کليد واژه ها: پيل سوخت ميکروبي معکوس، الکتروسنتز ميکروبي، الکتروسوخت، کاتد و مدلسازي. فهرست مطالبعنوان صفحهفهرست مطالب.......وفهرست شکلها.......حفهرست جداول .......طفصل اول: بررسي اهميت موضوع و مفاهيم مرتبط با آن1-1 مقدمه........ 11-2 چرخه انرژي تجديدپذير بر پايه زيست توده31-3توليد زيست توده توسط فرآيند فتوسنتز41-4هيدروليز و تخمير41-5 نياز به منابع آب و تصفيه پسابها61-6 پيل سوختي71-7 تعريف پيل‌سوختي81-8 انواع پيل سوختي81-9پيلهاي سوختي ميکروبي.. 91-9-1 کاربرد پيل سوختي ميکروبي......... 111-9-1-1 توليد برق.................. 121-9-1-2 تصفيه پسابها................ 121-9-1-3 توليد هيدروژن............... 131-9-1-4 حذف مواد شيميايي............. 131-9-1-5 حسگرهاي زيستي................ 131-9-2 مقايسه پيلهاي سوختي ميکروبي با فرآيندهاي بيواتانولي و متان زدايي........................................ 141-9-2-1 فناوريهاي متانزدايي و پيل سوختي ميکروبي141-9-2-2 فناوريهاي بيواتانول و پيل سوختي ميکروبي141-9-3 بررسي جامعه ميکروبي و زنجيره تنفسي در آنها 151-9-3-1 چگونگي انتقال الکترونها از سطح ميکروب به سطح آند پيل سوختي............................................... 171-10پيلهاي سوختي ميکروبي معکوس........ 211-10-1 مکانيسمهاي انتقال الکترون........... 221-10-2 بيوفيلمهاي کاتد..................... 241-10-3 الکترود کاتد......................... 241-10-4 شيمي محلول............................ 251-11هدف از پژوهش پيش رو............................ 27فصل دوم: بررسي پژوهشهاي پيشين2-1 مروري بر پيلهاي سوختي از گذشته تا حال......... 282-2تاريخچه پيل سوختي ميکروبي292-3 تاريخچه مدلسازي پيل سوختي ميکروبي292-4 تاريخچه الکتروسنتز ميکروبي33فصل سوم: بررسي معادلات و ساختار مدل3-1 فرضيات انجام گرفته .............................................................................................................................................363-2 معادلات سرعت................................... 373-2-1 معادلات مصرف سوبسترا......................... 373-2-2 معادله سرعت پديده خود-اکسايي ميکروبهاي فعال. 403-2-3 معادله سرعت غير فعال شدن ميکروبهاي فعال.. 413-3 معادله بقاي جرم سوبسترا در بيوفيلم413-4 بررسي ضريب انتقال جرم خارجي433-5 معادله بقاي جرم سوبسترا در حجم مايع کاتوليت443-6 معادله پتانسيل الکتريکي و قانون اهم453-7 بررسي مقاومتهاي اهمي473-8 معادله بقاي جرم زيست توده483-9 نيم واکنشهای انجام گرفته در بخش آند و کاتد پيل سوختی ميکروبی معکوس513-10 بررسي مدل مورد استفاده جهت تخمين پارامترهاي طراحي ..................................................................513-11 روش حل عددي523-11-1 روش تفاضلات محدود.. 533-11-1-1 تفاضلات پيشرو........................... 533-11-1-2 تفاضلات پسرو............................ 533-11-1-3 تفاضلات مرکزي........................... 53فصل چهارم: نتايج به دست آمده و تجزيه و تحليل آنها4-1 بررسي شرايط مرجع.............................. 574-2 اثر تغيير پتانسيل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مايع 614-3 مقايسه مقادير واقعی با مقادير حاصل از مدلسازی........................................................................................684-4 جمع بندي و نتيجه گيري......................... 694-4 پيشنهادات..................................... 