3-1-3 دستگاه هاي به کار رفته51
3-2 روش بررسي52
3-2-1 نمونه پساب52
3-2-2 آناليز هاي فيزيکوشيميايي53
3-2-3 طراحي پيل سوختي ميکروبي53
3-2-4 راه اندازي سيستم56
3-2-5 سنجش پارامتر هاي الکتريکي پساب56
3-2-6 جداسازي باکتري هاي الکتروژن از پساب57
3-2-7 استحصال الکتريسيته از جدايه ها58
3-2-8 سينتيک رشد جدايه ها60
3-2-9 شناسايي الکتروژن ها60
3-2-10 آناليز ها و آزمون هاي آماري62
فصل چهارم: نتايج و بحث63
4-1 توليد الکتريسيته از پساب64
4-2 آناليز هاي مرتبط با آلودگي زدايي پساب70
4-3 شناسايي باکتري هاي الکتروژن72
4-4 استحصال الکتريسيته از باکتري ها74
فصل پنجم: نتيجه گيري82
فهرست منابع95
چکيده انگليسي103
فهرست جدول ها
جدول 2-1 ميکروارگانيسم هاي مورد استفاده در پيل هاي سوختي ميکروبي28
جدول 2-2 اجزاي تشکيل دهنده پيل سوختي ميکروبي32
جدول 2-3 فعاليت هاي الکترودي MFC و پتانسيل هاي ردوکس متناظر42
جدول 4-1 تجزيه واريانس ميزان ولتاژ، جريان و توان در پساب67
جدول 4-2 مقايسه ميانگين هاي ميزان ولتاژ، جريان و توان در پساب67
جدول 4-3 پارامتر هاي مرتبط با تصفيه پساب68
جدول 4-4 تجزيه واريانس ميزان ولتاژ، جريان و توان توليدي توسط باکتري ها73
جدول 4-5 مقايسه ميانگين هاي ميزان ولتاژ، جريان و توان توليدي توسط باکتري ها73
فهرست نمودار ها
نمودار 4-1 مقدار ولتاژ توليد شده از پساب در سيستم BATCH63

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

نمودار 4-2 مقدار جريان توليد شده از پساب در سيستم BATCH63
نمودار 4-3 مقدار توان توليد شده از پساب در سيستم BATCH64
نمودار 4-4 مقدار ولتاژ توليد شده از پساب در سيستم FED-BATCH64
نمودار 4-5 مقدار جريان توليد شده از پساب در سيستم FED-BATCH65
نمودار 4-6 مقدار توان توليد شده از پساب در سيستم FED-BATCH65
نمودار 4-7 منحني پلاريزاسيون ولتاژ و توان توليد شده در سيستم BATCH66
نمودار 4-8 منحني پلاريزاسيون ولتاژ و توان توليد شده در سيستم FED-BATCH66
نمودار 4-9 ولتاژ توليد شده توسط باکتري C174
نمودار 4-10 جريان توليد شده توسط باکتري C175
نمودار 4-11 توان توليد شده توسط باکتري C175
نمودار 4-12 منحني رشد باکتري C176
نمودار 4-13 منحني پلاريزاسيون ولتاژ و توان توليد شده در باکتري C176
نمودار 4-14 ولتاژ توليد شده توسط باکتري C277
نمودار 4-15 جريان توليد شده توسط باکتري C277
نمودار 4-16 توان توليد شده توسط باکتري C278
نمودار 4-17 منحني رشد باکتري C278
نمودار 4-18 منحني پلاريزاسيون ولتاژ و توان توليد شده در باکتري C279
نمودار 4-19 ولتاژ توليد شده توسط باکتري D279
نمودار 4-20 جريان توليد شده توسط باکتري D280
نمودار 4-21 توان توليد شده توسط باکتري D280
نمودار 4-22 منحني رشد باکتري D281
نمودار 4-23 منحني پلاريزاسيون ولتاژ و توان توليد شده در باکتري D281
فهرست شکل ها
شکل 2-1 طرح شماتيک نوعي پيل سوختي ميکروبي دو محفظه اي18
شکل 2-2 مثال هايي از طرح پيل هاي سوختي مولد الکتريسيته23
شکل 2-3 اجزا و مکانيسم هاي دخيل در انتقال الکترون29
شکل 2-4 مدلي از ترکيبات مختلف به عنوان شاتل هاي الکتروني30
شکل 2-5 طرح شماتيک يک MFC دو جزئي استوانه اي شکل34
شکل 2-6 تصوير شماتيک يک MFC صفحه تخت35
شکل 2-7 يک MFC با يک لايه غشاي متخلخل36
شکل 2-8 طرح شماتيک يک SC-MFC37
شکل 2-9 طرحي از يک MFC بدون واسطه و بدون غشا38
شکل 2-10 MFC هاي پيوسته39
شکل 3-1 تصوير هوايي شهرک صنعتي آق قلا52
شکل 3-2 ميله هاي کربني مورد استفاده به عنوان الکترود54
شکل 3-3 گيره هاي سوسماري متصل به الکترود هاي کربني55
شکل 3-4 لوله هاي شيشه اي U شکل مورد استفاده به عنوان پل نمکي55
شکل 3-5 مولتي متر ديجيتال جهت اندازه گيري پارامتر هاي الکتريکي56
شکل 3-6 استريليزاسيون سطحي پيل ها توسط اشعه UV در زير هود58
شکل 3-7 پيل ميکروبي تغذيه شونده با نوترينت براث59
شکل 4-1 پيل سوختي ميکروبي طراحي شده در اين مطالعه62
شکل 4-2 محفظه هاي آندي و کاتدي پس از 10 روز68
شکل 4-3 فرآيند استحصال الکتريسيته از پساب در روز هاي مياني و پس از اتمام فرآيند69
