بررسی عملکرد پیل سوختی میکروبی به منظور تصفیه آب تولیدی از میادین نفت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Performance of microbial fuel cell (MFC) for treating produced water, as the largest waste stream in oil and gas production industries, has been studied. Waste water sample was originated from Cheshmeh Khsoh oilfield in Iran. Both batch and continuous operations were investigated. Four different configurations of single chamber MFCs in batch operation were studied in order to determine the appropriate configuration for continuous operation. 1) cells with membrane and with cathode catalyst, 2) cells with membrane and without cathode catalyst, 3) cells without membrane and with cathode catalyst, 4) cells without membrane and without cathode catalyst. Batch MFCs were fed by 2 different kinds of wastewater: 1) actual produced water 2) synthetic wastewater similar to produced water but containing sodium acetate instead of petroleum hydrocarbons. The cells with membrane established appropriate anaerobic condition and their power generation, were improved in a short time. Internal resistance of MFCs with membrane fed with produced water increased significantly, leading to deceased power generation. In contrary, in the cells without membrane anaerobic condition was not stablished quickly, and their initial performance in power generation was poor. After a while, their cathode transformed to biocathode and due to the accumulation of microorganisms on the cathode oxygen was prevented migrate to the anodic chamber, and the appropriate anaerobic condition was established. After the formation of biocathode, the role of Platinum as the cathode catalyst was faded out. Internal resistance increase in the cells without membrane was much less than that of the cells containing membrane. Although slowly, their power generation remained stable toward the end of the batch operation and not a significant decrease was seen during the last days of batch phase. Batch operations indicated the superior performance of cells without both membrane and cathode catalyst. Although the power density of microbial fuel cells fed with actual produced water was low (3 mW/m 2 ), it is the best that has been reported so far. Rather complete degradation of hydrocarbons (97±2%) was observed during each cycle of batch operation. The biofilm produced on anode in batch operation were characterized by 16S rRNA and Desulfobulbaceae (with electroactive abilities) and Burkholderiale s (having the ability of petroleum hydrocarbon degradation) were present on the anode samples. Membrane-less MFCs without cathode catalyst used in continuous operation decreasing hydraulic retention time from 10 to 1 day, decreased the chemical oxygen demand removal from 89 to 24%. While increased maximum power density and coulombic efficiency up to 20 mW/m 2 and 3% respectively. Maximum power density was reached when the external resistance of 450 was installed, which was the closest one to that of internal resistance i.e. 404 ohm. Decreasing external resistance, increased columbic efficiency, while COD removal remained unchanged. Keywords : Microbial fuel cell, produced water, bioelectrochemical treatment, batch operation, membrane, cathode catalyst, continuous operation, hydraulic retention time, external resistance.

در این پژوهش عملکرد کلی پیل سوختی میکروبی برای تصفیه یک نمونه آب تولیدی به عنوان بزرگترین جریان پساب ایجاد شده در صنایع استخراج نفت و گاز بررسی شده است. نمونه مورد نظر از میدان نفتی چشمه خوش تهیه شده بود. مطالعات در دو مرحله عملیات ناپیوسته و عملیات پیوسته انجام شد. در مرحله ابتدایی )عملیات ناپیوسته( ساختارهای مختلفی از پیل سوختی میکروبی ساده تک محفظه ای، به منظور تعیین ساختار مناسب پیل برای استفاده در عملیات پیوسته، مورد مطالعه قرار گرفت. این ساختار های مختلف در 4 گروه طبقه بندی شدند: 1) ساختار دارای غشا و دارای کاتالیست کاتد، 2) ساختار دارای غشا و فاقد کاتالیست کاتد، 3) ساختار فاقد غشا و دارای کاتالیست کاتد و 4) ساختار فاقد غشا و فاقد کاتالیست کاتد. در مرحله عملیات ناپیوسته علاوه بر بررسی اثر استفاده از ساختار های مختلف برای پیل، اثر نوع