چکیده:
زیست فناوری پیل سوختی میکروبی دانشی نوین می‌باشد، که در آن میکروارگانیسم‌ها به عنوان کاتالیستی ارزان، انرژی شیمیایی موجود در ترکیبات آلی و غیر آلی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. بهینه سازی پارامترهای مؤثر بر عملکرد پیل از اولین گام‌های آزمایشگاهی در جهت توسعه این تکنولوژی در مقیاس کاربردی است. توان تولیدی به عنوان یکی از مشخصه‌های محسوس از عملکرد پیل سوختی میکروبی می‌باشد که تحت تأثیر عوامل متعددی از جمله فاصله الکترودی، غلظت سوبسترای ورودی، رسانایی و شرایط اسیدیته محلول آنولیت، جنس و نوع الکترودهای به کار رفته، پارامترهای عملیاتی مانند: دما،pH و … می‌باشد. در این پژوهش در راستای تصفیه همزمان پساب و تولید توان و جریان الکتریسیته با استفاده از پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای اهداف زیر دنبال شد. نخست آنکه، توری استیل ضد زنگ با پوشش گرافیت به عنوان آند، سطحی متخلخل برای رشد و اتصال مناسب زیست لایه فراهم آورد. دوم آنکه با به کار گرفتن آند در هندسه حلزونی، سطح الکترود آند افزایش یافت و زمان رسیدن سوبسترا به میکروارگانیسم‌ها کاهش یافت. پساب صنایع شکلات سازی که محتوای ترکیبات سخت تجزیه پذیر و پایداری از قبیل حلال‌ها، شوینده‌ها و روغن‌ها می‌باشد، به عنوان سوبسترا به کار رفت. در این پژوهش دو پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای حلقوی با حجم 90 سانتی‌متر مکعب، با پیکربندی کاملاً یکسان و تنها اختلاف در فاصله الکترودی بصورت ناپیوسته مورد آزمایش قرار گرفت. بیشینه ولتاژ در حالت مدار باز و چگالی توان برای سامانه اول با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر، به ترتیب 742 میلی ولت و 98/7 وات بر متر مکعب به دست آمد. در راستای بهینه سازی فاصله الکترودی، سل سوختی دوم ساخته شد و در سه فاصله الکترودی 1، 7/0 و 4/0 سانتی‌متر راه اندازی گردید و عملکرد آن در این سه فاصله مورد بررسی قرار گرفت و با نتایج حاصله از سل سوختی اول مقایسه شد. بیشینه ولتاژ در حالت مدار باز در فاصله بهینه الکترودی 7/0 سانتی‌متر، 856 میلی ولت به دست آمد. آزمایشات مربوط برای به دست آوردن بیشینه جریان و چگالی توان مجددآً تکرار شد. بیشینه چگالی توان در فاصله بهینه، 898/22 وات بر متر مکعب حاصل شد. عملکرد پیل سوختی میکروبی به عنوان مولد برق بر مبنای رفتار پلاریزاسیون و پتانسیل پیل نشان داده شده است. در مراحل بعدی آزمایشات، غلظت سوبسترای ورودی، میزان اکسیژن خواهی شیمیایی، کدورت و پارامترهای عملیاتی مانند دما، pH و تأثیر آن‌ها بر رفتار سامانه در فاصله بهینه الکترودی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. کاهش قابل ملاحظه کدورت و میزان اکسیژن‌خواهی شیمیایی، بعد از 96 ساعت به ترتیب 66/79% و 2/91% مشاهده شد. با کاهش اکسیژن خواهی شیمیایی پساب از 14700 به 700 میلی‌گرم بر لیتر، مدت زمان فاز کاهشی کاهش یافت و کاهش جریان خروجی از 77/3 به 76/2 میلی آمپر مشاهده گردید. همچنین با بررسی اثر pH بر عملکرد سامانه، بیشینه جریان برای pH بین 7 تا 8 حاصل شد. بررسی اثر دما نیز حاکی از عملکرد منفی سامانه در دمای بیش از 35 درجه سانتی‌گراد بود. در نهایت تصاویر پویش میکروسکوپ الکترونی از توری استیل ضد زنگ با پوشش گرافیت پیش و پس از تشکیل زیست لایه، چسبندگی مناسب باکتری‌ها بر سطح الکترود را نشان داد.