شکل 4-4 تغيير ماهيت کاتوليت در محفظه کاتدي در روز هاي مياني و پس از اتمام فرآيند70
شکل 4-5 کشت افتراقي باکتري هاي خالص شده از پساب در محيط هاي بلاد و EMB71
شکل 4-6 تست هاي بيوشيميايي مختلف جهت شناسايي جدايه ها72
شکل 5-1 سيم هاي ايجاد شده توسط گونه هاي شوانلا و ژئوباکتر90
شکل 5-2 تعداد مقالات گزارش شده مرتبط با حوزه پيل هاي سوختي ميکروبي در دنيا91
فهرست علائم و اختصار ها
معادل فارسيمعادل انگليسيعلامتپيل سوختي ميکروبيMicrobial fuel cellMFCغشاي تبادل پروتونProton Exchange MembranePEMآدنوزين تري فسفاتAdenosine triphosphateATPقرمز خنثيNeutral RedNRکربن شيشه اي مشبکReticulated vitreous carbonRVCپيل سوختي ميکروبي صفحه تختFlat Plate MFCFPMFCپيل سوختي ميکروبي تک محفظه ايSingle Chamber MFCSC-MFCاکسيژن محلولDissolved OxygenDOاکسيژن شيميايي مورد نيازChemical Oxygen DemandCODاکسيژن بيولوژيک مورد نيازBiological Oxygen DemandBODکل جامدات محلولTotal Dissolved SolidsTDSمقاومتResistantRولتاژVoltageVجريانCurrentIتوانPowerPفرابنفشUltra VioletUVواحد شمارش کلونيColony Forming UnitCFU
چکيده
نياز روز افزون به منابع جايگزين انرژي، امري است که طي سال هاي اخير نگراني هاي جهاني را در جهت چگونگي رفع اين نياز به وجود آورده است. علاوه بر آن وابستگي به سوخت هاي فسيلي، بدليل ايجاد انواع آلودگي و محدود بودن اين منابع متداوم نخواهد بود. با وجود اينکه براي حل بحران کنوني انرژي، تحقيقات بسياري صورت گرفته ولي به نظر نمي رسد هيچ راه حلي بتواند به تنهايي جايگزين استفاده کلان جهاني از سوخت هاي فسيلي گردد. از اين رو منابع و روش هاي جايگزين متفاوتي لازم است تا به منظور به کارگيري در سيستم هاي خاص و با شيوه هاي مشخص و موقعيت هاي مختلف، انرژي لازم را فراهم نمايد. کشف اين حقيقت طي سال هاي اخير که باکتري ها براي توليد الکتريسيته از پسماند و بيومس تجديد پذير قابل استفاده هستند، توجه زيادي را به خود معطوف داشته است. پيل هاي سوختي ميکروبي (MFC) تکنولوژي هاي نويني هستند که با اکسيداسيون مواد آلي و به کمک ميکروارگانيسم ها، اين امکان را فراهم نموده و انرژي شيميايي را به انرژي الکتريکي تبديل مي کنند. علاوه بر آن با نقش همزمان در تصفيه پساب، به عنوان جايگزيني مناسب جهت کاهش هزينه هاي تصفيه و توليد الکتريسيته در نظر گرفته مي شوند. لذا طي اين مطالعه بررسي هاي آزمايشگاهي به منظور استحصال الکتريسيته از باکتري هاي موجود در پساب صنعتي در کنار آناليز هاي مرتبط با کيفيت تصفيه پساب با طراحي يک پيل سوختي ميکروبي بدون غشا و بدون بافر انجام گرفت. يافته ها نشان داد که در راکتور تغذيه شونده با پساب، ماکسيمم توان توليد شده به ترتيب 92/0 و 08/2 وات بوده که به ترتيب مربوط به دو سيستم batch و fed-bach بوده که در روز هاي مياني راه اندازي آن حاصل گرديد. کيفيت تصفيه پساب در پيل سوختي مورد مطالعه نيز با اندازه گيري سه فاکتور pH، TDS و COD ارزيابي شد. با جداسازي و شناسايي باکتري هاي ساکن پساب و کشت خالص آنها در پيل هاي سوختي ميکروبي در مرحله بعد، استحصال الکتريسيته از آنها ميسر گرديد. بر اساس داده ها مشخص شد که بيشترين ميزان الکتريسيته توسط جنس سيتروباکتر توليد مي شود که اين مقدار برابر 42/141 ميلي وات و در جمعيتي معادل 105 × 369 اندازه گيري شد. باکتري هاي سودوموناس و استرپتوکوک نيز به ترتيب تواني برابر 99/86 و 21/36 ميلي وات توليد کردند. با آناليز ميزان الکتريسيته توليدي توسط باکتري هاي جدا شده از پساب در جمعيت هاي مختلف، اين نکته به روشني قابل درک مي گردد که باکتري هاي مذکور پتانسل قابل توجهي در توليد بيوالکتريسيته و فرآيند آلودگي زدايي ميکروبي همزمان دارند. لذا نتايج اين مطالعه مي تواند جالب توجه باشد؛ اما با توجه به انعطاف پذيري اين سيستم ها و گستردگي حيطه هاي کاربري آنها از نقطه نظر ميکروبيولوژيک، همگاني کردن کاربرد هاي MFC، نيازمند پيشرفت هاي بيشتر و کاربردي تر در اين زمينه خواهد بود.
