مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب

 

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. فصل اول این تحقیق مروری است بر تکنولوژی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی. فصل دوم به مباحث فنی و مبانی ریاضی پیل های سوختی  از بدو  تا به امروز می پردازد که پایه و اساس مدل ارائه شده در فصل سوم می باشد. در فصل سوم، با بررسی دقیق تر کارهای ارائه شده توسط محقیقن مختلف و استفاده از فرضیات و همچنین داده های تجربی ارائه شده در مقالات مختلف، مدلی مناسب برای پیل سوختی میکروبیولوژیکی دو محفظه ای (Double Chamber) ارائه شده است که با استفاده از این مدل، نمودارهای مختلف مربوط به توان، شدت جریان و اختلاف پتانسیل حاصل از این نوع پیل سوختی ترسیم شده است. فصل چهارم به ارائه  نتیجه گیری کلی در زمینه پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و مدلسازی ریاضی آن ها می پردازد.

 

فهرست مطالب                                                                                                     

 

چكیده

1

مقدمه

2

فصل اول : درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی

3

1-1)          مفاهیم

4

1-2)          مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها

7

1-3)          میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند

8

1-4)         پیکربندی پیل های سوختی میکروبی

12

1-4-1)                اجزای MFC

12

1-4-2)                سیستمهای MFC دو جزئی

13

1-4-3)                سیستمهای MFC تک جزئی

16

1-4-4)      سیستمهای MFC نوع Up-flow

19

1-4-5)      پیل سوختی میکروبی انباشته (stacked)

21

1-5)         عملکرد MFC ها

22

1-5-1) عملکرد ایده آل

22

1-5-2) بازدهی واقعی MFC

24

1-5-3) تاثیر شرایط عملیاتی

26

1-5-4) تاثیر جنس الکترودها

27

1-5-5) بافر pH و الکترولیت

29

1-5-6) سیستم مبادله پروتون

30

1-5-7) شرایط عملیاتی در محفظه آند

31

1-5-8) شرایط عملیاتی در محفظه کاتد

32

1-6)          کاربردها

34

1-6-1) تولید الکتریسیته

34

1-6-2) بیوهیدروژن (Biohydrogen)

36

1-6-3) تصفیه فاضلاب

37

1-6-4) سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors)

38

1-7)         چشم انداز MFC ها

39

فصل دوم : مباحث فنی پیل های سوختی

41

°      2-1) ولتاژ پیل و پتانسیل الکترود ها

42

°      2-2) وابستگی ولتاژ پیل تعادلی به غلظت: معادله عمومی Nernst

44

°      2-3) پتانسیل های فلز/یون فلزی (+M/Mz)

46

°      2-4) پتانسیل های اکسایش/کاهش (RED/OX)

48

°      2-5) کاربرد معادله Nernst در وابستگی پتانسیل RedOx به غلظت

50

°      2-6) محاسبه پتانسیل های تعادلی الکترود

51

°      2-7) الکترود هیدروژن

52

°      2-8) الکترودهای فلز/نمک نامحلول/یون

54

°      2-9) الکترود کالومل

56

°      2-10) الکترود نقره/کلرید نقره

57

°      2-11) الکترود جیوه-سولفات جیوه

59

°      2-12) پتانسیل الکترود های استاندارد

60

°      2-13) غلظت و فعالیت

62

°      2-14) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل نقطه-بار

63

°      2-15) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل اندازه محدود یون

65

°      2-16) تصحیح Stokes-Robinson تئوری Debye-Hückel تاثیر اثر متقابل یون-حلال

66

فصل سوم : مدلسازی ریاضی پیل سوختی میکروبیوژیکی

68

3-1) ساختار کلی MFC مورد نظر برای مدلسازی

69

3-2) توسعه مدل

69

3-3) سرعت واکنش ها

71

3-4) حل مسئله

78

3-5) محاسبه پارامترها

78

3-6) بحث و نتیجه گیری

83

فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات

84

                                                                                                      

منابع و ماخذ

86

فهرست منابع فارسی

86

فهرست منابع لاتین

87

سایت های اطلاع رسانی

97

چكیده انگلیسی

98

 

  فهرست جدول ها

                                                                                                       

1-1: میکروب ها و سوبسترا هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند

9

1-2: اجزای اساسی تشکیل دهنده پیل سوختی میکروبی

13

1-3: واکنش هایی که در سطح الکترودها رخ می دهند و پتانسیل احیاء آن ها

24

2-1: پتانسیل الکترودهای استاندارد

61

  فهرست شكل‌ها

                                                                                                       

1-1: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی

5

1-2: انتقال الکترون در ماتریس میان سلولی به آند

10

1-3: فرآیندهای بنیادی که در فرآیند انتقال الکترون ها به آند نقش دارند

11

1-4: شماتیک پنج نمونه MFC دو محفظه ای

14

1-5: شماتیک پیل ساخته شده توسط Min و Logan در سال 2004

16

1-6: شماتیک نمونه های دیگری از پیل سوختی میکروبی

17

1-7: شماتیک پیل سوختی ساخته شده توسط Liu و همکارانش در سال 2004

19

1-8: شماتیک دو نمونه پیل سوختی میکروبی از نوع Upflow

20

1-9: شماتیک یک نمونه MFC انباشته

21

2-1: تصویر شماتیک یک پیل الکتروشیمیایی

43

2-2: اختلاف پتانسیل تماس بین دو هادی غیر همجنس؛ EF سطح

44

2-3: سیستم اکسایش/کاهش Fe3+/Fe2+

49

2-4: نمای شماتیک الکترود هیدروژن

53

2-5: نمای شماتیک الکترود کالومل اشباع (SCE)

57

2-6: الکترود نقره-کلرید نقره

58

2-7: پتانسیل الکترودهای مرجع در °C25

60

2-8: پتانسیل استاندارد نسبی، E°، الکترود Cu/Cu2+

61

2-9: یک الکترود با پتانسیل کمتر همواره یون های الکترود دیگر با پتانسیل بیشتر را احیاء خواهد کرد

62

2-10: منحنی تغییر ضریب فعالیت γ± با √mol/L در دمای °C25

64

2-11: منحنی مقایسه ضرایب فعالیت تجربی با مقادیر تئوری با استفاده از تصحیح هیدراسیون

67

3-1: نمای شماتیک محفظه آند و لایه کرزی مبادله جرم

70

3-2: تغییرات غلظت سوبسترا و ماده واسط در شرایط استاندارد

79

3-3: تغییرات شدت جریان با زمان

79

3-4: تغییرات مقدار بار تولید شده با زمان

79

3-5: منحنی مدل سازی شده شدت جریان با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337

80

3-6: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337

81

3-7: منحنی مدل سازی شده ولتاژ با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m

82

3-8: منحنی مدل سازی شده توان تولید شده با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m

82

 

شیمی