فهرست مطالب
عنوان
فصل اول: مقدمه
پیشگفتار. خ‌
1- 1 افزایش جمعیت و نیاز به انرژی.. 1
1- 2 سوخت های فسیلی و چالش های کنونی.. 2
1-3 انرژی های تجدید پذیر. 3
1- 4 تولید الکتریسیته بیولوژیکی با استفاده از فناوری های پیل سوختی میکروبی 3
1-5 تاریخچه پیل های سوختی میکروبی.. 4
1-6 کاربرد های پیل سوختی.. 7
1-6-1 تولید انرژی تجدید پذیر با استفاده از پیل سوختی میکروبی.. 7
1-6-2 استفاده از پیل سوختی میکروبی جهت تصفیه فاضلاب.. 8
1-6-3 فرایند پیل سوختی میکروبی برای تولید هیدروژن.. 9
1-6-4 بیوسنسور. 9
1-7 انتقال الکترون به الکترود ها 9
1-7-1 مکانیزم انتقال الکترون.. 9
1-8 انواع پیل های سوختی میکروبی.. 12
1-9 پیل های سوختی میکروبی.. 13
1-9-1 مواد تشکیل دهنده الکترود آند. 14
1-9-1-1 کربن ورقه ای، پارچه ای، فوم ها 15
1-9-1-2 میله ها، نمد ها، فوم ها، صفحات و تخته های گرافیتی.. 15
1-9-1-3 دانه های گرافیتی.. 17
1-9-1-4 رشته ها و برس های گرافیتی 17
1-9-2 مواد تشکیل دهنده الکترود کاتد. 18
1-9-2-1 کاتد های کربنی با کاتالیست های پلاتینی.. 19
1-9-2-2 بایندر. 19
1-9-2-3 لایه های نفوذ. 20
1-9-2-4 پلاتین و فلزاتی با پوشش های پلاتینی.. 20
1-9-3 غشاء ها و جدا کننده ها 20
1-10 محاسبه ولتاژ. 21
1-11 بیشینه ولتاژ براساس روابط ترمودینامیکی.. 22
1-11 محاسبه توان.. 23
1-12-1 نرمالیزه کردن توان خروجی پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ 23
1-12-1-1 توان خروجی نرمالایز شده به مساحت سطح آند. 24
1-12-1-1 توان خروجی نرمالایز شده به مساحت سطح کاتد. 24
1-12-1-2 توان خروجی نرمالایز شده با حجم خالی بستر پیل.. 24
1-13 منحنی های پلاریزاسیون و چگالی توان.. 25
1-14 عوامل تاثیر گذار بر روی ولتاژ پیل سوختی میکروبی.. 27
1-15 نکاتی مهم   http://zusa.ir/%d9%be%d8%a7%db%8c%d8%a7%d9%86-%d9%86%d8%a7%d9%85%d9%87-%d9%85%d8%af%db%8c%d8%b1%db%8c%d8%aa-%d8%b1%db%8c%d8%b3%da%a9-%d9%88-%da%a9%d8%a7%d8%b1%d8%a7%db%8c%db%8c-%d8%b4%d8%b9%d8%a8-%d8%a8%d8%a7%d9%86/ و کوتاه در مورد باکتریها و شرایط متابولیسم آنها 29
فصل دوم : مروری بر پژوهش های پیشین
پیشگفتار. 32
2-1 پیکربندی.. 33
2-2 سیستم های پیل سوختی تک محفظه‌ای‌ 33
2-3 مروری بر الکترود های به کار گرفته شده در پیل سوختی میکروبی.. 36
2-4 مروری بر پژوهش های صورت گرفته در زمینه پساب های استفاده شده 39
2-4-1 استات.. 40
2-4-2 گلوکز. 40
2-4-3 توده زیستی لیگنوسلولزی.. 41
2-4-4 پساب کارخانجات آبجو سازی.. 41
2-4-5 پساب خروجی از کارخانجات تولید نشاسته. 42
2-4-6 شیرابه زباله. 42
2-4-7 پساب ساختگی.. 43
فصل سوم : سامانه مورد آزمایش، مواد، روش‌ها و نحوه محاسبات
پیشگفتار. 45
3-1 طراحی، ساخت و راه اندازی پیل سوختی بیولوژیکی.. 46
3-1-1 بدنه پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ 46
3-1-2 الکترود کاتد. 49
3-1-3 الکترود آند. 53
3-2 دستگاه های مورد استفاده. 55
3-2-1 سیستم ثبت ولتاژ در طول زمان.. 55