واژگان کليدي: پيل سوختي ميکروبي، پساب صنعتي، الکتريسيته، تصفيه، باکتري هاي الکتروژن
فصل اول
مقدمه
1-1- زمينه تحقيق
افزايش آلودگي محيط زيست ناشي از رشد صنعتي، سبب شده است تا مسائل زيست محيطي بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد. بالا رفتن ميزان انتشار گازهاي گلخانه اي، تغيير دماي کره زمين، تغييرات اقليمي آب و هوا، افزايش آلودگي آب هاي سطحي و زير زميني و آلودگي هاي خاک، باعث گرديده است که استفاده از انرژي هاي پاک، تغيير فرآيند هاي صنعتي و روش هاي رفع آلودگي از اهميت بيشتري برخوردار گردند. بدين ترتيب از گسترش انتشار آلودگي در محيط جلوگيري خواهد شد.
با توجه به تحقيقات بسيار زيادي که در سال هاي اخير انجام شده، داده هاي متنوعي براي توليد انرژي پيشنهاد شده است ولي به نظر مي رسد که هيچ کدام از روش ها و منابع انرژي جديد به تنهايي قادر به جايگزيني براي سوخت هاي فسيلي نمي باشند. به عبارت ديگر جايگزين هاي انرژي هر کدام بر اساس قابليت هايي که دارند در کاربرد هاي متفاوت قابل استفاده مي باشند.
در يک ديد کلي مي توان منابع انرژي را به سه دسته تقسيم بندي نمود:
1) سوخت هاي فسيلي؛ 2) سوخت هاي هسته اي؛ و 3) منابع تجديد پذير.
انرژي هسته اي به تنهايي پاسخگوي جايگزيني براي سوخت هاي فسيلي نيست. تخمين زده شده است که ذخاير اورانيوم تا کم تر از يک دهه ديگر تمام خواهد شد. علاوه بر آن استفاده از انرژي هسته اي مشکلاتي از جمله آسيب به محيط زيست و انسان به دليل استخراج و نبود راه حل مطمئن و طولاني مدت براي ذخيره ي ضايعات هسته اي را به دنبال خواهد داشت.
منابع تجديد پذير منابعي هستند که مي توانند انرژي را بار ها و بار ها توليد کرده بدون اينکه تمام شوند. نمونه هاي اين منابع انرژي، خورشيد، باد، زيست توده، گرماي زمين و.. مي باشند. اين منابع زماني که مورد استفاده قرار مي گيرند، معمولاً هيچ گونه آلاينده اي در محيط زيست توليد نکرده و مي توانند در سال هاي آينده جايگزين مناسبي براي سوخت هاي فسيلي باشند.
از آن جايي که بحث مورد نظر ما مربوط به انرژي زيستي مي باشد در ادامه به زيست توده و روش هاي توليد انرژي زيست توده مي پردازيم.
روش هاي توليد انرژي موجود در زيست توده بسته به نوع و شرايط فيزيکي و شيميايي توده زيستي متفاوت است. مواد خشک مانند ذغال و چوب را مي توان سوزاند، اما با سوزاندن اين منابع، جايگزيني آن ها سال ها به طول خواهد انجاميد. همچنين سوزاندن اين منابع جامد، آلودگي هاي محيط زيستي ايجاد مي کند که در تناقض با اهداف استفاده از انرژي هاي جايگزين مي باشد.
برخي ديگر از انواع اين منابع مانند ميکرو جلبک ها و سيانوباکتري ها، منابع غني چربي و پروتئين هستند که براي توليد روغن زيستي1 و يا مصارف غذايي مناسب هستند. اين گروه از توده هاي زيستي بر خلاف گروه اول سرعت رشد بالايي دارند و به سرعت قابل جايگزيني مي باشند. افزون بر موارد ذکر شده دسته اي ديگر از زيست توده ها مانند ضايعات حيواني، فاضلاب هاي شهري و پساب صنعتي نيز وجود دارند که ميزان آب بالايي داشته و قابل سوزاندن نيستند. اين گروه از زيست توده ها بايد طي فرآيند هاي بيولوژيکي قرار گرفته و سوخت مناسب را از آنها استخراج کرده و آن را به انرژي مفيد تبديل نمود.
براي بازيابي انرژي از زيست توده دو روش رايج وجود دارد:
1) استفاده از روش هاي ترموشيميايي
مهم ترين روش ترموشيميايي، هيدروليز مي باشد که در آن در دما و يا فشار بالا مولکول هاي بزرگ به مولکول هاي کوچک تر تبديل شده و در مسير متابوليکي رشد سلول قرار مي گيرند. در مرحله بعد مولکولهاي کوچک ايجاد شده در ساختار جديدي به مولکولهاي بزرگتر تبديل مي شوند در حالي که طي اين فرآيند انرژي مورد نياز ميکروارگانيسم را فراهم مي آورند. بعد از اين مرحله است که روش هاي مختلفي براي توليد سوخت به انرژي مطرح مي شود.
2) استفاده از سيستم هايي که در آن ميکروار گانيسم ها براي توليد انرژي از بيومس قرار مي گيرد.
