فهرست مطالب چكيده1مقدمه2فصل اول : درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی31-1) مفاهیم41-2) مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها71-3) میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند81-4) پیکربندی پیل های سوختی میکروبی121-4-1) اجزای MFC121-4-2) سیستمهای MFC دو جزئی131-4-3) سیستمهای MFC تک جزئی161-4-4)سیستمهای MFC نوع Up-flow191-4-5)پیل سوختی میکروبی انباشته (stacked)211-5) عملکرد MFC ها221-5-1) عملکرد ایده آل221-5-2) بازدهی واقعی MFC241-5-3) تاثیر شرایط عملیاتی261-5-4) تاثیر جنس الکترودها271-5-5) بافر pH و الکترولیت291-5-6) سیستم مبادله پروتون301-5-7) شرایط عملیاتی در محفظه آند311-5-8) شرایط عملیاتی در محفظه کاتد321-6) کاربردها341-6-1) تولید الکتریسیته341-6-2) بیوهیدروژن (Biohydrogen)361-6-3) تصفیه فاضلاب371-6-4) سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors)381-7) چشم انداز MFC ها39فصل دوم : مباحث فنی پیل های سوختی41° 2-1) ولتاژ پیل و پتانسیل الکترود ها42° 2-2) وابستگی ولتاژ پیل تعادلی به غلظت: معادله عمومی Nernst44° 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 غلظت50° 2-6) محاسبه پتانسیل های تعادلی الکترود51° 2-7) الکترود هیدروژن52° 2-8) الکترودهای فلز/نمک نامحلول/یون54° 2-9) الکترود کالومل56° 2-10) الکترود نقره/کلرید نقره57° 2-11) الکترود جیوه-سولفات جیوه59° 2-12) پتانسیل الکترود های استاندارد60° 2-13) غلظت و فعالیت62° 2-14) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل نقطه-بار63° 2-15) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل اندازه محدود یون65° 2-16) تصحیح Stokes-Robinson تئوری Debye-Hückel تاثیر اثر متقابل یون-حلال66فصل سوم :مدلسازی ریاضی پیل سوختی میکروبیوژیکی683-1) ساختار کلی MFC مورد نظر برای مدلسازی693-2) توسعه مدل693-3) سرعت واکنش ها713-4) حل مسئله783-5) محاسبه پارامترها783-6) بحث و نتیجه گیری83فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات84فهرست مطالب منابع و ماخذ86فهرست منابع فارسي86فهرست منابع لاتين87سايت هاي اطلاع رساني97چكيده انگليسي98 فهرست جدول ها 1-1: میکروب ها و سوبسترا هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند91-2: اجزای اساسی تشکیل دهنده پیل سوختی میکروبی131-3: واکنش هایی که در سطح الکترودها رخ می دهند و پتانسیل احیاء آن ها242-1: پتانسیل الکترودهای استاندارد61 فهرست شكل‌ها 1-1: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی51-2: انتقال الکترون در ماتریس میان سلولی به آند101-3: فرآیندهای بنیادی که در فرآیند انتقال الکترون ها به آند نقش دارند111-4: شماتیک پنج نمونه MFC دو محفظه ای141-5: شماتیک پیل ساخته شده توسط Min و Logan در سال 2004161-6: شماتیک نمونه های دیگری از پیل سوختی میکروبی171-7: شماتیک پیل سوختی ساخته شده توسط Liu و همکارانش در سال 2004191-8: شماتیک دو نمونه پیل سوختی میکروبی از نوع Upflow201-9: شماتیک یک نمونه MFC انباشته212-1: تصویر شماتیک یک پیل الکتروشیمیایی432-2: اختلاف پتانسیل تماس بین دو هادی غیر همجنس؛ EF سطح442-3: سیستم اکسایش/کاهش Fe3+/Fe2+492-4: نمای شماتیک الکترود هیدروژن532-5: نمای شماتیک الکترود کالومل اشباع (SCE)572-6: الکترود نقره-کلرید