3-2-2 دستگاه اسپکتروفتومتر. 55
3-2-3 دستگاه اندازه گیری pH.. 56
3-2-4 دستگاه آون.. 56
3-2-5 دستگاه سانتریفیوژ. 56
3-2-6 دستگاه انکوباتور. 57
3-2-7 ترازو. 57
3-2-8 میکروسکوپ الکترونی پویشی.. 57
3-2-9 دستگاه اولتراسونیک… 59
3-2-10 دستگاه کدورت سنج.. 59
3-3 آزمایشات انجام شده. 59
3-3-1 آزمایش COD.. 60
3-3-1-1 محلول اسید سولفوریک… 60
3-3-1-2 محلول هاضم. 60
3-3-1-3 منحنی استاندارد برای سنجش COD.. 61
3-3-2 اندازه گیری غلظت گلوکز. 61
3-3-3 اندازه گیری کل مواد جامد (TS) 63
3-3-4 اندازه گیری کل جامدات معلق (TSS) 63
3-3-5 اندازه گیری کدورت.. 64
3-3-6 اندازه گیری دما 64
3-3-7 اندازه گیری pH.. 64
3-3-8 غنی سازی میکروبی پیل سوختی و سازگاری میکرو ارگانیسیم ها با پساب 65
3-4 نحوه انجام محاسبات.. 69
3-4-1 اندازه گیری جریان و توان.. 69
3-4-2 نمودار پلاریزاسیون، چگالی توان و اندازه گیری مقاومت درونی.. 69
3-4-3 محاسبه بازدهی عملیاتی پیل سوختی میکروبی.. 70
فصل چهارم: بحث و نتایج
4 پیشگفتار. 72
4-1 اندازه گیری ولتاژ مدار باز. 73
4-2 تاثیر مقاومت خارجی بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ 77
4-2-1 اعمال مقاومت های خارجی پایین‌تر ‌و مقایسه عملکرد سیستم. 80
4-2-2 اعمال مقاومت خارجی 100 و 50 اهم. 84
4-2-3 نمودار پلاریزاسیون و چگالی توان.. 88
4-2-4 بررسی کاهش کدورت پساب.. 91
4-2-5 بررسی کاهش اکسیژن خواهی شیمیایی.. 92
4-3 بررسی اثر دما بر فعالیت پیل سوختی میکروبی، جریان و چگالی توان 93
4-4 بررسی اثر pH بر عملکرد پیل سوختی میکروبی.. 95
4-5 بررسی تأثیر غلظت پساب بر عملکرد سامانه. 96
4-6 منحنی مصرف قند. 99
4-7 محاسبه بازدهی عملیاتی پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای.. 99
4-7-1 بازدهی پتانسیل (PE) 99
4-7-2 بازده کلومبیک (CE) 100
4-7-3 بازدهی تبدیل انرژی (ECE) 102
4-8 مقایسه عملکرد پیل سوختی میکروبی.. 102
4-9 ریخت شناسی زیست لایه تشکیل شده بر سطح الکترود آند. 102
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1 نتیجه گیری.. 104
5-2 پیشنهادات.. 107













فهرست جدول ها
جدول ‏2‑1 مزایا و معایب الکترودهای بر پایه کربن. 37
جدول ‏2‑2 پژوهش‌های انجام شده با الکترودهای گوناگون آند بر پایه کربن و به کارگیری منبع تلقیح‌های متفاوت. 38
جدول ‏2‑3 پژوهش‌های صورت گرفته بر روی پیل تک محفظه‌ای‌ و محاسبه توان خروجی نرمالایز شده با کاتد. 39
جدول ‏2‑4 سوبستراهای متفاوت به کار رفته در پیل‌های تک محفظه‌ای‌ و بیشترین جریان تولید شده. 44
جدول ‏3‑1 مشخصات پساب ورودی به پیل سوختی میکروبی. 64
جدول ‏3‑2 مقادیر منبع مواد معدنی و ویتامینه برای تغذیه باکتری‌ها. 67
جدول ‏4‑1 مقایسه میزان مصرف سوبسترا در مقاومت‌های 300 و 500 اهم. 81
جدول ‏4‑2 مقایسه مدت زمان سه فاز افزایشی، ایستا، کاهشی در مقاومت‌های 500 و 300 اهم. 82
جدول ‏4‑3 تغییرات ولتاژ، جریان و توان بر حسب تغییرات مقاومت در پیل‌ با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر. 85