در اين روش معمولاً از تخمير بي هوازي براي توليد بيوديزل يا بيوگاز استفاده مي شود. يکي از مزيت هاي روش دوم در مقايسه با روش اول عدم نياز به درجه حرارت هاي بالا (صرف انرژي و هزينه بالا) مي باشد.
همان طور که گفته شد ميکروارگانيسم ها قابليت توليد سوخت هايي مانند اتانول، متان يا هيدروژن را از مواد آلي دارا مي باشند. به عبارت ديگر ميکروارگانيسم ها توانايي تبديل انرژي ذخيره شده در بيومس را به سوخت هاي پاک دارند. اين قابليت ميکروارگانيسم ها بسيار شناخته شده است و اين نوع تبديل انرژي بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد. با اين حال تبديل مواد آلي توسط ميکروارگانيسم ها به الکتريسيته کم تر شناخته شده است. قابليتي که اساس کار استفاده از ميکروارگانيسم ها در پيل هاي سوختي ميکروبي است. اگر سوخت آلي مانند گلوکز را در نظر بگيريم از راه هاي مختلفي مي تواند وارد مسير تبديل به انرژي شود؛ هم مي تواند به بيواتانول، بيو گاز و يا هيدروژن تبديل شده و هم مي تواند به انرژي الکتريکي تبديل گردد.
در سال هاي اخير پيل هاي سوختي ميکروبي به عنوان منبعي جديد جهت توليد انرژي پاک و سازگار با محيط زيست مورد بررسي قرار گرفته اند. از اين سيستم ها مي توان علاوه بر توليد انرژي به عنوان روشي جهت حذف آلاينده ها نيز بهره برد.
پيل سوختي ميکروبي وسيله اي است که در آن انرژي شيميايي موجود در مواد قابل اکسايش به وسيله باکتري ها، به الکتريسيته تبديل مي شود. باکتري ها در محفظه آند در شرايط بي هوازي به عنوان يک زيست کاتاليست2 عمل نموده، سوبسترا را اکسيد، الکترون و پروتون آزاد مي کنند. الکترون آزاد شده به الکترود آند، که گيرنده نهايي الکترون است، انتقال يافته و با عبور از يک مدار خارجي وارد محفظه کاتد مي گردد. به اين ترتيب با عبور الکترون از مدار خارجي انرژي الکتريکي توليد مي شود. از اين رو پيل هاي سوختي ميکروبي به عنوان يک منبع توليد الکتريسيته زيستي3 مورد توجه قرار گرفته اند.
سيستم پيل سوختي ميکروبي يک سيستم کربن خنثي است چرا که مواد آلي موجود در بيومس را طي فرآيند اکسيداسيون به همان مقدار گاز دي اکسيد کربن تبديل مي کند. پيل هاي ميکروبي در مقايسه با ساير پيل هاي سوختي رايج (مانند پيل سوختي هيدرژني و يا پيل سوختي متانولي) مزيت هاي بسياري دارند. به طور مثال پيل هاي شيميايي سوختي براي انجام عمل اکسيداسيون الکترون دهنده به کاتاليست هاي گران قيمت نياز دارند؛ عملي که ميکروارگانيسم ها در پيل هاي زيستي به صورت طبيعي انجام مي دهند. همچنين پيل هاي سوختي غير بيولوژيکي براي انجام فعاليت هاي خود نيازمند دماي بالا مي باشند؛ حال اين که اين پيل ها در دماي اتاق فعاليت خود را انجام مي دهند و مي توانند در دماهاي مختلف با توجه به شرايط مناسب براي رشد ميکروارگانيسم ها، طراحي شوند. سوخت مورد نياز براي پيل هاي غير بيولوليژيکي بايد بسيار خالص باشد تا کاتاليست ها را سمي نکند حال اين که در پيل هاي زيستي بازه گسترده اي از به اصطلاح “سوخت هاي کثيف4” که معمولاً ارزش بسيار کمي دارند مانند مواد آلي يا ضايعات مواد آلي، يا مواد آلي موجود در خاک يا رسوبات قابل استفاده مي باشند.
همه جايي بودن و هم چنين بي خطر بودن سوخت هاي مورد استفاده در پيل هاي ميکروبي، نياز لازم براي در نظر گرفتن سيستم هاي پيچيده اي که براي نگهداري سوخت هايي مانند هيدروژن و متانول ضروري است را حذف کرده و احتياجي به تجهيزات جانبي گران قيمت نيز نخواهند بود. با اين وجود توان پايين توليدي در پيل هاي ميکروبي ضعف بسيار بزرگ اين سيستم ها در مقايسه با ساير پيل هاي سوختي مي باشد.
تلاش هاي قابل ملاحظه اي به ويژه در سال هاي اخير براي افزايش توان توليدي اين پيل ها انجام شده است. تغيير ساختار و نوع طراحي پيل هاي ميکروبي، تغيير شرايط فيزيکي و شيميايي عملياتي، تغيير نوع ميکروارگانيسم مورد استفاده در پيل و فراهم آوردن شرايط مناسب براي رشد ميکروبي براي افزايش انتقال الکترون از سوخت به الکترود از جمله اين فعاليت ها بوده است.