نقره582-7: پتانسیل الکترودهای مرجع در °C25602-8: پتانسیل استاندارد نسبی، E°، الکترود Cu/Cu2+612-9: یک الکترود با پتانسیل کمتر همواره یون های الکترود دیگر با پتانسیل بیشتر را احیاء خواهد کرد622-10: منحنی تغییر ضریب فعالیت γ± با √mol/L در دمای °C25642-11: منحنی مقایسه ضرایب فعالیت تجربی با مقادیر تئوری با استفاده از تصحیح هیدراسیون673-1: نمای شماتیک محفظه آند و لایه کرزی مبادله جرم703-2: تغییرات غلظت سوبسترا و ماده واسط در شرایط استاندارد793-3: تغییرات شدت جریان با زمان793-4: تغییرات مقدار بار تولید شده با زمان793-5: منحنی مدل سازی شده شدت جریان با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337803-6: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337813-7: 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=100m823-8: 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=100m82پیل 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.مقدمه: با پشت سر گذاشتن عصر صنعتی و ورود به عصر اطلاعات، استفاده بی رویه بشر از منابع سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر در توسعه و پیشرفت صنعت طی دهه های اخیر، زندگی انسان های امروزی را با تهدیدات جدی زیست محیطی مواجه ساخته است به طوریکه تغییرات اقلیمی نه به عنوان یک چالش منطقه ای بلکه به عنوان یک مسئله جهانی مطرح است. تشکیل مجماع، کُمیسیون ها و تشکل های جهانی و تصویب قوانین، کنوانسیون ها و پروتوکل های مختلف در سطح جهانی مثل پیمان کیوتو و کنوانسیون بازل و همچنین تعریف پروژه هایی مثل پروژه های مکانیسم توسعه پاک (CDM) همگی گواه بر اهمیت این موضوع می باشند. علاوه بر این، خبر رو به پایان بودن منابع نفتی دنیا تا 30 الی 40 سال آینده، کشورهای مختلف را بر این داشته است که به طور جدی به دنبال منابع تجدید پذیر و جایگزین باشند تا بتوانند امنیت انرژی خود را در آینده تامین نمایند.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.در حال حاضر، تکنولوژی MFC ها به دلیل راندمان پایین هنوز به تولید تجاری و انبوه نرسیده است. با تجاری شدن این صنعت، موضوع فاضلاب شهری نه تنها به عنوان یک مشکل بلکه به عنوان یک منبع تامین انرژی پاک مطرح خواهد بود به این دلیل که فاضلاب شهری منبع غنی میکروارگانیسم های مورد استفاده در پیل های سوختی میکروبیولوژیکی می باشد.مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبی این امکان را فراهم می سازد که محققین با تغییر پارامترهای تاثیرگذار بر راندمان پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و بدون انجام آزمایشات متعدد و زمان بر بتوانند تغییرات حاصل در توان تولید شده را پیش بینی نموده و به اصلاح طرح خود بپردازند. در این تحقیق سعی شده است مدلی مناسب برای پیش بینی چنین تغییراتی ارائه شود. فصل اول درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی1-1) مفاهیمپیل سوختی میکروبی به راکتوری اطلاق می شود که انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنش های کاتالیستی میکروارگانیسم ها و تحت شرایط بی هوازی به انرژی الکتریکی تبدیل کند. سالهاست که دانشمندان به این موضوع پی برده اند که می توان مستقیما" و با استفاده از باکتری ها، مواد آلی را تجزیه کرد و الکتریسیته تولید نمود. در تصفیه فاضلاب نیز می توان از