منبع کربن مورد استفاده برای ریز زیست سازواره ها نیز بررسی شد. برای این منظور در این فاز پیل ها با دو نوع پساب خوراک دهی شدند: 1) پساب واقعی آب تولیدی و 2) پساب مصنوعی مشابه با آب تولیدی حاوی سدیم استات به عنوان منبع کربن. پس از اتمام مرحله اول مطالعات در عملیات ناپیوسته، ساختاری از پیل که نتیجه بهتری نسبت به سایر ساختارها از خود نشان داده بود برای ساخت پیلی با حجم بزرگتر برای استفاده در عملیات پیوسته انتخاب شد. در این مرحله برای اولین بار اثر متغیر های مختلفی شامل زمان ماند هیدرولیکی و مقاومت خارجی بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای حاوی آب تولیدی در رژیم جریان پیوسته مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به نتایج به دست آمده در عملیات ناپیوسته، ساختارهایی از پیل که دارای غشا بودند در زمان نسبتا کوتاهی از شروع عملیات به شرایط بی هوازی مناسب در پیل دست یافتند و در ابتدا عملکرد پیل در تولید توان الکتریکی بهبود یافت. لیکن با گذشت زمان مقاومت داخلی پیل افزایش یافت. این میزان افزایش مقاومت داخلی برای 2 گروه ابتدایی پیل های ذکر شده در بالا، برای زمانی که با پساب واقعی خوراک دهی شده بودند، به ترتیب برابر با 35 و 28 درصد بود، که در نهایت باعث کاهش عملکرد این پیل های دارای غشا با گذشت زمان بیشتر در این مرحله عملیات ناپیوسته شد. در حین عملیات ناپیوسته، پیل های فاقد غشا رفتاری کاملا متفاوت را نشان دادند به این ترتیب که در این نوع پیل ها دستیابی به شرایط بی هوازی درون پیل به سرعت و سهولت پیل های دارای غشا به وقوع نپیوست و به همین دلیل این سامانه ها در ابتدای عملیات پیوسته عملکرد مناسبی در تولید توان الکتریکی از خود نشان ندادند. لیکن با گذشت زمان و تبدیل کاتد معمولی این پیل ها به زیست کاتد، در اثر تجمع لایه باکتری روی کاتد، از نفوذ اکسیژن از سمت کاتد به آند جلوگیری به عمل آمد و کم کم شرایط بی هوازی مناسب در پیل ایجاد شد. در این پیل ها مشاهده شد با تشکیل زیست کاتد عملا میزان اثر بخشی کاتالیست پلاتین بر روی کاتد کمرنگ تر شده و به تدریج اهمیت خود را از دست داد. میزان افزایش مقاومت داخلی در حین عملیات در این پیل های فاقد غشا به مراتب کمتر از پیل های دارای غشا بود به نحوی که این میزان افزایش برای گروه های 3 و 4 ساختار پیل های ذکر شده در بالا، برای زمانی که با پساب واقعی خوراک دهی شده بودند، به ترتیب برابر با 6/1 و 2/1 درصد بود. عملکرد این دسته از پیل ها در تولید توان الکتریکی با گذشت عملیات ناپیوسته رو به بهبود رفت و با گذشت زمان بیشتر در این مرحله افت قابل ملاحظه ای مشاهده نشد. نتایج عملیات ناپیوسته نشان دهنده عملکرد برتر ساختار فاقد غشا و فاقد کاتالیست پلاتین بر روی کاتد بود. گرچه میزان چگالی توان تولیدی (3 میلی ولت بر متر مربع) از پیل سوختی میکروبی حاوی آب تولیدی به عنوان خوراک بسیار کم بود، اما همین مقدار بهترین عملکردی است که تا کنون در عملیات ناپیوسته پیل سوختی میکروبی برای این خوراک گزارش شده است. علاوه بر این هیدروکربن های موجود در پساب تقریبا به صورت کامل (2± 97 درصد ) در هر دوره کاری عملیات ناپیوسته تجزیه شدند. بررسی توالی DNA زیست لایه موجود بر روی آند کاری سامانه حاوی آب تولیدی در عملیات ناپیوسته، نشان داد گونه های باکتریایی Desulfobulbaceae (دارای توانایی فعالیت الکتریکی) و Burkholderiale s (دارای توانایی تخریب زیستی هیدروکربن های نفتی) بر روی این آند حضور داشتند. آزمایش های عملیات پیوسته در پیل سوختی میکروبی فاقد غشا و کاتالیست که با خوراک آب تولیدی واقعی تغذیه شد، با هدف بررسی اثر دو متغیر مختلف در این عملیات دنبال شد. در بخش اول این مطالعات اثر زمان ماند هیدرولیکی در مقاومت خارجی ثابت بررسی شد و در بخش دوم تاثیر مقاومت خارجی در زمان ماند هیدرولیکی ثابت مطالعه شد. نتایج بخش اول نشان دهنده این امر بود که کاهش زمان ماند هیدرولیکی از 10 به 1 روز به کاهش میزان حذف اکسیژن خواهی شیمیایی خوراک، توسط سامانه، از 89 درصد به 24 درصد انجامید. لیکن کاهش زمان ماند هیدرولیکی اثرات مثبتی نیز در پی داشت به این ترتیب که موجب افزایش بیشینه چگالی توان تولیدی تا 20 میلی ولت بر متر مربع، و هم چنین افزایش بازده کلمبیک تا مقدار بیشینه 3 درصد گشت. نتایج بخش دوم نشان دهنده این امر بود که هنگام تغییر مقاومت خارجی از 10000 اهم به 50 اهم، بیشینه چگالی توان تولیدی در مقاومت 450 اهم به دست آمد. این مقاومت خارجی نزدیک ترین مقاومت مورد استفاده در این پژوهش، از لحاظ مقداری، به مقاومت داخلی سامانه در حین عملیات پیوسته، یعنی 404 اهم، بود. با کاهش مقاومت خارجی میزان حذف اکسیژن خواهی شیمیایی خوراک توسط سامانه تغییر چشمگیری نکرد. لیکن کاهش مقاومت خارجی منجر به افزایش شدید بازده کلمبیک از 7/2 به 5/7 درصد شد.