هر چند تحقيقات آزمايشگاهي انجام شده بر اين پيل ها بسيار زياد بوده در مقابل نمونه هايي از کاربرد عملي اين سيستم ها را نيز مي توان مطرح نمود که در مقايسه با فعاليت هاي آزمايشگاهي کم تر بوده، اما روندي رو به رشد دارد. شايد بتوان اولين کاربرد عملي اين پيل ها در محيط طبيعي را در سال 2006 گزارش داد. هنگامي که يک پيل ميکروبي دريايي براي گزارش هواشناسي مورد استفاده قرار گرفت. اين دسته از پيل هاي ميکروبي انرژي مورد نياز خود را از اکسيداسيون رسوبات آلي موجود در کف اقيانوس ها به دست مي آورند. پيل طراحي شده با وزن 16 کيلوگرم، تواني در حدود 36 مگا وات توليد مي کرد که اين مقدار معادل با استفاده از 26 باطري آلکاليني در يک سال مي باشد. از اين سيستم مرکز هواشناسي براي اندازه گيري دما و فشار و رطوبت و انتقال داده ها به مرکز استفاده شد (لاولي5، 2006).
عمده ترين تفاوت هاي پيل هاي ميکروبي و پيل هاي معمولي را در کاربرد آن ها مي توان بيان نمود. همان طور که از اسم پيل سوختي مشخص است، مهم ترين کاربرد يک پيل، توليد انرژي مي باشد. البته در پيل ميکروبي همزمان با استفاده از منبع آلي مي تواند عمل تصفيه را نيز با کاهش مقدار ماده آلي به مقداري مناسب انجام دهد. به بيان ديگر، حتي گاهي در پيل هاي ميکروبي، کاربرد تصفيه محيط زيستي سيستم از تأمين انرژي اهميت بيش تري پيدا مي کند. توانايي ميکروب هاي مورد استفاده در پيل هاي ميکروبي براي استفاده در تجزيه رنج عظيمي از مواد آلي و آلودگي هاي محيط زيستي باعث شده است که استفاده از پيل هاي ميکروبي به منظور استفاده در تصفيه زيستي بسيار با ارزش تر از مقدار محدود انرژي که توليد مي کنند باشد؛ خصوصاً اينکه از اين پيل ها در مقياس صنعتي مي توان براي تصفيه در محل استفاده کرد. حوزه کاربردي ديگر پيل هاي ميکروبي استفاده از آن ها به عنوان روشي براي تصفيه آب آلوده به انواع آلاينده ها و يا خاک و رسوبات مي باشد. يک الکترود ارزان قيمت ولي با دوام مي تواند در محيط آبي و يا خاکي قرار گيرد و نه تنها واکنش تخميري ميکروارگانيسم ها را تسريع کند، بلکه به جذب و حذف آلودگي ها نيز کمک مي کند. اين زمينه کاربردي پيل هاي ميکروبي زمينه اي است که به علت اهميت و کاربرد گسترده اي که دارد در سال هاي اخير مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.
علاوه بر کاربرد تصفيه محيط زيستي که مهم ترين کاربرد پيل هاي ميکروبي به جز توليد انرژي مي باشد، کاربردهاي ديگري مانند توليد هيدروژن زيستي، کاربردهاي دارويي و پزشکي، استفاده در سنسورها و .. نيز براي آن تعريف مي شود.
اساس کار پيل هاي سوختي ميکروبي استفاده از سوخت هاي سبز و تبديل انرژي شيميايي نهفته در اين سوخت ها به انرژي الکتريکي مي باشد. از اين رو سوبسترا هاي مختلفي از قبيل کربوهيدرات ها، اسيدهاي چرب فرار، الکل ها، آمينواسيد ها، پروتئين ها و حتي مواد غير آلي در اين سيستم مورد استفاده قرار گرفته اند. به هر حال از ديدگاه اقتصادي استفاده از يک سوبستراي خالص براي ايستگاه هاي توليد انرژي مقرون به صرفه نيست؛ اما علاقه مندي ها به استفاده از مواد دفعي و ضايعات واقعي همچون فاضلاب در مطالعات پيل هاي ميکروبي جالب توجه است چرا که طي آن هم تصفيه صورت مي گيرد و هم انرژي توليد مي گردد. البته فاضلاب ها حاوي موادي هستند که قابليت تجزيه بيولوژيکي متفاوتي دارند. تجربه نشان داده است که انرژي خروجي با استفاده از فاضلاب هاي حقيقي مي تواند تا 10 برابر کمتر از انرژي توليدي نسبت به زماني باشد که از سوبسترا هاي خالص استفاده مي شود. به هر حال، ترکيب فاضلاب به طور قابل توجهي بر انرژي خروجي از پيل تأثير گذار خواهد بود.
بر اساس تحقيقات انجام شده و گزارشات موجود، هر چه کسر مواد با قابليت تجزيه بيولوژيکي بالا بيشتر باشد، انرژي توليدي نيز بيشتر خواهد بود. بنابراين با بهره گيري از اين سيستم ها در تصفيه خانه ها، علاوه بر عمل تصفيه مي توان مقداري از انرژي مورد نياز واحد را بازيابي نمود. هر چند که تا کنون اين سيستم ها در مقياس صنعتي به بهره برداري نرسيده اند.
تاکنون پساب هايي نظير پساب هاي خانگي، پساب صنايع غذايي همچون پساب هاي لبني، توليد نشاسته، شکلات سازي، فرآوري برنج، غلات، آبجوسازي، فرآوري گوشت و پساب هاي ديگري مانند پساب کارخانه بازيافت کاغذ، شيرابه خاکچال، پساب صنايع شيميايي و کک سازي و نظير اين مورد بررسي قرار گرفته اند؛ اما در اين مطالعه پساب ورودي تصفيه خانه يک مجتمع صنعتي که شامل مجموعه اي عظيم از کارخانجات و کارگاه هاي توليدي است، مورد مطالعه قرار گرفت که شرح آن در فصول بعد، توضيح داده خواهد شد.
