………….. 31

2-3-6-2 سیستم های MFC دو جزئی……………………………………………………………………………. 32

2-3-6-3 سیستم های MFC تک جزئی…………………………………………………………………………… 36

2-3-6-4 سیستم های MFC با حالت مداوم یا up flow……………………………………………………. 38

2-3-6-5 پیل های سوختی میکروبی ردیفی……………………………………………………………………….. 39

2-3-7 عملکرد پیل های سوختی میکروبی……………………………………………………………………… 40

2-3-7-1 عملکرد ایده آل………………………………………………………………………………………………. 40

2-3-7-2 عملکرد واقعی……………………………………………………………………………………………….. 43

2-3-7-3 تأثیر شرایط عامل……………………………………………………………………………………………. 44

2-3-8 کاربرد های پیل سوختی میکروبی……………………………………………………………………….. 45

2-3-8-1 تولید بیوالکتریسیته…………………………………………………………………………………………… 45

2-3-8-2 تولید بیوهیدروژن……………………………………………………………………………………………. 46

2-3-8-3 بیوسنسور……………………………………………………………………………………………………… 46

2-3-8-4 تصفیه فاضلاب………………………………………………………………………………………………. 47

فصل سوم: مواد و روش ها…………………………………………………………………………………………. 49

3-1 مواد و تجهیزات مورد استفاده……………………………………………………………………………………. 50

3-1-1 محیط های کشت، شناسایی و افتراق……………………………………………………………………. 50

3-1-2 تجهیزات مورد استفاده به منظور طراحی پیل سوختی میکروبی……………………………………. 50

3-1-3 دستگاه های به کار رفته…………………………………………………………………………………….. 51

3-2 روش بررسی………………………………………………………………………………………………………… 52

3-2-1 نمونه پساب…………………………………………………………………………………………………… 52

3-2-2 آنالیز های فیزیکوشیمیایی………………………………………………………………………………….. 53

3-2-3 طراحی پیل سوختی میکروبی…………………………………………………………………………….. 53

3-2-4 راه اندازی سیستم……………………………………………………………………………………………. 56

3-2-5 سنجش پارامتر های الکتریکی پساب……………………………………………………………………. 56

3-2-6 جداسازی باکتری های الکتروژن از پساب……………………………………………………………… 57

3-2-7 استحصال الکتریسیته از جدایه ها…………………………………………………………………………. 58

3-2-8 سینتیک رشد جدایه ها……………………………………………………………………………………… 60

3-2-9 شناسایی الکتروژن ها……………………………………………………………………………………….. 60

3-2-10 آنالیز ها و آزمون های آماری……………………………………………………………………………. 62

فصل چهارم: نتایج و بحث…………………………………………………………………………………………. 63

4-1 تولید الکتریسیته از پساب…………………………………………………………………………………………. 64

4-2 آنالیز های مرتبط با آلودگی زدایی پساب…………………………………………………………………….. 70

4-3 شناسایی باکتری های الکتروژن………………………………………………………………………………….. 72

4-4 استحصال الکتریسیته از باکتری ها………………………………………………………………………………. 74

فصل پنجم: نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………….. 82

فهرست منابع……………………………………………………………………………………………………………. 95

چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………………………………. 103

چکیده

نیاز روز افزون به منابع جایگزین انرژی، امری است که طی سال های اخیر نگرانی های جهانی را در جهت چگونگی رفع این نیاز به وجود آورده است. علاوه بر آن وابستگی به سوخت های فسیلی، بدلیل ایجاد انواع آلودگی و محدود بودن این منابع متداوم نخواهد بود. با وجود اینکه برای حل بحران کنونی انرژی، تحقیقات بسیاری صورت گرفته ولی به نظر نمی رسد هیچ راه حلی بتواند به تنهایی جایگزین استفاده کلان جهانی از سوخت های فسیلی گردد. از این رو منابع و روش های جایگزین متفاوتی لازم است تا به منظور به کارگیری در سیستم های خاص و با شیوه های مشخص و موقعیت های مختلف، انرژی لازم را فراهم نماید. کشف این حقیقت طی سال های اخیر که باکتری ها برای تولید الکتریسیته از