بررسی کارایی و مدلسازی پیل سوختی میکروبی جریان پیوسته با طراحی ماژولار در تصفیه پساب نفتی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Experimental and mathematical modeling investigation of microbial fuel cell (MFC) performance was the main aim of the present study. Present study consist of two main parts. In the first part, a novel and expandable design of single-chamber MFC introduced and examined in batch and continues flow mode. In the second part, performance of continues flow MFC was modeled by using the anode based model. Experimental part was done in five steps. effect of heat pretreatment of microorganism as a method for selective enrichment of electrogenic microorganisms, effect of substrate (organic part of municipal solid waste (MSW), glucose and microcrystalline cellulose as carbon source) and effect of cell structure by using two different MFCs (MFC with rectangular cross-section (MFC_RC) and MFC with circular cross-section (MFC_CC)) on performance of MFC in batch mode were investigated. In continuous flow mode effect of hydraulic retention time (HRT) on the performance of MFC in terms of electrical and removal of chemical oxygen demand (COD) was studied. In the last part of experimental study, scale-up of SCMFC was investigated by connecting the fluid flows into and out of the three cells in serial (SFC) or parallel (PFC). The second part was modeling experimental result by two different models (anode based model and electrochemical model). According to the results, heat pretreatment of microorganisms improved maximum open circuit voltage (OCV) and maximum power density generated by 14% and 16%, respectively. However, heat pretreatment reduced COD removal by about 4%. That means, heat treatment of microorganisms increases the electricity generation of the cell while reducing the performance of COD reduction due to decreasing the microorganism varieties in the microorganisms. The performance of MFC_CC in terms of maximum OCV and power density compared to MFC_RC was improved by 41% and 279%, respectively. In the different type of substrates results shown that power density produced in MFC with glucose (171.2 mW/m 2 ) was higher than other substrates (organic part of MSW 48 and microcrystalline cellulose 55.1 mW/m 2 ). In continuous flow mode MFC, the highest steady OCV generated was 785 mV at HRT 90 h. Maximum power density produced was 113 mW/m 2 at HRT 15 h. COD removal increased with the increase of HRT and achieved 87% in HRT of 45 h. Average OCV produced was 760 mV in PFC mode. Average power density produced in PFC and SFC modes were 97 and 75.6 mW/m 2 , respectively. COD removal in SFC and PFC modes were 89 and 42%, respectively. SFC mode was more efficient in term of COD removal and coulombic efficiency, and lower power density production compared to PFC mode. parameters of anode based model were adjusted on current density produced in an MFC at HRT 15 h with absolute relative error (ARE) 5.5%. A two-criterion convective mass-transfer correlation was introduced for investigation effect of HRT on the performance of MFC. According to results, prediction electrical behavior of continuous flow MFC improved and ARE of current density decreased (about 1.2%) when the two-criterion function was used. Substrate transfer from the bulk of anolyte to the surface of biofilm was the key factor in modeling performance of MFC especially in the low flow rate of the substrate. Current density produced in the three MFCs which connected SFC mode was predicted by the model with ARE 7.1%. In the last part of the present research polarization curve of MFC with glucose, microcrystalline cellulose and organic part of MSW reproduced by electrochemical model by ARE 10% and R 2 0.95.