جدول ‏4‑4 تغییرات ولتاژ، جریان و توان بر حسب تغییرات مقاومت در پیل‌ با فاصله الکترودی 7/0 سانتی‌متر. 87

فهرست شکل ها
شکل ‏1‑1 تعداد مقالات استناد شده در زمینه‌ی پیل سوختی و توزیع کشور‌ها 5
شکل ‏1‑2 تعدادارجاعات در مورد موضوع پیل‌های سوختی میکروبی در پایگاه Science. 6
شکل ‏1‑3 اجزای بنیادی یک پیل سوختی میکروبی. 7
شکل ‏1‑4 روش های انتقال الکترون. 11
شکل ‏1‑5 نانو سیم‌های تولید شده توسط شوانلا که بر روی یک الکترود در پیل سوختی میکروبی رشد نموده‌اند. 12
شکل ‏1‑6 تصویر مواد کربنی بکار رفته در آندها 15
شکل ‏1‑7 تصاویر بعضی از مواد گرافیتی به کار رفته در آند پیل‌های میکروبی.. 16
شکل ‏1‑8 تصاویر دانه‌ها، برس‌های گرافیتی و فیبر گرافیتی بکار رفته در آند. 17
شکل ‏1‑9 کربن پارچه‌ای پیش و پس از پوشش دهی لایه کاتالیست و غشاء. 19
شکل ‏1‑10 غشاء نفیون. 21
شکل ‏1‑11 غشاء CEM… 21
شکل ‏1‑12 منحنی پلاریزاسیون و چگالی توان در پیل‌های سوختی میکروبی. 25
شکل ‏2‑1 MFC با یک لایه نفوذ پذیر برای پروتون که پوشاننده سمت داخلی کاتد است. 33
شکل ‏2‑2 پیل سوختی مکعبی ساخته شده توسط لئو و لوگان. 34
شکل ‏2‑3 پیل سوختی تک محفظه‌ای هوا کاتد طراحی شده توسط لئو و همکارانش… 35
شکل ‏2‑4 شماتیکی از پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ از دو زاویه مختلف. 35
شکل ‏2‑5 اولین پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای بزرگ مقیاس ساخته شده توسط لئو و همکاران. 36
شکل ‏3‑1 طرح جداره پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ روی پلکسی گلاس به ضخامت 3 سانتی‌متر. 46
شکل ‏3‑2 طرح درپوش بالایی پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌ 47
شکل ‏3‑3 نگه دارنده کاتد که الکترود کاتدی روی آن قرار می‌گیرد و در مرکز سل نصب می‌شود. 48
شکل ‏3‑4 طرح کلی پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با آند حلزونی. 48
شکل ‏3‑5 ساختار پیشنهاد شده توسط چنگ و همکاران که محل نسبی لایه نفوذی و کاتالیست را نشان می‌دهد. 49
شکل ‏3‑6 قرار دادن مخلوط کربن- پلاتین، آب، ایزوپروپانول و نفیون داخل حمام اولتراسونیک. 52
شکل ‏3‑7 جوهر کاتالیست همگن شده بعد از حمام اولتراسونیک. 52
شکل ‏3‑8 نصب الکترود کربن پارچه‌ای بر روی نگه دارنده کاتد پیش از پوشش دهی با جوهر کاتالیست. 53
شکل ‏3‑9 توری استیل ضد زنگ در هندسه حلزونی. 54
شکل ‏3‑10 پوشش دهی استیل ضد زنگ با رنگ گرافیتی و پس از پیچیدن دور کاتد. 54
شکل ‏3‑11 سیستم ثبت ولتاژ استفاده شده در این پژوهش. 55
شکل ‏3‑12 میکروسکوپ الکترونی مورد استفاده در این پژوهش. 58
شکل ‏3‑13 دستگاه لایه نشانی طلای مورد استفاده در تحقیق حاضر. 58
شکل ‏3‑14 نمودار استاندارد برای اندازه‌گیری COD.. 61
شکل ‏3‑15 منحنی استاندارد برای اندازه گیری گلوکز. 62
شکل ‏3‑16 محلول‌های تغذیه مورد استفاده در این پژوهش. 66
شکل ‏3‑17 تزریق مواد مغذی به مخلوط لجن و سازگاری میکروارگانیسم‌ها با پساب. 68