پسماند و بیومس تجدید پذیر قابل استفاده هستند، توجه زیادی را به خود معطوف داشته است. پیل های سوختی میکروبی (MFC) تکنولوژی های نوینی هستند که با اکسیداسیون مواد آلی و به کمک میکروارگانیسم ها، این امکان را فراهم نموده و انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. علاوه بر آن با نقش همزمان در تصفیه پساب، به عنوان جایگزینی مناسب جهت کاهش هزینه های تصفیه و تولید الکتریسیته در نظر گرفته می شوند. لذا طی این مطالعه بررسی های آزمایشگاهی به منظور استحصال الکتریسیته از باکتری های موجود در پساب صنعتی در کنار آنالیز های مرتبط با کیفیت تصفیه پساب با طراحی یک پیل سوختی میکروبی بدون غشا و بدون بافر انجام گرفت. یافته ها نشان داد که در راکتور تغذیه شونده با پساب، ماکسیمم توان تولید شده به ترتیب 92/0 و 08/2 وات بوده که به ترتیب مربوط به دو سیستم batch و fed-bach بوده که در روز های میانی راه اندازی آن حاصل گردید. کیفیت تصفیه پساب در پیل سوختی مورد مطالعه نیز با اندازه گیری سه فاکتور pH، TDS و COD ارزیابی شد. با جداسازی و شناسایی باکتری های ساکن پساب و کشت خالص آنها در پیل های سوختی میکروبی در مرحله بعد، استحصال الکتریسیته از آنها میسر گردید. بر اساس داده ها مشخص شد که بیشترین میزان الکتریسیته توسط جنسسیتروباکترتولید می شود که این مقدار برابر 42/141 میلی وات و در جمعیتی معادل 10⁵× 369 اندازه گیری شد. باکتری های سودوموناس و استرپتوکوک نیز به ترتیب توانی برابر 99/86 و 21/36 میلی وات تولید کردند. با آنالیز میزان الکتریسیته تولیدی توسط باکتری های جدا شده از پساب در جمعیت های مختلف، این نکته به روشنی قابل درک می گردد که باکتری های مذکور پتانسل قابل توجهی در تولید بیوالکتریسیته و فرآیند آلودگی زدایی میکروبی همزمان دارند. لذا نتایج این مطالعه می تواند جالب توجه باشد؛ اما با توجه به انعطاف پذیری این سیستم ها و گستردگی حیطه های کاربری آنها از نقطه نظر میکروبیولوژیک، همگانی کردن کاربرد های MFC، نیازمند پیشرفت های بیشتر و کاربردی تر در این زمینه خواهد بود.

واژگان کلیدی: پیل سوختی میکروبی، پساب صنعتی، الکتریسیته، تصفیه، باکتری های الکتروژن

• زمینه تحقیق

افزایشآلودگی محیط زیستناشی از رشد صنعتی، سبب شده است تا مسائل زیست محیطی بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. بالا رفتن میزان انتشار گازهای گلخانه ای، تغییر دمای کره زمین، تغییرات اقلیمی آب و هوا، افزایش آلودگی آب های سطحی و زیر زمینی و آلودگی های خاک، باعث گردیده است که استفاده از انرژی های پاک، تغییر فرآیند های صنعتی و روش های رفع آلودگی از اهمیت بیشتری برخوردار گردند. بدین ترتیب از گسترش انتشار آلودگی در محیط جلوگیری خواهد شد.

با توجه به تحقیقات بسیار زیادی که در سال های اخیر انجام شده، داده های متنوعی برای تولید انرژی پیشنهاد شده است ولی به نظر می رسد که هیچ کدام از روش ها و منابع انرژی جدید به تنهایی قادر به جایگزینی برای سوخت های فسیلی نمی باشند. به عبارت دیگر جایگزین های انرژی هر کدام بر اساس قابلیت هایی که دارند در کاربرد های متفاوت قابل استفاده می باشند.

در یک دید کلی می توان منابع انرژی را به سه دسته تقسیم بندی نمود:

1) سوخت های فسیلی؛ 2) سوخت های هسته ای؛ و 3) منابع تجدید پذیر.

انرژی هسته ای به تنهایی پاسخگوی جایگزینی برای سوخت های فسیلی نیست. تخمین زده شده است که ذخایر اورانیوم تا کم تر از یک دهه دیگر تمام خواهد شد. علاوه بر آن استفاده از انرژی هسته ای مشکلاتی از جمله آسیب به محیط زیست و انسان به دلیل استخراج و نبود راه حل مطمئن و طولانی مدت برای ذخیره ی ضایعات هسته ای را به دنبال خواهد داشت.