افزایش جمعیت کره زمین باعث رشد تقاضا برای انرژی شده است. تاکنون سوخت های فسیلی منبع تولید انرژی بوده و افزایش درخواست برای انرژی را با افزایش تولید جبران می نمودند. اما استفاده از سوخت های فسیلی باعث افزایش کربن دی اکسید موجود در جو شده است. راه حل های جایگزین استفاده از انرژی هسته ای و انرژی های تجدیدپذیر است. در بین انرژی های تجدیدپذیر انرژی زیستی تقریبا در تمام نقاط در دسترس است. از طرفی پساب ها یا پسماندها حاوی مواد دارای انرژی نهفته بالقوه‌ای هستند که یکی از راه های مورد توجه برای تبدیل این انرژی به صورت قابل مصرف، استفاده از پیل های سوختی میکروبی است که همزمان با از بین بردن آلودگی، انرژی الکتریکی تولید می‌کنند. پژوهش حاضر گامی در جهت افزایش قابلیت های کاربردی پیل های سوختی میکروبی با ارائه طرحی ابتکاری در ساخت پیل های سوختی میکروبی با قابلیت گسترش در سه جهت است. پارامترهای بررسی شده در بخش آزمایشگاهی به ترتیب: 1- اثر شوک حرارتی به عنوان یک روش برای غنی سازی هدفمند مخلوط میکروبی،2- بررسی کارایی پیل سوختی میکروبی طراحی شده با خوراک گلوکز، سلولز و ضایعات جامد شهری، 3-اثر ساختار محفظه آندی بر کارایی پیل سوختی میکروبی با جریان ناپیوسته ، 4- استفاده از پیل سوختی میکروبی در حالت جریان پیوسته و تعیین زمان ماند بهینه با هدف رسیدن به بیشینه توان تولیدی و بخش آخر بررسی اتصال جریان پساب به صورت سری و موازی در سه پیل سوختی میکروبی در تصفیه پساب نفتی(حذف اکسیژن خواهی شیمیایی) و جریان الکتریکی تولیدی است. جریان پساب در مراحل 1 تا 3 به صورت ناپیوسته و در مراحل 4 و 5 به صورت پیوسته انجام گرفته است. مدلسازی رفتار پیل سوختی میکروبی به دو صورت متفاوت انجام شده است. در مدلسازی با روش های خاص، مدلسازی منحنی پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی با خوراک گلوکز، سلولز و ضایعات جامد شهری انجام شده است. مدلسازی رفتار پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته با مدل اصلاح شده دو مرحله ای مارکوس و همکاران انجام شد. در این مدل اثر تعداد پارامترهای برازش شونده مورد بررسی قرار گرفت. در حالت 5، 6 و 8 پارامتر تنظیم شونده مدلسازی انجام شده است. شوک حرارتی باعث کاهش از بین رفتن بخشی از مخلوط میکروبی مانند متان زا ها می شود که این تغییر موجب افزایش راندمان الکتریکی مخلوط میکروبی می شود بطوریکه ولتاژ مدار باز با افزایش 14% از 683 به781mVرسیده است. مقدار بیشینه چگالی توان تولیدی در پیل سوختی میکروبی با مخلوط میکروبی شوک حرارتی دیده 18% بهبود پیدا کرده و به64mW/m 2 رسیده است. از طرفی شوک حرارتی موجب کاهش 4% حذف اکسیژن خواهی شیمیایی شده است. بازده کلومبیک پیل سوختی میکروبی با مخلوط میکروبی شوک حرارتی دیده و اولیه به ترتیب 2/2 % و 1/85% است. اثر ساختار محفظه آندی با مقایسه دو ساختار با سطح مقطع دایره ای و مستطیلی بررسی شده است. نتایج در دو بخش مدار باز و بسته بیانگر کارایی بهتر پیل سوختی با سطح مقطع دایره ای است بطوریکه که بیشینه ولتاژ مدار باز و بیشینه جریان الکتریکی تولید شده در پیل سوختی میکروبی با سطح دایره ای به ترتیب41% و 95% بیشتر از پیل سوختی با سطح مقطع مستطیلی است. به منظور بررسی اثر خوراک از گلوکز به عنوان خوراک خالص در پیل سوختی میکروبی استفاده شد. بیشینه چگالی توان و جریان تولیدی به ترتیب mW/m 2 172 و 531mA/m 2 حاصل شد. همچنین بازدهی کلومبیک 18% و حذف گلوکز 97% حاصل شد. بیشینه توان تولیدی با خوراک ضایعات جامد شهری و سلولز به ترتیب 48 و 55/1mW/m 2 به دست آمد. استفاده از پیل سوختی میکروبی در حالت جریان پیوسته گامی موثر در جهت افزایش بازده الکتریکی و حذف پساب های صنعتی است. در حالت پیوسته ولتاژ مدار باز پایا 785mVبه دست آمد. در حالت مدار بسته، 4 زمان ماند 45، 30، 15 و 10 ساعت بررسی شده است و چگالی توان تولیدی به ترتیب 72، 80، 113 و 89mW/m 2 و بازده حذف اکسیژن خواهی شیمیایی به ترتیب 87، 71، 44 و 25% است. بازده کلومبیک در حالت جریان پیوسته 77/4% است. در اتصال جریان خوراک موازی سه پیل سوختی میکروبی، ولتاژ مدار باز متوسطmV 760 است. بیشینه چگالی توان تولیدی متوسط به mW/m 2 97 رسیده است. در اتصال سری سه پیل سوختی میکروبی بیشینه توان تولیدی 76mW/m 2 می باشد که نسبت به حالت موازی 21mW کاهش یافته است. اکسیژن خواهی شیمیایی در خروجی پیل سوختی میکروبی اول تا سوم به ترتیب 778، 422 و 141mg/L است. مدلسازی منحنی پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی با سه خوراک متفاوت با R 2 0/95 و خطای نسبی 10% انجام شده است. پارامترهای مدل بر روی نتایج پیل سوختی میکروبی در زمان ماند 15 ساعت و سه مقاومت خارجی 500، 100 و 48 اهم برازش شده اند. خطای نسبی مدل بر روی کل داده های تجربی در حالت 5، 6 و 8 پارامتر برازش شونده به ترتیب 22/2،7/9 و 5/5 % است. رابطه شروود دو ضابطه ای برای اثر زمان ماند پیشنهاد و بررسی شد. در مدل 6 و 8 پارامتری ولتاژ را با خطای نسبی6/5 و 6/9% به دست آمد. گام آخر در این پژوهش اتصال سری سه پیل سوختی میکروبی با استفاده از مدل 6 و 8 پارامتری مدلسازی شده و خطای نسبی در کل داده ها به ترتیب7/9 و7/1 % به دست آمد.