71منابع و مراجع..................................... 72 فهرست شکلهاعنوان صفحه شکل 1-1: انرژي تجديدپذير خورشيدي و انرژيهاي سرچشمه گرفته از آن- [2]2شکل 1-2: نمايي کلي از چرخه توليد انرژي بر پايه زيست توده [5] 4شکل 1-3: نمايي از فرآيندهاي هيدروليز، تخمير، اسيدزدايي و متان زايي، محصولات و مواد اوليه هر کدام [5].......... 6شکل 1-4: شمايي از عملکرد پيل سوختي ميکروبي [13]..... 10شکل 1-5: زنجيره تنفسي درون سلول ميکروبها و پتانسيل کاهشي متناظر با هر مرحله [2]........................................... 16شکل 1-6: انتقال الکترون از سطح خارجي ميکروب به سطح آند توسط مواد واسط درونزا و برونزا [26]................................ 18شکل 1-7: انتقال مستقيم الکترون از سطح سلول ميکروب به سطح آند با تماس مستقيم فيزيکي بين آنها[26].......................... 20شکل 1-8: انتقال الکترون از سطح سلول ميکروب به سطح آند توسط نانوسيم رسانا [26].......................................... 20شکل 1-9: گونه ميکروبي از خانواده (الف) ژئوباکتر (ب) شوانلا و نانوسيمهاي ايجاد شده [13]...................................... 21شکل 1-10: شمايي از تفاوت بين پيل سوختي ميکروبي و پيل سوختي ميکروبي معکوس............................................... 22شکل 2-1: مقايسه شبيهسازي مدل [8] و نتايج آزمايشگاهي [9] در غلظت 1 ميلي مولار استات- [8]..................................... 31شکل 3-1: نمايي از نحوه افرازش الکترونهاي توليد شده از منبع خارجي، توليد انرژي، تکثير سلولهاي جديد فعال و سازوکارهاي نابودي آنها [1] 40شکل 3-2: شماي ساده بيوفيلم چسبيده به کاتد و لايه مرزي غلظتي 42شکل 3-3: الگوريتم حل معادلات مذکور در فصل سوم........ 56شکل 4-1: تغييرات پتانسيل الکتريکي در طول بيوفيلم در روزهاي سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم................................. 58شکل 4-2: تغييرات غلظت سوبسترا در طول بيوفيلم در روزهاي سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم.......................................... 59 ............................................................... ...............................................................شکل 4-3: تغييرات جزء حجمي ميکروبهاي فعال در طول بيوفيلم59شکل 4-4: تغييرات ضخامت بيوفيلم با زمان.............. 60شکل 4-5: تغييرات دانسيته جريان با زمان.............. 60شکل 4-6: تغييرات بازده کلومبيک با غلظت سوبسترا در حجم مايع 63شکل 4-7: روند تغييرات چگالي جريان با غلظت سوبسترا در حجم مايع 63شکل 4-8: روند تغييرات ضخامت بيوفيلم با غلظت سوبسترا در حجم مايع 64شکل 4-9: جمله نرنست-مونود نسبت به پتانسيل کاتد............ 64شکل 4-10: تغييرات چگالي جريان با پتانسيل سطح کاتد... 65نمودار 4-11: تغييرات چگالي جريان با زمان در پتانسيل اشباع و غلظتهاي مختلف............................................... 66شکل 4-12: تغييرات چگالي جريان با زمان براي غلظت سوبستراي اشباع و پتانسيلهاي مختلف.................................... 