دانلود پایان نامه
شکل 4-7: روند تغییرات چگالی جریان با غلظت سوبسترا در حجم مایع

شکل 4-8: روند تغییرات ضخامت بیوفیلم با غلظت سوبسترا در حجم مایع
تا اینجا، اثرات تغییرات غلظت سوبسترا به عنوان یکی از عوامل محدود کننده چگالی جریان با پتانسیل اشباع مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه اثر تغییرات پتانسیل کاتد با غلظت اشباع سوبسترا در کاتولیت مورد بحث قرار میگیرد.
رفتار مشخصه جمله نرنست- مونود (معادله 3-3) در شکل 4-9 نشان داده شده است. با توجه به این شکل، چگالی جریان مصرفی از یک بیوفیلم رسانا تنها متأثر از یک محدوده بسیار جزیی از تغییرات پتانسیل کاتد بوده و در پتانسیلی معادل EKA، برابر با نصف مقدار حداکثر است [5]. محدوده مذکور بین 1/0- ولت تا 1/0 ولت در اطراف EKA را شامل میشود. به عبارتی دیگر، در یک بیوفیلم رسانای الکتریسیته که توسط جمله نرنست-مونود توصیف میشود، تغییرات پتانسیل تنها در یک محدوده جزیی روی چگالی جریان تأثیر میگذارد و در خارج از این محدوده، چگالی جریان نسبت به پتانسیل اشباع میباشد. بنابراین میتوان گفت مقدار EKA یکی از عوامل مهم در تعیین عملکرد پیل سوختی میکروبی است؛ به طوری که چگالی جریان به ازای پتانسیلهای بالاتر از EKA+0.1(V)، اشباع و به ازای پتانسیلهای پایینتر از EKA-0.1 (V)، صفر میباشد.

شکل 4-9: جمله نرنست-مونود نسبت به پتانسیل کاتد


البته باید متذکر شد که شکل 4-9، به منظور درک بهتر رفتار بیوفیلم رسانا و برای حالت ساده و ایدهآلی رسم شده است که تنها پتانسیل کاتد محدود کننده چگالی جریان باشد. همچنین فرض شده است، بیوفیلمی با ضخامت ثابت و توزیع ثابت باکتریها در آن و بدون تأثیر گرفتن از شرایط موجود، روی سطح کاتد وجود دارد.
با توجه به مطالبی که شرح داده شد، انتظار میرود تغییرات چگالی جریان با پتانسیل سطح کاتد و در غلظت سوبسترای اشباع شبیه شکل 4-9 باشد. تغییرات مذکور برای مدل حاضر در حالت 2 جدول 4-2 و با در نظر گرفتن بیوفیلم متأثر از شرایط موجود، در شکل 4-10 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه میشود، روند تغییرات چگالی جریان با پتانسیل کاتد در محدوده داده شده شبیه شکل 4-9 میباشد، چگالی جریان با افزایش پتانسیل سطح کاهش مییابد. اگرچه با توجه به شکل 4-9 انتظار میرفت که در پتانسیلی معادل 448/0- ولت، چگالی جریان معادل نصف چگالی جریان بیشینه گردد اما این اتفاق در پتانسیل 32/0- ولت رخ داد. این امر میتواند به این دلیل باشد که تحت شرایط موجود، فرآیند توسط مقاومت انتقال جرم خارجی کنترل شده و تغییرات پتانسیل سطح کاتد تغییری در فیلم غلظتی ایجاد نمیکند. بنابراین چگالی جریان در تمامی پتانسیلها، تا زمان پایدار ماندن بیوفیلم، تقریباً اشباع میباشد.
با توجه به مطالب عنوان شده در بخش 3-7 (معادله 3-31) حداقل پتانسیل نسبی مورد نیاز برای داشتن یک بیوفیلم پایدار با توجه به مقادیر حالت مرجع (جدول 4-1)، برابر با 13/1 ولت (معادل پتانسیل682/0- ولت در سطح کاتد) میباشد. بنابراین در صورت برقراری پتانسیل 682/0- ولت و کمتر از آن بر روی سطح کاتد، سرعت از بین رفتن بیوفیلم بیش از سرعت رشد آن خواهد شد و در نهایت بیوفیلمی جهت مصرف سوبسترا و کاتالیز کردن واکنش تولید استات (محصول) وجود نخواهد داشت.