شکل ‏4‑1 اندازه گیری اختلاف پتانسیل مدار باز پیل سوختی میکروبی اول با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر. 74
شکل ‏4‑2 اندازه گیری اختلاف پتانسیل مدار باز برای پیل دوم در سه فاصله الکترودی مختلف. 76
شکل ‏4‑3 اختلاف پتانسیل پیل تک محفظه‌ای با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر در مقامت 500 اهم. 78
شکل ‏4‑4 ( الف) نمودار توان، (ب) شدت جریان پیل با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر، در مقاومت 500 اهم. 79
شکل ‏4‑5 شدت جریان الکتریکی در مقاومت 500 و 300 اهم. 80
شکل ‏4‑6 چگالی توان در مقاومت 500 و 300 اهم. 81
شکل ‏4‑7 تغییرات اختلاف پتانسیل حاصل از تجزیه فورفورال در پیل سوختی میکروبی هوا- کاتد. 83
شکل ‏4‑8 نمودار اختلاف پتانسیل به دست آمده توسط لو و همکاران . 83
شکل ‏4‑9 (الف) توان، (ب) شدت جریان در مقاومت الکتریکی 100 اهم. 84
شکل ‏4‑10 (الف) توان، (ب) شدت جریان در مقاومت الکتریکی 50 اهم. 84
شکل ‏4‑11 اختلاف پتانسیل پیل تک محفظه‌ای با فاصله الکترودی 7/0 سانتی‌متر در مقامت 1000 اهم. 86
شکل ‏4‑12 ( الف) نمودار توان، (ب) شدت جریان پیل با فاصله الکترودی 7/0 سانتی‌متر در مقاومت 1000 اهم. 87
شکل ‏4‑13 نمودار پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر. 88
شکل ‏4‑14 نمودار چگالی توان پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با فاصله الکترودی 3/1 سانتی‌متر. 89
شکل ‏4‑15 نمودار پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با فاصله الکترودی بهینه 7/0 سانتی‌متر . 90
شکل ‏4‑16 نمودار چگالی توان پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با فاصله الکترودی بهینه 7/0 سانتی‌متر. 91
شکل ‏4‑17 کاهش کدورت پساب صنایع شکلات سازی با استفاده از پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای‌. 92
شکل ‏4‑18 کاهش اکسیژن‌خواهی شیمیایی بر حسب زمان در مقاومت 100 اهم. 93
شکل ‏4‑19 نمودار تغییرات جریان پیل سوختی میکروبی در دماهای متفاوت. 94
شکل ‏4‑20 نمودار چگالی توان پیل سوختی میکروبی در دماهای متفاوت. 94
شکل ‏4‑21 بررسی تأثیرpH بر عملکرد پیل سوختی میکروبی در دمای 35 درجه سانتی‌گراد و مقاومت 100 اهم. 96
شکل ‏4‑22 تغییرات شدت جریان الکتریکی بر حسب زمان در مقاومت 100 اهم برای دو غلظت متفاوت از پساب ورودی. 97
شکل ‏4‑23 تغییرات چگالی توان بر حسب زمان در مقاومت 100 اهم برای دو غلظت متفاوت از پساب ورودی. 97
شکل ‏4‑24 تغییرات شدت جریان الکتریکی در دو چرخه هوراک با دو غلظت متفاوت از در مقاومت 100 اهم. 98
شکل ‏4‑25 منحنی مصرف گلوکز توسط میکروارگانیسم‌ها بر حسب زمان. 99
شکل ‏4‑26 تغییرات شدت جریان در مقاومت 100 اهم برای پیل سوختی میکروبی با فاصله الکترودی 7/0 سانتی‌متر. 100
شکل ‏4‑27 محاسبه انتگرال شدت جریان در زمان با استفاده از نرم افزار Origin در 96 ساعت. 101
شکل ‏4‑28 تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی از آند حلزونی شکل. 103