1-2- لزوم انجام تحقيق
در دهه هاي گذشته سوخت هاي فسيلي نياز هاي صنعتي و اقتصادي مردم کره ي زمين را برطرف مي ساخت؛ ولي آن طور که مشخص است در حال حاضر سوخت هاي فسيلي چه براي نسل حاضر و چه براي نسل آينده پاسخگو نمي باشند. طبق پيش بيني هاي صورت گرفته، با توجه به شرايط حاضر مبتني به تقاضاي نفت، منابع نفتي تنها تا 100 سال ديگر قابل بهره برداري خواهند بود، اين در حالي است که طبق تحقيقات صورت گرفته با توجه به گستردگي صنايع و انفجار جمعيت تا سال 2025 تقاضا براي انرژي تقريبا 5/1 برابر زمان فعلي خواهد شد و اين به معني پايان منابع نفتي نه در 100 سال آينده بلکه طي 30 تا 40 سال ديگر است (لوگان6، 2008).
با افزايش جمعيت و پيشرفت تکنولوژي، نياز انرژتيک به صورت نمايي رو به افزايش است؛ حال آن که منابع سوخت هاي فسيلي يکي پس از ديگري رو به اتمام مي باشد. علاوه بر اين، استفاده بيش از حد از سوخت هاي فسيلي تأثير جدي بر محيط زيست به دليل انتشار شديد گاز دي اکسيد کربن گذارده است.
وجود مقدار انبوه گاز دي اکسيد کربن در اتمسفر منجر به افزايش درجه حرارت زمين شده است. ميانگين درجه حرارت سطح زمين به ميزان 8/0 – 4/0 درجه سانتي گراد افزايش پيدا کرده است. همين افزايش دما خود تبعات نامطلوب بسياري را براي محيط اطراف ايجاد کرده است. به طور مثال با افزايش دما در سال هاي اخير، سطح دريا ها به مقدار 2-1 متر به ازاي هر سال بالا آمده است و يا حجم عظيمي از يخ هاي قطب شمال (حدود 40 درصد) آب شده و زندگي موجودات زنده ساکن در آن مناطق را دچار مشکل کرده است. طوفان هاي سهمگين از ديگر عواقب تغييرات نا مطلوب دمايي است. آمارها نشان مي دهد که از سال 1971 تا 1995 مقدار دي اکسيد کربن، ساليانه 7/1 درصد افزايش پيدا کرده است. بررسي ها حاکي از آن است که اين افزايش در سال هاي آينده سير صعودي داشته و مقدار رشد آن تا سال 2020 به 2/2 درصد خواهد رسيد (لوگان، 2008).
به همين دليل تأمين انرژي پاک، تجديد پذير و بي خطر از مهم ترين چالش هاي مورد بررسي پژوهشگران و محققان در قرن اخير مي باشد. در اصل بزرگ ترين چالش محيط زيستي حال حاضر، حل مشکل منبع توليد انرژي و کاهش ميزان دي اکسيد کربن به صورت همزمان است. به عبارت ديگر منابع جايگزين سوخت هاي فسيلي، در عين برآوردن نياز انرژي به ميزان مطلوب، بايد به کاهش ميزان دي اکسيد کربن در محيط اطراف نيز کمک نمايند.
در سال هاي اخير مطالعه بر روي پيل هاي سوختي ميکروبي، به عنوان يکي از منابع انرژي پاک و تجديد پذير، روند افزايشي شديدي داشته است. با توجه به نو پا بودن اين تکنولوژي در دنيا و نا شناخته بودن آن در داخل، لازم است تحقيقات بيشتري در جهت شناسايي و صنعتي سازي اين تکنولوژي انجام گيرد.
با توجه به اينکه پساب خروجي صنايع به ويژه در نواحي توليدي و شهرک هاي صنعتي به عنوان منابع مهم آلوده کننده محيط زيست به شمار مي آيند، در اين تحقيق عملکرد پيل سوختي ميکروبي در توليد الکتريسيته و کارايي هم زمان آن در تصفيه، بر روي پساب تصفيه خانه شهرک صنعتي آق قلا در استان گلستان به عنوان سوبستراي بيولوژيک مورد بررسي قرار گرفته است.
1-3- سؤالات تحقيق
مسأله مورد بررسي در اين تحقيق نخست آن است که آيا مي توان با استفاده از تکنولوژي پيل سوختي ميکروبي از پساب هاي صنعتي (مجموعه اي اعظم از پساب کارخانجات) و ميکروب هايي که جهت تصفيه آنها به کار مي روند، توليد الکتريسيته نمود؟ و در مرحله بعد چه ميکروارگانيسم يا ميکروارگانيسم هايي در اين فرآيند دخيل بوده اند و پتانسل هر کدام براي توليد الکتريسيته چه مقدار بوده است؟ پاسخ به اين دو سوال در مرتبه نخست امکان سنجي استفاده از پساب صنعتي را جهت توليد الکتريسيته مورد بررسي قرار مي دهد و در مرتبه دوم به شناخت مکانيسم عملکرد پيل هاي سوختي ميکروبي کمک مي کند.

