Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen Nasresfahany,TAYEBEH BEHZAD
محسن نصراصفهانی (استاد راهنما) طیبه بهزاد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Mahdi Mardanpour
محمدمهدی مردان پور

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Experimental Investigation of Effective Parameters in a Single Chamber Microbial Fuel Cell with Annular Configuration for Dairy Wastewater Treatment
This study reports on the fabrication of a novel single chamber microbial fuel cell (MFC) configuration. The single chamber MFC with annular configuration and spiral anode geometry, is suggested for future large-scale applications. There were two main objectives in this study. First, the stainless steel mesh anode with graphite coated as a porous surface for biofilm growing in annular single chamber MFC configuration were designed and its characteristics were investigated. Second, the power generation and internal resistance of the annular MFC with spiral anode geometry was compared to conventional air cathode MFCs to elucidate the effects of this configuration on MFC performance. Dairy wastewater which contains complex organic matter, was used as substrate which has a very low power generation in conventional MFCs. In this study, the maximum power density of 20.2 W/m 3 was obtained. MFC performance as power generator was characterized based on polarization behavior and cell potentials. In addition, significant reduction in wastewater turbidity and chemical oxygen demand (83.5% and 91% respectively) were observed after treatment in the MFC. Effects of varying electrode surface area and dairy wastewater concentration were investigated. With decreasing anode surface area from 2´63 cm to 2´38 cm, output current was reduced about 34%. Also, the MFC with the smaller anode surface area has a much longer stationary phase than that with the larger anode surface area and stationary phase period is increased from 23 hours to 67 hours. Anode geometry and its configuration in the MFC affect specific area and electrodes spacing. The higher specific area and lower space with cathode increase MFC efficiency. Clearly, with reducing anode surface area, biofilm development decelerated compared to greater anode surface area. This led to reduction of substrate degradation. Moreover, by decreasing anode surface area in spiral geometry, electrode spacing is increased that led to increase in internal resistance of the cell. By increasing MFC resistance including external and internal resistances, the duration of stationary phase increased. The wastewater concentration is an important parameter on MFCs performance. By reduction of initial dairy wastewater COD which was fed to annular single chamber MFC from 1000 to 500 mg/lit, maximum output current was decreased from 1.89 to 1.2 mA. In addition, the MFC which was fed with wastewater with COD 500 mg/lit had a shorter descending phase than that of the higher wastewater COD. Moreover, the output current from the MFC fed with dairy wastewater with less COD, reached 0.17 mA after 49 hours while the period of current reduction for the MFC fed with dairy wastewater with higher COD is longer than 72 hours. With decreasing dairy wastewater concentration, output current is reduced due to reduction of organic contents in the anolyte. The SEM pictures of stainless steel mesh with graphite coating before and after biofilm formation, demonstrated a good bacterial adhesion on the spiral anode. Due to the high surface area, large amount of biomass attached to treated stainless steel mesh. Therefore, the porosity of anode can be a suitable place for biofilm formation. Morphology of biofilm was uniform, which facilitated the electron generation and transfer. Keywords: Single chamber microbial fuel cell, effective parameters, annular configuration,spiral anode geometry, dairy wastewater.