منابع تجدید پذیر منابعی هستند که می توانند انرژی را بار ها و بار ها تولید کرده بدون اینکه تمام شوند. نمونه های این منابع انرژی، خورشید، باد، زیست توده، گرمای زمین و.. می باشند. این منابع زمانی که مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً هیچ گونه آلاینده ای در محیط زیست تولید نکرده و می توانند در سال های آینده جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشند.

از آن جایی که بحث مورد نظر ما مربوط به انرژی زیستی می باشد در ادامه به زیست توده و روش های تولید انرژی زیست توده می پردازیم.

روش های تولید انرژی موجود در زیست توده بسته به نوع و شرایط فیزیکی و شیمیایی توده زیستی متفاوت است. مواد خشک مانند ذغال و چوب را می توان سوزاند، اما با سوزاندن این منابع، جایگزینی آن ها سال ها به طول خواهد انجامید. همچنین سوزاندن این منابع جامد، آلودگی های محیط زیستی ایجاد می کند که در تناقض با اهداف استفاده از انرژی های جایگزین می باشد.

برخی دیگر از انواع این منابع مانند میکرو جلبک ها و سیانوباکتری ها، منابع غنی چربی و پروتئین هستند که برای تولید روغن زیستی[1] و یا مصارف غذایی مناسب هستند. این گروه از توده های زیستی بر خلاف گروه اول سرعت رشد بالایی دارند و به سرعت قابل جایگزینی می باشند. افزون بر موارد ذکر شده دسته ای دیگر از زیست توده ها مانند ضایعات حیوانی، فاضلاب های شهری و پساب صنعتی نیز وجود دارند که میزان آب بالایی داشته و قابل سوزاندن نیستند. این گروه از زیست توده ها باید طی فرآیند های بیولوژیکی قرار گرفته و سوخت مناسب را از آنها استخراج کرده و آن را به انرژی مفید تبدیل نمود.

برای بازیابی انرژی از زیست توده دو روش رایج وجود دارد:

1) استفاده از روش های ترموشیمیایی

مهم ترین روش ترموشیمیایی، هیدرولیز می باشد که در آن در دما و یا فشار بالا مولکول های بزرگ به مولکول های کوچک تر تبدیل شده و در مسیر متابولیکی رشد سلول قرار می گیرند. در مرحله بعد مولکولهای کوچک ایجاد شده در ساختار جدیدی به مولکولهای بزرگتر تبدیل می شوند در حالی که طی این فرآیند انرژی مورد نیاز میکروارگانیسم را فراهم می آورند. بعد از این مرحله است که روش های مختلفی برای تولید سوخت به انرژی مطرح می شود.

2) استفاده از سیستم هایی که در آن میکروار گانیسم ها برای تولید انرژی از بیومس قرار می گیرد.

در این روش معمولاً از تخمیر بی هوازی برای تولید بیودیزل یا بیوگاز استفاده می شود. یکی از مزیت های روش دوم در مقایسه با روش اول عدم نیاز به درجه حرارت های بالا (صرف انرژی و هزینه بالا) می باشد.

همان طور که گفته شد میکروارگانیسم ها قابلیت تولید سوخت هایی مانند اتانول، متان یا هیدروژن را از مواد آلی دارا می باشند. به عبارت دیگر میکروارگانیسم ها تواناییتبدیل انرژیذخیره شده در بیومس را به سوخت های پاک دارند. این قابلیت میکروارگانیسم ها بسیار شناخته شده است و این نوع تبدیل انرژی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال تبدیل مواد آلی توسط میکروارگانیسم ها به الکتریسیته کم تر شناخته شده است. قابلیتی که اساس کار استفاده از میکروارگانیسم ها در پیل های سوختی میکروبی است. اگر سوخت آلی مانند گلوکز را در نظر بگیریم از راه های مختلفی می تواند وارد مسیر تبدیل به انرژی شود؛ هم می تواند به بیواتانول، بیو گاز و یا هیدروژن تبدیل شده و هم می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل گردد.

در سال های اخیر پیل های سوختی میکروبی به عنوان منبعی جدید جهت تولید انرژی پاک و سازگار با محیط زیست مورد بررسی قرار گرفته اند. از این سیستم ها می توان علاوه بر تولید انرژی به عنوان روشی جهت حذف آلاینده ها نیز بهره برد.