مطلب مرتبط :   یهود، قرآن، یهودیان، کریم، تحریف، پیامبر

شکل 4-10: تغییرات چگالی جریان با پتانسیل سطح کاتد
در محدوده پتانسیل فوق (5/0- تا 3/0- ولت)، بر خلاف حالت اشباع، تغییرات پتانسیل الکتریکی در طول بیوفیلم قابل توجه است. این مسئله، مشابه مقاومت انتقال جرم، باعث ایجاد مقاومت در برابر هدایت الکترونها در بیوفیلم میگردد. مقاومت در برابر انتقال گونههای باردار از جمله الکترونها، بخشی از مقاومتهای اهمی را در پیل سوختی میکروبی تشکیل میدهد. بنابراین در محدوده مذکور، اتلاف انرژی به صورت اتلاف ولتاژ اتفاق میافتد. در خارج از این محدوده و در صورت وجود سایر مقاومتهای اهمی، بخش اعظم اتلاف انرژی فقط ناشی از وجود مقاومت انتقال جرم خواهد بود.
بازده کلومبیک نیز با افزایش ولتاژ سطح کاتد افزایش مییابد. با توجه به نمودارهای 4-1 و 4-2، تغییرات پتانسیل الکتریکی (=EKA-Vcathη) و غلظت سوبسترای کاتولیت، در خلاف جهت هم تغییر میکنند. در نتیجه ولتاژ سطح کاتد (Vcath)، تغییراتی همانند غلظت سوبسترای کاتولیت دارد و در نتیجه با افزایش ولتاژ سطح کاتد، همانند افزایش غلظت سوبسترای کاتولیت، بازده کلومبیک افزایش مییابد. همچنین در پتانسیل 3/0- بازده کلومبیک بیشترین مقدار خود یعنی 55% را داراست.
رفتار دینامیکی بیوفیلم تحت شرایط جدول 4-2 نیز قابل بررسی است. نحوه اشباع شدن چگالی جریان با زمان برای سه غلظت 030/0، 040/0 و 050/0 میلی مول بر متر مکعب و پتانسیلهای کاتد 345/0، 445/0 و 545/0 ولت به ترتیب در شکلهای 4-11 و 4-12 مشاهده میشود.

نمودار 4-11: تغییرات چگالی جریان با زمان در پتانسیل اشباع و غلظتهای مختلف
از آنجا که در هر نمودار مقدار عوامل محدود کننده غلظت سوبسترا و پتانسیل کاتد متفاوت است، سطح نهایی چگالی جریان نیز متفاوت خواهد شد. با افزایش غلظت سوبسترا سطح جریان بالاتر رفت و چگالی جریان طی مدت زمان زیادی پایدار شد. از طرفی مقادیر متفاوت پتانسیل کاتد، زمان رسیدن به حالت اشباع و سطح چگالی جریان یکسانی را دارا بودند. این امر را میتوان بدین صورت تحلیل نمود که با افزایش غلظت سوبسترا، علاوه بر چگالی جریان، ضخامت بیوفیلم نیز افزایش مییابد. بنابراین، با افزایش غلظت، بخش بیشتری از الکترونهای ورودی به بیوفیلم، صرف رشد آن میشود و بخش کمتری از آنها به افزایش تولید محصول اختصاص مییابد. علاوه بر این، سطح بالاتر چگالی جریان نیز باعث میشود مدت زمان بیشتری صرف اشباع آن گردد.

مطلب مرتبط :   دانلود مقاله با موضوع ویژگی‌های جمعیت شناختی، محدودیت ها و مشکلات

شکل 4-12: تغییرات چگالی جریان با زمان برای غلظت سوبسترای اشباع و پتانسیلهای مختلف
شرایط محدود کننده موجود بر روی نحوه توزیع باکتریهای فعال در بیوفیلم نیز تأثیر گذاشت. شکلهای 4-13 و 4-14، گویای این مسئله میباشند.

شکل 4-13: توزیع میکروبهای فعال در بیوفیلم، پتانسیل کاتد محدود کننده
همانگونه که در شکل 4-13 مشاهده میشود، در صورتی که غلظت سوبسترا اشباع و پتانسیل کاتد محدود کننده باشد، تمایل تجمع میکروبهای فعال با فاصله از کاتد افزایش یافته تا بتوانند بیشتر در معرض سوبسترا و پتانسیلهای بالا قرار گیرند. در حالیکه در شکل 4-14 که غلظت سوبسترا محدود کننده است، میکروارگانیسمها جهت دسترسی بیشتر به مواد مغذی از کاتد فاصله گرفتهاند. در هر دو حالت نیز باکتریهای غیر فعال که نقش هدایت الکتریسیته را بر عهده داشتند، بیشتر در مجاورت سطح کاتد قرار گرفتند.

شکل 4-14: توزیع میکروبهای فعال در بیوفیلم، غلظت سوبسترای محدود کننده