در اين تحقيق نشان داده شده است که مي توان از پساب صنعتي در پيل هاي سوختي ميکروبي بهره جست و به طور همزمان علاوه بر حذف آلاينده، انرژي الکتريکي توليد نمود. همچنين، چگونگي اثر گذاري متغير هاي عملياتي همچون غلظت مواد، pH و ساختمان پيل با توجه به نتايج حاصل از آزمايش هاي انجام شده، تبيين و توضيح داده شده اند. اين تحقيق در محدوده مطالعات آزمايشگاهي است و در حوزه پيل سوختي ميکروبي متمرکز است و پارامترهاي صنعتي از نقطه نظر تصفيه پساب را، به جز موارد معدود، مورد بررسي قرار نمي دهد.
1-4- شيوه انجام تحقيق
جهت بررسي موارد ذکر شده در بخش قبل، پيل سوختي ميکروبي دو محفظه اي بدون غشا مورد مطالعه قرار گرفت که سوبستراي مصرفي در آن، پساب يک ناحيه صنعتي در استان گلستان بود. ميزان حذف آلاينده، اختلاف پتانسيل، جريان الکتريسيته توليدي، پارامتر هاي مرتبط با توليد توان و ميزان رشد باکتري هاي الکترون زا در پيل به عنوان شاخص هايي جهت مقايسه عملکرد پيل در شرايط عملياتي و ساختار هاي مختلف گزارش شد. بنابراين اين تحقيق بر پايه تحليل نتايج حاصل از داده هاي تجربي در مقياس آزمايشگاهي استوار مي باشد.
مواد به کار رفته، روش هاي مورد استفاده و وسايل اندازه گيري به طور مبسوط در فصل 3 بيان خواهد شد.
1-5- خلاصه
در اين فصل، مباني کلي اين پايان نامه را پايه ريزي شده و محتواي آن ابراز گرديد. موضوع و علت تحقيق انجام يافته و ضرورت انجام آن بيان گرديد. سپس مسائل و سؤالات تحقيق معرفي و در نهايت روش تحقيق به اختصار تشريح و توجيه گرديد.
با اين مقدمه، در ادامه و در فصل دوم مفصلاً به اصول پايه اي در عملکرد و مباني مربوط به توليد انرژي در پيل هاي ميکروبي مرتبط با تحقيقات انجام گرفته توسط پژوهشگران در اقصي نقاط دنيا و بيان مختصري از پيشينه تحقيق، پرداخته خواهد شد.
در سه فصل پاياني آزمايشات انجام شده و نتايج حاصل از آن، تحليل نتايج و پيشنهاد هايي براي ادامه تحقيقات بيان شده است. لازم به توضيح است فصولي که در ادامه تشريح شده اند، تلاشي است براي گردآوري و تفسير مجموعه اي از اطلاعات لازم براي ديگر محققان کشور که قصد انجام مطالعه و پژوهش در زمينه اين تکنولوژي نسبتاً جديد را دارند؛ چرا که فقدان منابع فارسي در حيطه مباحث مرتبط با پيل هاي سوختي ميکروبي، علي الخصوص بررسي هاي ميکروبيولوژيک انجام شده در ارتباط با مورفولوژي و فيزيولوژي ميکروارگانيسم ها و مکانيسم هاي الکترون زايي آنها، کاملاً محسوس و قابل مشاهده است. با توجه به کليات ذکر شده مي توان در طول پايان نامه براي تشريح جزييات تحقيق به پيش رفت.
فصل دوم
مروري بر تحقيقات انجام شده
2-1- مسئله انرژي
کاربرد روزافزون انرژي و تأمين آن براي ادامه حيات يکي از مظاهر مهم زندگي جديد است. پايان پذيري انرژي حاصل از سوخت هاي فسيلي به ويژه نفت خام، جهان امروز را نيازمند استفاده از منابع ديگر براي جايگزيني آن مي نمايد. اگر در گذشته بحران غذا و يا بحران آب آشاميدني حيات بشر را به خطر مي انداخت، امروزه کارشناسان بر اين اعتقادند که بحران آينده که حيات بشريت را تهديد مي کند، بحران انرژي است. حيات بشر امروزي به طور مستقيم و غيرمستقيم به منابع مختلف انرژي مانند نفت و گاز و زغال سنگ و … وابسته بوده و تصور زندگي بدون دسترسي به اين منابع، دشوار و حتي غيرممکن خواهد بود. از طرفي، گذشت سريع زمان، اين زنگ خطر را بلندتر و واضح تر به گوش مي رساند که منابع انرژي تجديد ناپذير در حال پايان است، بنابراين ضرورت کشف و استفاده از منابع انرژي جديد بيش از پيش اهميت مي يابد.
بهره گيري از انرژي از ابتداي تاريخ تمدن انسان مورد نظر بوده است. اصل بقاء انرژي نيز مانند اصل بقاء جرم از پايه هاي گسترش علوم طبيعي است. هنگامي که ارشميدس اهرم را بيان کرد که “حاصل ضرب نيروي کار در بازوي کار با حاصل ضرب نيروي مقاوم در بازوي مقاوم برابر است”، شايد بدون اينکه خود متوجه باشد در حقيقت اصل بقاء انرژي را بيان مي کرد. اين اصل که بعدها به عنوان قانون اول ترموديناميک نامگذاري شد، اصلي است که حاکم بر”کميت” انرژي در هر دستگاه تعريف شده مي باشد. ترموديناميک سپس با قانون دوم که در حقيقت قانون “بيان کيفيت” انرژي است گسترش يافت. قانون دوم بيان مي کند که انواع متفاوت انرژي هر کدام نسبت به ديگري در مرتبه کيفي بالاتر و يا پايين تر قرار دارند به طوري که از مرتبه کيفي بالاتر خود به خود به نوع پست تر تنزل کرده، ليکن براي ارتقاء به مرتبه کيفي بالاتر، اعمال کار از بيرون سيستم لازم است. بدين خاطر دانشمندان از ديرباز در پي آن بوده اند که ابزار و ماشين هايي را اختراع کنند که انرژي پست تر را به انرژي بالاتر تبديل کند تا از آن بهره گيري بيشتري بنمايند و در اين رهگذر است که انگيزه اي قوي براي رشد صنعتي جوامع انساني بوجود آمد.