MFC ها برای تجزیه مواد آلی استفاده نمود. علاوه براین، طی مقالاتی سعی شده که از MFC ها به عنوان سنسورهای بیولوژیکی از قبیل سنسورهای نمایشگر BOD استفاده شود. توان خروجی و بازدهی کلمب در MFC ها تحت تاثیر عواملی نظیر: نوع میکروبهای موجود در سلول آند، پیکربندی MFC و شرایط عملیاتی می باشد. در حال حاضر کاربرد های عملی MFC ها محدود می باشد زیرا میزان توان خروجی آنها پایین و در حد چند هزار میلی وات بر مترمربع (mW/m2) می باشد. دانشمندان در تلاشند تا عملکرد MFC ها را بهبود بخشیده و هزینه های ساخت و عملیاتی آنها را کاهش دهند. مقاله حاضر در تلاش است تا مروری کلی بر پیشرفت های اخیر در مطالعه و پیشبرد MFC ها داشته و بیشتر، پیکربندی و بازدهی MFC ها تشریح شده است.افزایش روزافزون استفاده بی رویه از سوخت های فسیلی، جهان را با بحران انرژی ماجه ساخته است. انرژی تجدیدپذیر بیولوژیکی یکی از گزینه های مناسب برای جبران بخشی لز نیاز جوامع بشری به انرژی می باشد. اخیرا"، مطالعات زیادی برای توسعه روش های مختلف تولید انرژی انجام می گردد. در این میان، تولید الکتریسیته از منابع تجدیدپذیر که دی اکسیدکربن به محیط انتشار نمی کند بیش از هر روش دیگری مورد توجه است (Lovley، 2006، Davis و Hingson، 2007). اخیرا"، تکنولوژی پیل های سوختی میکروبی، MFCها، که انرژی ذخیره شده در پیوندهای ترکیبات آلی را از طریق واکنشهای کاتالیستی توسط میکروارگانیسم ها به انرژی الکتریکی تبدیل می کند مورد توجه ویژه ای واقع شده است (Allen و Bennetto، 1993؛ Gil و همکارانش، 2003؛ Moon و همکارانش، 2006؛ Choi و همکارانش، 2003).باکتری های مورد استفاده در MFC ها قادر به تولید الکتریسیته می باشند و این در حالیست که همزمان، پساب و مواد آلی را به روش های بیولوژیکی تجزیه می کنند (Park و Zeikus، 2000؛ Oh و logan، 2005). شکل 1-1 نمای شماتیک یک MFC را نمایش می دهد که به منظور تولید الکتریسیته به کار برده شده است.شکل 1-1: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی همانطوریکه از شکل پیداست، یک MFC شامل سلول های آند و کاتد می باشد که توسط یک غشای تبادل پروتون (PEM) از هم جدا شده اند (Wilkinson،2000؛ Gil و همکارانش، 2003).میکروب های موجود در سلول آند، مواد آلی درون سلول آند را اکسید می کنند. طی این فرآیند، الکترون و پروتون تولید می گردد. دی اکسید کربن نیز به عنوان یک محصول حاصل از اکسایش تولید می گردد. اما، در کل، در این فرآیند هیچ دی اکسید کربنی آزاد نمی شود. جرا که دی اکسید کربن موجود در توده بیولوژیکی، در اصل طی فرآیند فتوسنتز، از هوای محیط وارد شده است. برخلاف فرآیند احتراق مستقیم، الکترون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها با عبور از غشای تبادل پروتون، PEM، یا یک پل نمکی، وارد سلول کاتد شده و با اکسیژن موجود در سلول کاتد واکنش داده و آب تولید می شود. میکروب های موجود در سلول آند، الکترون ها و پروتون ها را با اکسید کردن مواد آلی و طی فرآیندهایی مجزا و نامشابه، از مواد آلی درون سلول آند استخراج می کنند (Rabaey و Verstraete، 2005). تولید جریان الکتریسیته تنها زمانی مقدور می باشد که میکروب ها از اکسیژن یا هر ماده الکترون گیرنده دیگری غیر از آنچه که در سلول آند موجود است، جدا نگهداشته شده باشند که این خود گویای ایجاد شرایط بی هوازی برای محفظه آند می باشد.