده در بیوکاتدهاست. کربن غیر آلی به عنوان تنها منبع کربن برای رشد باکتریهای کاتدوفیلیک در بیشتر بیوکاتدهای پیلهای سوختی میکروبی معکوس هوازی یا بیهوازی مور استفاده قرار گرفتهاند. استفاده از این بیوکاتدهای اوتوتروفیک دلالت بر زمان و شروع به کار عملیات سیستم دارد، همچنین رشد اتوتروفی کندتر از رشد هتروتروفی است. از طرفی دیگر، عبور مواد آلی که از طریق غشاء از آند به کاتد که عموماً به خاطر نفوذ مولکولی و الکترواسمزی اتفاق میافتد، از چالشهای دیگر بیوکاتدهای پیلهای سوختی میکروبی معکوس است. عبور مواد آلی میتواند پتانسیل کاتدی را کاهش دهد، ساختار سطح کاتد و سمیت کاتالیستی را تغییر دهد و در نتیجه اثر منفی بر روی عملکرد سیستم و بازده کلمبیک داشته باشد. در مورد خوراکدهی یک بیوکاتد هوازی با مواد زائد آندی، ورود تقاضای اکسیژن شیمیایی اضافی به بیوکاتد، منجر به رشد قابل ملاحظه هتروتروفها میشود که به طور برگشتناپذیر، کاتد درون یک بیوفیلم هتروتروفیک هوازی میچرخد، سرانجام تأمین اکسیژن برای بیوفیلم کاتدی را محدود کرده و مانع از تولید الکتریسیته میشود. ضمناً رشد هتروتروفها بر روی کاتد میتواند اکسیژن را برای هیدرولیز و اکسیداسیون کُند COD بیو تجزیهپذیر در مواد زائد آند استفاده کند، که نشان دهنده توانایی حذف مقدار مشخصی از مواد آلی در بیوکاتدهاست. برای یک بیوکاتد بیهوازی، مقدار مشخصی از موادآلی بیوتجزیهپذیر، ممکن است رشد مناسبی از بیوفیلم هتروتروفی را بدون اثر منفی تولید پذیرندگان الکترون به همراه داشته باشد. در این نمونه تولید الکتریسیته و احیاء پذیرندگان الکترون ممکن است توسط نگهداری یک بیوفیلم کاتدی هتروتروفیک بهبود یابد[33].
هدف از پژوهش پیش رو
بر پایه آن چه تاکنون گفته شد، توسعه یک فناوری پایدار که بتواند چالشهای پیش روی انرژی و محیط زیست را همزمان برطرف نماید، ضروری به نظر میرسد.
مدلسازی ریاضی، علم یا هنر تبدیل هرگونه مشکل در مقیاس کوچک (میکرو) و یا بزرگ (ماکرو) به معادلات ریاضی تعریف شده است. مدل سازی ریاضی سیستمها و فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی برپایه شیمی، بیوشیمی، میکروبیولوژی، نفوذ جرم، انتقال حرارت، کاتالیستهای شیمیایی، بیوشیمیایی و بیوپزشکی یا واکنشهای بیوکاتالیزوری، همچنین واکنشهای بدون کاتالیست، موازنه انرژی و جرم و…است.
همانگونه که فرآیندهای شیمیایی و بیوشیمیایی به معادلات تبدیل میشوند، این معادلات باید به طور مؤثر به منظور داشتن ارزش عملی حل شوند. معادلات معمولاً به صورت عددی با کمک کامپیوتر و نرمافزار مناسب حل میشوند. تقریباً تمام معادلات مهندسان شیمی و بیولوژیک غیرخطی هستند. تقریباً همه مدلها راهحلهای شناخته شده ندارند. بنابراین معادلات مدل به طور کلی نیاز به روشهای عددی برای حل دارند.
پیچیدگی مدل ریاضی به درجه دقت موردنیاز و پیچیدگی تعامل بین فرآیندهای مختلف در حال وقوع درمحدوده سیستم و تعاملهای بین سیستم و محیط اطراف آن دارد. هدف مهم رسیدن به درجه بهینهای از پیچیدگی برای مدل سیستم است. منظور از “درجه بهینهای از پیچیدگی” یافتن یک مدل برای فرآیند است که تا حد امکان ساده باشد و در ضمن دقت مورد نیاز را در کاربردهای عملی مدل به خطر نیندازد.
مطالعاتی که در زمینه پیل سوختی میکروبی معکوس تا به امروز صورت گرفته است همگی تجربی و بر اساس نتایج آزمایشگاهی بوده اند. اگر مدل سازی این سیستمها منطقی انجام گیرد و تمام ابعاد را در برگیرد میتواند هم برای مهندسان و هم برای بیولوژیستها مفید باشد.
در این پروژه سعی بر این است تا یک مدل سازی منطقی و همه جانبه بر روی بخش کاتد یک سیستم پیل سوختی میکروبی معکوس برای تولید اسید استیک از دیاکسید کربن صورت گیرد. اسید استیک تولیدی میتواند علاوه بر کاربردهای فراوانی که در صنعت دارد به عنوان ماده اولیه برای تولید سوخت (گازوییل نباتی) توسط مخمرها مورد استفاده قرار گیرد.
از آنجا که باید بر روی کاتد موازنه جرم و انرژی نوشته شود تا معادلات ریاضی مربوط به آن به دست آید و مدل سازی آن انجام شود، نیاز است که ورودیها و خروجیهای کاتد مشخص شوند.
ورودیها: دی اکسید کربن، الکترون، پروتون، گاز نیتروژن و نیازمندیهای رشد میکروارگانیسمها.
خروجیها: ترکیبات آلی (از جمله اسیتک اسید) و محصولات فرعی دیگر، آب.
لازم به ذکر است که الکترونها از یک منبع خارجی و نه از آند به کاتد منتقل می شوند و همچنین این محصولات خارج سلولی هستند و پس از تولید محصول طی فرآیند جداسازی از محیط کشت خارج می شوند.