67شکل 4-13: توزيع ميکروبهاي فعال در بيوفيلم، پتانسيل کاتد محدود کننده67شکل 4-14: توزيع ميکروبهاي فعال در بيوفيلم، غلظت سوبستراي محدود کننده68شکل 4-15 شکل 4-15: مقايسه نتايح حاصل از مدلسازي با نتايج واقعي. (a نتيجه حاصل از مدلسازي و (b نتايج واقعي ...........................................................................................................................................................................................................69 فهرست جدولهاعنوان صفحه جدول 1-1: تفاوت بين واکنشهاي انجام شده در بخش آند و کاتد پيل سوختي ميکروبي و پيل سوختي ميکروبي معکوس................... 22جدول4-1: مقادير عددي پارامترها براي حالت مرجع....... 58جدول 4-2: محدوده تغييرات پتانسيل سطح کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مايع.................................................... 62 فصل اول 1-1 مقدمهمنابع انرژي رو به زوال سوختهاي فسيلي، جامعه رو به توسعه انساني را در آينده‌اي نه‌چندان دور دچار کمبود سوخت مي‌سازند. با رشد سريع جمعيت و رسيدن آن به مرز 10 ميليارد نفر تا 50 سال ديگر نياز به منابع پايان‌ناپذير سوخت افزايش خواهد يافت]1[. بر اساس تخميني از رشد جمعيت و رشد اقتصادي همراه با آن و با در نظر گرفتن روند رشد تقاضاي انرژي، ميزان تقاضاي انرژي در سال 2050 ميلادي 27 تراوات و در سال 2100 ميلادي 43 تراوات خواهد بود]2[. بنابراين اگرچه نفت، گاز طبيعي و ذغال سنگ در کوتاه مدت ميتوانند نياز انرژي را برآورده نمايند، ولي در دهههاي آتي و با پيشي گرفتن تقاضاي نفت از عرضه آن، نميتوانند به عنوان يک گزينه مناسب مطرح شوند. در نتيجه با توجه به اينکه منابع سوختهاي فسيلي رفته رفته در حال کاهش است حتي در صورت يافتن منابع جديد نفت و يا افزايش بهرهبرداري از مخازن موجود، مشکل مهم تغييرات آب و هوايي نه تنها حل نميشود، بلکه تشديد نيز خواهد شد. بدون شک رهاسازي کربن ذخيره شده در سوختهاي فسيلي، غلظت دياکسيد کربن را در جو افزايش ميدهد؛ انباشتگي گازهاي گلخانهاي در سالهاي اخير سبب شده که دماي متوسط جهاني از دماهاي پيش از تاريخ نيز فراتر رفته و منجر به ذوب يخهاي طبيعي و افزايش سطح درياها بشود]2[. بنابراين حتي جايگزيني نفت و گاز با سوختهاي ديگري مانند ذغالسنگ، هيدرات متان و قطران ذغالسنگ نيز منجر به رهاسازي گاز دياکسيد کربن بيشتر به جو، تشديد نمودن آسيبهاي زيست محيطي و شتاب بخشيدن به تغييرات آب و هوايي ميگردد. بنابراين از اين ديدگاه ما به روشي براي توليد انرژي نيازمنديم که با نرخ بيش از 1% در هر قرن گاز دياکسيد کربن را به جو وارد ننمايد. بزرگترين چالش پيش رو اين است که علاوه بر برآورده نمودن نياز رو به رشد انرژي، مسئله نشر گازهاي گلخانهاي نيز به طور همزمان برطرف گردد. در نتيجه نگرانيهاي انتشار پيوسته و در حال افزايش دياکسيد کربن به اتمسفر و همچنين وسعت آلودگي ناشي از سوختهاي فسيلي که زندگي در کره خاکي را دچار مشکل ساخته است، نياز به منابع انرژي از منابع تجديدپذير با حداقل تأثير منفي زيست محيطي را افزايش ميدهد]3[. در اين ارتباط قوانين سخت گيرانه تر زيست‌محيطي وضع گرديده و اعتبارهاي مالي بالايي براي پژوهش در زمينه بهرهبرداري از انرژيهاي نو تصويب گرديده است]1[.