تحقیق تجربی پارامتر های موثر بر روی پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای با ساختار حلقوی با استفاده از پساب صنایع شکلات سازی

افزایش مصرف جهانی انرژی و مسأله گرم شدن کره زمین، بکارگیری انرژی‌های نو و تجدید‌پذیر را اجتنابناپذیر ساخته است. پیل‌های سوختی میکروبی[1]به دلایلی مانند مواد اولیه ارزان و راندمان نسبتاً بالا از جذابیت‌های ویژه‌ای برخوردار هستند. در این فصل ابتدا در مورد چالش‌های انرژی و انرژی‌های تجدید پذیر مواردی بیان می‌شود و سپس فناوری پیل سوختی میکروبی به عنوان راهکاری برای مقابله با این چالش‌ها پیشنهاد می‌شود. در پایان نیز کاربردهای مهم پیل‌های سوختی میکروبی ارائه می‌گردد.

1-1افزایش جمعیت و نیاز به انرژی

در حال حاضر، جمعیت کره زمین بیش از 6 میلیارد نفر است که تخمین زده می‌شود در سال 2050 میلادی این جمعیت به بیش از 4/9 میلیارد نفر برسد [1]. در سال‌های گذشته، سوخت‌های فسیلی موجب پیشرفت صنعت کشورهای پیشرفته و رشد اقتصادی آن‌ها گردید. پیش بینی می‌شود در سال‌های 2015 تا 2025، تقاضای تولید بیشتر، موجب خالی شدن بسیاری از مخازن و ذخیره‌های نفتی خواهد شد [2].براساس پیش بینی‌های صورت گرفته و با درنظرگرفتن رشد جمعیت و رشد اقتصادی، نیاز به انرژی در سال 2050 را 41 تراوات[2]برآورد کرده‌اند. این پیش بینی بر اساس مصرف انرژی فعلی است. با ملاحظه این روند، طبق یک پیش بینی منطقی، انرژی مورد انتظار برای سال 2050، 27 تراوات و برای سال 2100، 43 تراوات می‌باشد[1].

1-2سوخت‌های فسیلی و چالش‌های کنونی

کاربرد سوخت‌های فسیلی به خصوص نفت و گاز در سال‌های اخیر شتاب زیادی به خود گرفته است. سوخت‌های فسیلی باعث رشد صنعتی و اقتصادی کشورها گردیده است، اما واضح است که نمی‌تواند به طور نامحدودی اقتصاد جهانی را حمایت نماید. مصرف چنین سوخت‌هایی از آنجایی که منجر به احتراق مستقیم آن‌ها می‌شود، مشکلات متعددی را برای بشریت به همراه آورده است، لازم به ذکر است بیش از 20% انرژی مورد نیاز به صورت الکتریسیته در نیروگاه‌ها تولید می‌شود. با توجه به اینکه بازده نیروگاه‌ها حدود 33% می‌باشد، بنابراین انرژی به کار رفته برای تولید چنین جریان الکتریسیته‌ای سه برابر میزان تولیدی است. مهم‌ترین مشکلی که آینده انسان‌ها را با خطر مواجه خواهد کرد، مشکل گرم شدن کره زمین می‌باشد که ناشی از پیدا شدن گازهای گلخانه‌ای است و این گازها خود از احتراق مستقیم سوخت‌های فسیلی حاصل می‌شوند. بعلاوه احتراق سوخت‌های فسیلی منجر به آلودگی‌های زیست محیطی نظیر آلودگی هوا، بارش باران‌های اسیدی و تاثیرات منفی آن بر کشتزارها، جنگل‌ها، مراتع و آب‌های سطحی و ابنیه تاریخی و غیره می‌شود. مشکل دیگر که به واسطه استفاده روز افزون این سوخت‌ها جامعه جهانی را تهدید می‌کند بحران انرژی است که تبعات ناشی از این بحران بسیار ناگوارتر خواهد بود و دیگر مسائل زیست محیطی مطرح نیست بلکه مشکلات سیاسی، اجتماعی و اقتصادی را منجر خواهد شد. هنگامی‌که امریکا با اولین بحران نفت خود در دهه هفتاد قرن بیستم مواجه شد، به دنبال یافتن راه حل‌هایی برای غلبه بر این مشکل بر آمد. از جمله این راه حل‌ها کشف ذخایر جدید نفت، افزایش بازده استخراج نفت از منابع موجود یا به کار بردن سایر سوخت‌های فسیلی مانند ماسه‌های قیری[3]می‌باشد.

