بازل و همچنین تعریف پروژه هایی مثل پروژه های مکانیسم توسعه پاک (CDM) همگی گواه بر اهمیت این موضوع می باشند. علاوه بر این، خبر رو به پایان بودن منابع نفتی دنیا تا 30 الی 40 سال آینده، کشورهای مختلف را بر این داشته است که به طور جدی به دنبال منابع تجدید پذیر و جایگزین باشند تا بتوانند امنیت انرژی خود را در آینده تامین نمایند.
پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند.
در حال حاضر، تکنولوژی MFC ها به دلیل راندمان پایین هنوز به تولید تجاری و انبوه نرسیده است. با تجاری شدن این صنعت، موضوع فاضلاب شهری نه تنها به عنوان یک مشکل بلکه به عنوان یک منبع تامین انرژی پاک مطرح خواهد بود به این دلیل که فاضلاب شهری منبع غنی میکروارگانیسم های مورد استفاده در پیل های سوختی میکروبیولوژیکی می باشد.
مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبی این امکان را فراهم می سازد که محققین با تغییر پارامترهای تاثیرگذار بر راندمان پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و بدون انجام آزمایشات متعدد و زمان بر بتوانند تغییرات حاصل در توان تولید شده را پیش بینی نموده و به اصلاح طرح خود بپردازند. در این تحقیق سعی شده است مدلی مناسب برای پیش بینی چنین تغییراتی ارائه شود.
فصل اول: درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی
1-1- مفاهیم
پیل سوختی میکروبی به راکتوری اطلاق می شود که انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنش های کاتالیستی میکروارگانیسم ها و تحت شرایط بی هوازی به انرژی الکتریکی تبدیل کند. سالهاست که دانشمندان به این موضوع پی برده اند که می توان مستقیما” و با استفاده از باکتری ها، مواد آلی را تجزیه کرد و الکتریسیته تولید نمود. در تصفیه فاضلاب نیز می توان از MFC ها برای تجزیه مواد آلی استفاده نمود. علاوه براین، طی مقالاتی سعی شده که از MFC ها به عنوان سنسورهای بیولوژیکی از قبیل سنسورهای نمایشگر BOD استفاده شود. توان خروجی و بازدهی کلمب در MFC ها تحت تاثیر عواملی نظیر: نوع میکروبهای موجود در سلول آند، پیکربندی MFC و شرایط عملیاتی می باشد. در حال حاضر کاربرد های عملی MFC ها محدود می باشد زیرا میزان توان خروجی آنها پایین و در حد چند هزار میلی وات بر مترمربع (mW/m2) می باشد. دانشمندان در تلاشند تا عملکرد MFC ها را بهبود بخشیده و هزینه های ساخت و عملیاتی آنها را کاهش دهند. مقاله حاضر در تلاش است تا مروری کلی بر پیشرفت های اخیر در مطالعه و پیشبرد MFC ها داشته و بیشتر، پیکربندی و بازدهی MFC ها تشریح شده است.
افزایش روزافزون استفاده بی رویه از سوخت های فسیلی، جهان را با بحران انرژی ماجه ساخته است. انرژی تجدیدپذیر بیولوژیکی یکی از گزینه های مناسب برای جبران بخشی لز نیاز جوامع بشری به انرژی می باشد. اخیرا”، مطالعات زیادی برای توسعه روش های مختلف تولید انرژی انجام می گردد. در این میان،   تولید الکتریسیته از منابع تجدیدپذیر که دی اکسیدکربن به محیط انتشار نمی کند بیش از هر روش دیگری مورد توجه است (Lovley، 2006، Davis و Hingson، 2007). اخیرا”، تکنولوژی پیل های سوختی میکروبی، MFCها، که انرژی ذخیره شده در پیوندهای ترکیبات آلی را از طریق واکنشهای کاتالیستی توسط میکروارگانیسم ها به انرژی الکتریکی تبدیل می کند مورد توجه ویژه ای واقع شده است (Allen و Bennetto، 1993؛ Gil و همکارانش، 2003؛ Moon و همکارانش، 2006؛ Choi و همکارانش، 2003).
باکتری های مورد استفاده در MFC ها قادر به تولید الکتریسیته می باشند و این در حالیست که همزمان، پساب و مواد آلی را به روش های بیولوژیکی تجزیه می کنند (Park و Zeikus، 2000؛ Oh و logan، 2005). شکل 1-1 نمای شماتیک یک MFC را نمایش می دهد که به منظور تولید الکتریسیته به کار برده شده است.
همانطوریکه از شکل پیداست، یک MFC شامل سلول های آند و کاتد می باشد که توسط یک غشای تبادل پروتون (PEM) از هم جدا شده اند (Wilkinson،2000؛ Gil و همکارانش، 2003).
میکروب های موجود در سلول آند، مواد آلی درون سلول آند را اکسید می کنند. طی این فرآیند، الکترون و پروتون تولید می گردد. دی اکسید کربن نیز به عنوان یک محصول حاصل از اکسایش تولید می گردد. اما، در کل، در این فرآیند هیچ دی اکسید کربنی آزاد نمی شود. جرا که دی اکسید کربن موجود در توده بیولوژیکی، در اصل طی فرآیند فتوسنتز، از هوای محیط وارد شده است. برخلاف فرآیند احتراق مستقیم، الکترون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها با عبور از غشای تبادل پروتون، PEM، یا یک پل نمکی، وارد سلول کاتد شده و با اکسیژن موجود در سلول کاتد واکنش داده و آب تولید می شود. میکروب های موجود در سلول آند، الکترون ها و پروتون ها را با اکسید کردن مواد آلی و طی فرآیندهایی مجزا و نامشابه، از مواد آلی درون سلول آند استخراج می کنند (Rabaey و Verstraete، 2005). تولید جریان الکتریسیته تنها زمانی مقدور می باشد که میکروب ها از اکسیژن یا هر ماده الکترون گیرنده دیگری غیر از آنچه که در سلول آند موجود است، جدا نگهداشته شده باشند که این خود گویای ایجاد شرایط بی هوازی برای محفظه آند می باشد.
طی سالهای اخیر، پیشرفت هاای سریع و چشمگیری در زمینه تحقیق و پژوهش MFC ها صورت گرفته است و تعداد مقالات و ژورنال های مربوط به تکنولوژی MFC ها طی سه سال اخیر و با پیوستن محققان بیشتر به جمع پژوهشگران MFC به طور چشمگیری افزایش یافته است. تعداد زیادی مقاله در زمینه بررسی MFC ها موجود می باشد که هر کدام بر بخشهای متفاوتی از MFC ها متمرکز بوده اند. Logan و همکارانش (2006) طرح MFC ها، خصوصیات و عملکرد MFC ها را بررسی کردند. بررسی متابولیسم در MFC ها توسط Rabaey و Verstraete (2005) انجام شد. Lovley (2006) عمدتا” به بررسی سیستم های BUG ( Benthic Unattended Generators) برای تامین توان تجهیزات سنسور-