زينش جايگزينهاي مناسب، ارزان‌قيمت و تميز براي سوختهاي فسيلي، به هر ترتيب يک ضرورت آشکار است. انرژيهاي تجديدپذيري مانند انرژي خورشيدي، باد، زمين گرمايي و انرژي حاصل از زيست توده گزينههاي مناسبي به شمار ميآيند. در اين بين انرژي خورشيدي يک منبع انرژي مناسب و جذاب ميباشد، زيرا علاوه بر تجديدپذيري به ميزان زيادي نيز در دسترس ميباشد. ولي به علت وجود مشکلات فني و اقتصادي، در حال حاضر نميتوان در کوتاه مدت به طور کامل به اين انرژي متکي بود. در حدود 200 تراوات از 170000 تراوات انرژي خورشيدي تابيده شده، به انرژي باد تبديل ميگردد؛ در حالي که از اين ميزان 67 تراوات از طريق چرخههاي آبي به انرژي آب و 100 تراوات نيز از طريق فتوسنتز به شکل زيست توده ذخيره ميگردد]4[. نمايي از اين امر در شکل 1-1 نشان داده شده است. بخشي از فناوريهاي مرتبط با اين انرژيها مانند توربينهاي بادي، سدهاي برقابي، صفحات خورشيدي و فرآيندهاي توليد اتانول و متان از زيست توده در سالهاي اخير توسعه يافتهاند ولي با اين حال، با رشد جوامع، بايستي نرخ رشد و توسعه اين فناوريها نيز افزايش يابد.شکل 1-1 انرژي تجديدپذبر خورشيدي و انرژيهاي سرچشمه گرفته از آن]2[. 1-2 چرخه انرژي تجديدپذير بر پايه زيست تودههمان گونه که پيش از اين نيز اشاره شد، انرژي خورشيدي و انرژيهايي که از آن سرچشمه ميگيرند، يک راهکار مناسب براي رفع چالشهاي انرژي و محيط زيست در دراز مدت ميباشند. ولي اين امر کاملاً به چگونگي دريافت و استفاده از اين انرژي بستگي دارد. خورشيد در تمام روز و در تمام نواحي به شکل يکنواخت نميتابد. بنابراين صفحات خورشيدي ميتوانند نياز برق را در طول روز مرتفع سازند، ولي بدون وجود روش مناسبي براي ذخيرهسازي اين انرژي، نميتوان از آن به عنوان منبع اصلي تأمين انرژي در تمام مدت شبانه روز استفاده کرد.انرژي زيست توده شکلي از انرژي خورشيدي گرفته شده ميباشد که در آن انرژي خورشيدي جهت فرآوري و نقل و انتقال راحتتر به صورت فشرده در زيست توده ذخيره شده است. اين ذخيره سازي از طريق فرآيند فتوسنتز و جذب انرژي نور خورشيد در پيوند مولکولهاي آلي زيستتودهها انجام ميگيرد.شکل 1-2 نمايي کلي از چرخه انرژي تجديد پذير بر پايه زيست توده را نشان ميدهد. در اين شکل، ميکروارگانيسمها زيست توده را به سوخت تبديل مينمايند.اين چرخه شامل سه بخش اصلي است:در اين چرخه، فتوسنتز انرژي خورشيدي را گرفته و طي يک فرآيند کاهشي با حضور دياکسيد کربن، زيست توده را به شکل گياه و جلبک ايجاد مينمايد]5[. در واقع در اين مرحله انرژي خورشيدي به شکل انرژي پيوندهاي مولکولي در مواد آلي تشکيل دهنده گياهان و جلبکها ذخيره ميگردد.در بيشتر موارد زيست تودهاي که به عنوان منبع سوخت زيستي به کار ميرود، از پليمرهايي شامل پروتئينها، ليپيدها و پلي ساکاريدها ساخته شده است. اين پليمرهاي پيچيده معمولاً براي استفاده مستقيم در توليد انرژي مناسب نيستند ]5[؛ زيرا شکستن و تجزيه آنها به سختي صورت ميگيرد. بنابراين يک سري واکنشهاي ميکروبيولوژيکي جهت تبديل زيست توده به سوخت زيستي مناسب مانند متان، هيدروژن و اتانول مورد نياز است. استات نيز يک سوخت زيستي مفيد به شمار ميآيد. اين سوختها داراي ساختار مولکولي سادهتر بوده و به سهولت اکسيد ميگردند. فرآيند تبديل زيست توده به سوختهاي زيستي شامل مجموعهاي از فرآيندهاي هيدروليز، تخمير، اسيدزدايي و متان زايي ميباشد که در قسمتهاي آتي به آنها پرداخته ميشود. ميکروارگانيسمها ميتوانند در هر کدام از اين فرآيندها حضور داشته باشند.