این پژوهشساختاری نوین از پیلسوختی میکروبی تک محفظه‌ای را معرفی می‌کند. پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای با ساختار حلقوی و آند حلزونی شکل به منظور کاربردهای آتی فناوری پیل سوختی میکروبی در مقیاس بالا پیشنهاد می‌شود. در این مطالعه دو هدف اساسی مد نظر است. نخست آنکه توری استیل ضد زنگ با پوشش گرافیت به عنوان سطحی متخلخل برای رشد زیست لایه در ساختار پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای حلقوی طراحی و مشخصات آن بررسی می‌گردد. دوم آنکه تولید توان و مقاومت داخلی پیل سوختی میکروبی حلقوی با آند حلزونی شکل با سایر پیل های سوختی میکروبی هوا-کاتد مقایسه می‌شود تا کارایی این ساختار را بر عملکرد پیل سوختی میکروبی نشان دهد. پساب صنایع لبنی که حاوی ترکیبات آلی پیچیده است و در پیل های سوختی میکروبی متداول چگالی توان بسیار پایینی دارد، به عنوان سوبسترا به کار رفت. در این مطالعه بیشینه چگالی توان 2/20 وات بر متر مکعب به دست آمد. عملکرد پیل سوختی میکروبی به عنوان مولد برق بر مبنای رفتار پلاریزاسیون و پتانسیل‌های پیل نشان داده شده است. همچنین، کاهش قابل ملاحظه در کدورت و اکسیژن خواهی شیمیایی پساب (به ترتیب 5/83% و 91%) پس از تصفیه در پیل سوختی میکروبی مشاهده شد. تاثیر تغییر سطح تماس الکترود و غلظت پساب لبنی مورد بررسی قرار گرفت. با کاهش سطح تماس الکترود از 2×63 به 2 × 38 سانتیمتر مربع، شدت جریان خروجی حدود 34% کاهش یافت. همچنین، پیل سوختی میکروبی با سطح تماس کمتر آند فاز ایستای طولانی تری از پیل سوختی میکروبی با سطح بیشتر آند دارد و مدت زمان فاز ایستا از 23 ساعت به 67 ساعت افزایش یافت. هندسه آند و ساختار آن در پیل سوختی میکروبی حلقوی با آند حلزونی شکل، بر سطح ویژه و فاصله الکترود‌ها تاثیر می گذارد. سطح ویژه بالاتر و فاصله کمتر با کاتد، بازدهی پیل سوختی میکروبی را افزایش می دهد. واضح است که با کاهش سطح تماس آند، گسترش زیست لایه در مقایسه با سطح تماس بیشتر آند، کاهش می یابد. این امر موجب به تجزیه کمتر زیست لایه گردید. افزون بر آن با کاهش سطح تماس آند در هندسه حلزونی شکل، فاصله الکترودها افزایش یافت که منجر به افزایش مقاومت درونی پیل گردید. با افزایش مقاومت درونی پیل شامل مقاومت خارجی و داخلی، مدت زمان فاز ایستا افزایش یافت. غلظت پساب یکی از مهمترین پارامترهای عملکرد پیل‌های سوختی میکروبی است. با کاهش اکسیژن خواهی شیمیایی پساب لبنی پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای حلقوی از 1000 به 500 میلی گرم بر لیتر، بیشینه شدت جریان خروجی از 89/1 به 2/1 میلی آمپر کاهش یافت. همچنین، پیل سوختی میکروبی که پساب داده شده به آن با اکسیژن خواهی شیمیایی 500 میلی گرم بر لیتر بود، فاز نزولی با مدت زمان کوتاه‌تری از پساب با اکسیژن خواهی شیمیایی بیشتر داشت. افزون بر آن شدت جریان خروجی پیل سوختی میکروبی با پساب لبنی با اکسیژن خواهی شیمیایی کمتر، پس از 49 ساعت به 17/0 میلی آمپر رسید در حالی که مدت زمان کاهش شدت جریان برای پیل سوختی میکروبی با اکسیژن خواهی شیمیایی بالاتر بیش از 72 ساعت بود. با کاهش غلظت پساب لبنی، شدت جریان خروجی به علت کاهش محتوی آلی در آنولیت، کاهش می‌یابد. تصاویر پویش میکروسکوپ الکترونی از توری استیل ضد زنگ با پوشش گرافیت پیش و پس از تشکیل زیست لایه، چسبندگی مناسب باکتری‌ها بر سطح حلزونی آند را نشان می‌داد. به علت سطح تماس بالا، مقدار زیادی از زیست توده به سطح اصلاح شده توری استیل ضد زنگ چسبیده بودند. از این رو، تخلخل آند می‌تواند مکان مناسبی برای تشکیل زیست لایه باشد. مورفولوژی زیست لایه یکنواخت بود که تولید و انتقال الکترون ها را آسان نمود. کلمات کلیدی:پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای، پارامترهای موثر، ساختار حلقوی، آند حلزونی شکل، پساب لبنی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی