SUPERVISOR
مجید محسنی (استاد مشاور) طیبه بهزاد (استاد راهنما) محسن نصراصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Ramin Sedaqatvand
رامین صداقت وند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
Microbial fuel cells are one of the newly emerged technologies in the field of energy recovery and treating wastewaters simultaneously which have attracted interest in recent years. In this study, MFC model based on the direct conduction of electrons in biofilm has been presented and validated by available experimental data from litrature. The presented model is able to predict the measured data with an acceptable accuracy. Furthermore, the investigation of anode potential variations demonstrated that the produced current density shifts from zero to a saturated value in a narrow range around half-saturation voltage. The substrate concentration showed similar effects but in a wider range. According to these observations, it is determined that the maximum attainable current density from a pure-culture biofilm composed of Geobacter sulfurreducens is 2.42 (A/m 2 ) with acetate as substrate under the specified conditions. If the anodic chamber would perform in batch mode under the defined conditions, the current pattern will be repeated with each fresh substrate injection with the existence of a mature biofilm. The maximum current will reach 3.12 (mA) in this case. The performance of anodic compartment was examined in continuous flow for the first time. The results obtained for continuous flow of substrate in a cylindrical anodic chamber with the biofilm developed over its inner surface showed that the overall process was controlled by external mass transfer resistance. In this situation reducing the diameter and increasing the length of the tube are generally favorable in viewpoint of both elevated current density and treatment efficiency. The inlet substrate concentration showed no influence on treatment efficiency while resulted in raising the current density. Treatment efficiency decreased with flow rate;this effect saturated finally for high flow rates. With defining a novel boundary condition for potential equation, it would be possible for the first time to investigate the effects of external electrical load using polarization curves by conduction-based model. The obtained results demonstrated that for a biofilm made up of G.sulfurreducens and with the presence of acetate the major overpotentials were associated with the mass transfer resistances. It would be possible to determine quantitatively the effects of biofilm conductivity and concentration film thickness on MFC performance. The contributions of ohmic and mass transfer polarization increased with decreasein the biofilm conductivity and increase in the thickness of the concentration film adjacent to biofilm, respectively. These polarizationsdecreased the maximum output power density. Finally by using the verified model, the design parameters for an annular MFC with spiral anode were estimated employing genetic algorithm and then validated,for the first time. The optimized parameters implied that the effective anode surface area increased by 64.76% for a screen with a mesh of 300. It is not possible to measure surface area experimentally. The polarization behavior of this system clarified that the ohmic overpotential was responsible for the major voltage drop due to the low biofilm conductivity obtained for the present biofilm. The behavior of the MFC was examined with the constant concentration of 1 (mgCOD/cm 3 ) and external load of 50 (?). The potential gradient inside the biofilm was remarkable compared to the biofilm made of G.sulfurreducens . The biofilm thickness increased unlimitedly due to not considering the detachment of the biofilm causing the internal mass transfer resistance to increase continuously. Keywords: Microbial fuel cell, modeling and simulation, direct conduction,parameter estimation, genetic algorithm
پیل های سوختی میکروبی یکی از فناوریهای نوپا در زمینه بازیابی انرژی موجود در پسابها و تصفیه همزمانآنهاست که در سالهای اخیر توجه زیادی را به سوی خود جلب نموده است. در پژوهش پیش رو مدلی بر اساس هدایت مستقیم الکترونها در بیوفیلم ارائه و نتایج شبیه سازی آن با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شده است. مدل حاضر قادر است نتایج آزمایشگاهی را با دقت مناسبی پیشگویی نماید.همچنین بررسی تغییرات پتانسیل آند نشان داد که در یک محدوده جزیی در اطراف پتانسیل نیم اشباع، جریان از مقدار صفر به مقدار اشباع خود رسیده و تغییرات غلظت سوبسترا نیز اثر مشابهی را در محدوده وسیعتری در پی داشت. بر طبق دو مورد اخیر بیشینه چگالی جریان قابل دستیابی از جامعه میکروبی خالص ژئوباکترسولفورریداسنز و با سوبسترای استات 42/2 آمپر بر مترمربعپیشگویی شد. در جریان منقطع سوبسترا در آند، پس از پایدار شدن جامعه میکروبی، الگوی جریان ثابت و بیشینه آن برابر با 12/3 میلیآمپر گردید. محفظه آندی برای نخستین بار در حالت جریان پیوسته سوبسترا مدل و شبیه سازی شد.نتایج بدست آمده از اجرای مدل برای جریان پیوسته نشان داد که برای یک محفظه آندی لولهای شکل، کاهش قطر و افزایش طول، از لحاظ چگالی جریان تولیدی و بازده تصفیه شرایط مناسبتری را ایجاد مینماید. در این حالت، افزایش غلظت تأثیری در بازدهی تصفیه نداشت و تنها سبب افزایش تولید چگالی جریان گردید. علاوه بر این، برای نخستین بار امکان تحلیل پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی با استفاده از مدل بر پایه هدایت فراهم آمد. این امر با تعریف یک شرط مرزی نوین برای مدل بر پایه هدایت،محقق شد. نتایج نشان داد که برای یک بیوفیلم متشکل از ژئوباکترسولفورریداسنز، بخش زیادی از اتلاف ولتاژ ناشی از مقاومتهای انتقال جرم میباشد.مدل امکان استفاده از تحلیل پلاریزاسیون برای بررسی اثر ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم و ضخامت فیلم غلظتیبه صورت کمیرا ، روی عملکرد پیل سوختی میکروبیفراهم آورد؛ بررسی اثر این دو از طریق آزمایشگاهی قابل انجام نیست. با کاهش ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم و افزایش ضخامت فیلم غلظتی، به ترتیب اثر مقاومتهای اهمی و انتقال جرم تشدید شده و چگالی توان خروجی از پیل کاهش یافت. در نهایت براینخستین بار، پارامترهای طراحی یک پیل سوختی میکروبی جهت تصفیه پساب لبنی با استفاده از لجن فعال، با استفاده از مدل ارائه شده و توسط الگوریتم ژنتیک تخمیـن زده و درست آزمایـی شدند. نتایج نشان داد که برای پیل سوختی مذکوربا استفاده از توری بامش 300 برای الکترود آند، سطح موثر به میزان 76/64% افزایش یافته است. این میزان افزایش سطح از طریق آزمایشگاهی قابل اندازهگیری نیست. همچنین مطالعه منحنی پلاریزاسیون این سامانه نشان داد که مقاومتهای اهمی ناشی از ضریب هدایت الکتریکی پایینِ جامعه میکروبی موجود، نقش اساسی را در کاهش سطح عملکرد پیل و چگالی توان خروجی از آن ایفا نموده است. رفتار پیل مذکور با وجود غلظت ثابت 1 میلی گرمِ اکسیژن خواهی شیمیایی بر سانتیمتر مکعب و در بار الکتریکی خارجی ثابت 50 اهم مورد بررسی قرار گرفت. این مسئله روشن ساخت که تحت شرایط موجود، بخش اعظم مقاومت انتقال جرم موجود، ناشی از وجود فیلم غلظتی با ضخامت 187 میکرون در مجاورت بیوفیلم است. ضخامت بیوفیلم تشکیل شده نیز به علت صرفنظر نمودن از پدیده جدایش در تخمین پارامترها، پیوسته رشد نمود و به مقدار پایدار و نهایی نرسید. این امر باعث شد که چگالی جریان تولیدی در ابتدا و در روز بیستم پایدار شده ولی پس از آن به علت افزایش مداوم مقاومت انتقال جرم داخلی شروع به کاهش نماید. واژگان کلیدی:پیل سوختی میکروبی، مدل سازی و شبیه سازی، هدایت مستقیم، تخمین پارامترها، الگوریتم ژنتیک