راه حل دیگر استفاده از انرژی هسته‌ای است، اما آن هم محدودیت‌های خاص خود را دارا می‌باشد. محدود بودن ذخایر اورانیوم جهانی، مشکلات مربوط به مسائل زیست محیطی و سلامت انسان ناشی از استخراج اورانیوم از معادن و فقدان ایمنی کافی و یافتن راه حل طولانی مدت برای ذخیره پسماندهای هسته‌ای از جمله این محدودیت‌ها است.

انرژی خورشیدی یک راه حل طولانی مدت است، اما همه آن بستگی به نحوه استفاده از این انرژی دارد. خورشید همه روزه نمی‌تابد و همه تابش آن در همه جا یکسان نمی‌باشد. بنابراین پانل‌های خورشیدی می‌توانند به نیازمندی‌های الکتریسیته در روز کمک کنند. اما به عنوان بک منبع تأمین انرژی در طول شبانه روز بدون روش‌های کارامد ذخیره سازی انرژی، نمی‌توانند مفید باشند.

در مجموع همه این عوامل باعث شده تا دانشمندان به دنبال جایگزین‌های مناسبی برای تأمین انرژی باشند، لذا انرژی‌های تجدید پذیر به عنوان یکی از روش‌های کاهش این بحران مورد توجه قرار گرفته‌اند. تلاش‌های زیادی برای ایجاد روش‌های دیگر تولید انرژی الکتریکی انجام گرفته است. روش‌های جدید تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدید پذیر بدون انتشار خالص دی اکسید کربن بسیار مورد توجه می‌باشند [3].

1-3انرژی‌های تجدید پذیر

انرژی‌های تجدید پذیر اساساً با طبیعت سازگار بوده، آلودگی ندارند و چون تجدیدپذیرند پایانی برای آن ها وجود ندارد. از ویژگی‌های دیگر این منابع می‌توان به پراکندگی و گستردگی آن‌ها در تمام جهان، فناوری آسان و قیمت پایین اشاره کرد. انرژی‌های تجدید پذیر به شرح زیر دسته بندی می‌شوند [4].

انرژی خورشیدی
انرژی باد
انرژی گرمایی (ژئوترمال)
انرژی زیست توده
انرژی‌های دریایی
هیدروژن

1-4تولید الکتریسیته بیولوژیکی با استفاده از فناوری‌های پیل سوختی میکروبی

پیل سوختی میکروبی فناوری نوینی است که جدیدترین روش‌های دستیابی به الکتریسیته و تولید بیو الکتریسیته را از زیست توده[4]با بکار بردن باکتری‌ها بیان می‌کند، به عبارتی دیگر پیل سوختی میکروبی نوعی فناوری است برای تبدیل انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی موجود در ترکیبات آلی به انرژی الکتریکی از طریق واکنش‌های کاتالیزشده توسط میکروارگانیسم ها که در سال‌های اخیر در تحقیقات آکادمیک بسیار مورد توجه قرار گرفته است [5]. همان طور که می‌دانید مواد آلی سرشار از انرژی است و در یک پیل سوختی میکروبی، میکروارگانیسم‌ها^{^[5]} مواد آلی را تجزیه (اکسید) می‌کنند و در جریان این عمل الکترون آزاد می‌شود. الکترون آزاد شده از خلال مجموعه‌ای از آنزیم‌های تنفسی داخل سلول مهاجرت کرده و برای سلول انرژی در فرم ATP[6] (ترکیبی است حاوی سه مولکول اسید فسفریک و یک پیوند کم نیرو و دو پیوند پر نیرو) ایجاد می‌کند، سپس این الکترون‌های آزاد در ترمینال جذب الکترون[7]که با جذب الکترون‌ها کاهش می‌یابد، جمع آوری می‌شوند[6, 7].بسیاری از ترمینال‌های جذب الکترون مانند اکسیژن، نیترات، سولفات و سایرین می‌توانند به داخل سلول نفوذ کرده و الکترون را جذب نموده و با تولید محصولاتی مجدداً از سلول خارج شوند. بطور مثال اکسیژن می‌تواند در حضور پروتون و الکترون طی یک واکنش کاتالیستی به آب کاهیده شود.

برای خرید و دانلود اینجا کلیک کنید

زینب دوشنبه 1 خرداد 1396 ساعت 02:02

ام او فایل

ام او فایل