عليرغم اينکه مجموع انرژي هاي درون يک سيستم ثابت مي ماند ليکن بخشي از آن يا تمام آن انرژي از يک شکل ممکن است به شکل ديگري تبديل شود که اين به دليل همان تفاوت در کيفيت انرژي است. اين تبديل در طبيعت هرگز به صورت کامل و صد در صد انجام نمي گيرد. لذا ابزار و ماشين هايي که در اثر يا در جهت تبديل انرژي ها بکار گرفته مي شوند همواره بازده يا راندمان کمتر از صد در صد دارند. بدين معني که همواره بخشي از انرژي قابل دسترس در تبديل به انرژي نوع ديگر از دسترس خارج شده و نهايتاً به صورت انرژي پست تر (حرارت) تبديل مي شود.
از مطلب فوق نتيجه مي شود که با گسترش روز افزون صنعت همواره مقدار زيادي انرژي حرارتي در هر لحظه به انرژي موجود در سطح زمين بصورت انرژي حرارتي اضافه مي شود. علاوه بر اين “گازهاي گلخانه اي” که مجموعه اي از گاز هاي آلوده کننده هواي موجود در سطح زمين هستند نيز مانند گلخانه اي که حرارت تابش خورشيد را در فصل سرما در اطراف گل و گياه نگه مي دارد، سبب مي شوند که گرمايش اضافي به جو اطراف کره زمين بيفزايند. در رأس اين گازها دي اکسيد کربن است که خروجي اکثر ماشين هاست. لذا مي بينيم که گسترش بي رويه صنعت چگونه در افزايش دماي سطح کره زمين مؤثراست و اگر اين روند بدون توجه ادامه يابد در دراز مدت تهديد جدي براي محيط زيست جهاني خواهد بود. متأسفانه آثار سوء اين روند از يکي دو دهه پيش مشاهده شده است. ذوب شدن تدريجي يخ هاي قطبي و افزايش دما در نقاط مختلف جهان از جمله اين آثار است.
اکنون جامعه جهاني با چالش بزرگي روبروست. از يک طرف کشورهاي در حال رشد نياز به صنعتي شدن هرچه سريعتر دارند و کشور هاي پيشرفته نيز همواره رقابتي براي نگه داشتن سطح پيشترفته خود دارند، و از طرف ديگر ملت هاي آگاه در تلاش براي حفظ محيط زيست مي باشند. کنفرانس هاي جهاني مانند نشست ريودوژانيرو7 و نشست کيوتو8 براي اتخاذ راهکار هاي جهاني حفظ محيط زيست از جمله تلاش هاي ملت هاست.
از جمله اين راهکار هاي مهم در درجه اول تأکيد و هشدار جدي به جهانيان نسبت به اهميت حفظ محيط زيست مي باشد. در اين راستا مفهوم رشد ملي يا “توسعه” با تاکيد بر کاربرد عبارت “توسعه پايدار” جاي خود را بايد تغيير دهد. شايان توجه است که تا چندي پيش، مصرف انرژي در هر کشور شاخصي براي نشان دادن ميزان پيشرفتگي آن کشور به حساب مي آمد که خود اين مطلب قابل تأمل است زيرا کشورهايي هستند که در مصرف انرژي زياده روي بلکه اسراف مي کنند در حاليکه زياد هم پيشرفته نيستند. در مقابل آن، کشور هاي پيشرفته اي هم هستند که عليرغم توسعه قابل توجه در سطح جهاني، در بهينه سازي و کاهش سرانه مصرف انرژي پيشتازند. هنر و مجموعه ابتکارات علمي و فني يک کشور در کاهش مصرف انرژي، به نوبه خود دليل ديگري براي پيشرفت است. شايد بتوان مطلب فوق را بدين نحو اصلاح کرد که: توليد و مصرف بهينه انرژي از شاخص هاي پيشرفت صنعتي کشورهاست. زيرا همان گونه که بهينه سازي در مصرف شرط است، روش هاي توليد بهينه انرژي نيز در سطح کلان در کشورها بسيار مهم است. بعنوان مثال زغال سنگ و سوخت هاي فسيلي ديگر (نفت و گاز) بيشترين آلودگي را در محيط زيست ايجاد مي کنند؛ بعلاوه آنکه هم بصورت مستقيم و هم بصورت غير مستقيم (گاز هاي گلخانه اي) محيط را گرم کرده و دماي سطح زمين را بالا مي برند. در مقايسه، انرژي برق آبي بدون هيچ آلاينده و بدون افزايش دماي محيط از پاك ترين انواع انرژي مي باشد. انرژي هسته اي نيز با رعايت جدي و کامل اصول فني ايمني نيز از انواع انرژي هاي پاك مي باشد، هرچند مقدار اندکي در افزايش گرماي محيط زيست تاثير دارد.


پاسخ دهید