1
2
بررسی ترمودینامیکی پیل سوختی میکروبی
دانشجویان :
محمد امین صادقی حسکو
احسان مهدی نیا
استاد درس: جناب آقای دکتر عبد خدایی
)دانشکده مهندسی شیمی و نفت(
سمینار درس ترمودینامیک پیشرفته
پیل سوختی میکروبی
یک پیل سوختی میکروبی یک راکتور زیستی است که انرژی شیمیایی در پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی را به انرژی الکتریکی از طریق واکنشهای کاتالیستی میکروارگانیسم ها تحت شرایط بی هوازی تبدیل می کند.
چگونگی پیدایش پیل سوختی میکروبی
اساس بیوشیمیایی پیل سوختی میکروبی
طراحی پیل سوختی
روشهای عملکرد MFC
ترمودینامیک MFC
کاربرد های MFC
مراجع
فهرست مطالب
چگونگی پیدایش پیل سوختی میکروبی
این پیل ها شامل بدنه کاتدی و آندی جدا شده توسط غشای مخصوص کاتیونی می باشد.
در بدنه آندی، سابسترا توسط میکروارگانیسم ها اکسید شده، تولید الکترون و پروتون می نماید.
الکترون های تولیدی از طریق یک مدار خارجی و پروتون ها از میان غشاء به بدنه کاتدی منتقل می شوند.
الکترون ها و پروتون ها در بدنه کاتدی مصرف شده و برای تولید آب با اکسیژن ترکیب می شوند.
اساس بیوشیمیایی پیل سوختی میکروبی
خلاصه واکنش مسیر بیوشیمیایی گلایکولیز (مسیر امبدن – مایرهوف) و چرخه تری کربوکسیلیک اسید مورد استفاده توسط بسیاری از میکروارگانیسم های کموارگانوتروف
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 24H+ + 24e− + 4ATP
کاهش اکسیژن بوسیله میکروب های هوازی از طریق سیستم انتقال الکترون
24H+ + 24e− + 6O2 12H2O + 34ATP
فرآیند تولید انرژی در سلول
تنفس هوازی
مسیر گلیکولیز
چرخه کربس
زنجیره نقل و انتقال الکترون
تنفس بی هوازی
تخمیر
اساس بیوشیمیایی پیل سوختی میکروبی (زنجیره نقل و انتقال الکترون)
اهداف
مهمترین هدف در طراحی هر نوع پیل سوختی حداکثر کردن خروجی انرژی و حداقل کردن حجم و هزینه های پیل سوختی می باشد.
در توسعه MFC برای عمل آوری پساب هدف های دیگری مانند حداکثر کردن اکسیداسیون سابسترای آلی یا تولید جریان خروجی قابل دفع با کیفیت خاص وجود دارد.
راهبردها
حداکثر کردن سطح الکترود نسبت به حجم برای کاهش انتقال جرم
حداکثر کردن انتقال الکترون بین سلولها و الکترودها از طریق طبیعی یا افزودن مواد حد واسط
استفاده از عملیات پیوسته برای حداکثر کردن توان خروجی با حداقل کردن حجم آند
طراحی پیل سوختی
مواد مورد استفاده برای الکترود آند
مخزن آند شامل:
الکترود آند
سابسترا
کشت میکروبی
اکسیژن یا دیگر پذیرنده های الکترون مانند سولفات یا نیترات نباید در مخزن آند برای اجتناب از تنفس هوازی یا تنفس بیهوازی حاصل از این مواد در آند وجود داشته باشند.
متابولیسم سابسترا در مخزن آند رخ می دهد و طی آن انتقال الکترون به الکترود آند به جای پذیرنده نهایی الکترون انجام می شود.
طراحی پیل سوختی
مخزن آند
مکانیسم های انتقال الکترون از میکرو ارگانیسم به الکترود آند
بوسیله انتقال مستقیم الکترون از باکتری متصل به آند
بوسیله مواد حد واسط انتقال الکترون که بصورت طبیعی توسط سلول ترشح می شود.
بوسیله نانو سیم های فعالی که توسط برخی باکتری ها بدلیل شرایط محدودیت پذیرنده الکترون تولید می شوند.
پیل سوختی که در آن آنزیم ها یا کاتالیست های دیگر به جای سلول های زنده مورد استفاده قرار می گیرند را با نام پیل سوختی آنزیمی یا زیستی می شناسند ولی این پیل ها پیل سوختی میکروبی نیستند.
در کارهای تحقیقاتی جدید از اشرشیا کولی، پی. ولگاریس و سایکرومایسیس سرویسیه استفاده کرده اند.
اخیراً کشت های خالص شوانلا انیدنسیس، اس. پوترفاسینس یا جئوباکترها بنا به مزایای ویژه شان در رابطه با انتقال الکترون مورد استفاده قرار گرفته اند.
طراحی پیل سوختی
کشتهای میکروبی
طراحی پیل سوختی (مواد حد واسط اکسیداسیون احیا)
مواد حد واسط بهینه باید
1- دارای حالت های اکسید و احیایی باشد که به راحتی از داخل به خارج غشاء سلول و بلعکس عبور کند.
2- دارای پتانسیل اکسیداسیون احیای مناسبی باشد که انتقال سریع الکترون را بدون از دست دادن زیاد پتانسیل انجام دهد
3- غیر سمی، پایدار به لحاظ شیمیایی، محلول و غیر جذب شونده بر روی دیواره سلولی و سطح الکترود باشد.
مواد حد واسط وسیله ای برای انتقال الکترون از درون سلول به الکترود را فراهم کرده و میتوان این مواد را به محیط افزود یا خود سلول آنها را تولید کند.
طراحی پیل سوختی(مخزن کاتد)
مخزن کاتد از الکترود کاتد و پذیرنده نهایی الکترون تشکیل شده است.
برای مخزن کاتد با استفاده از اکسیژن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون، کاتالیست های منیزیوم یا پلاتین معمولاً بر روی سطح الکترود پوشانده می شوند تا کاهش اکسیژن در الکترود را افزایش دهد.
مخزن کاتد در نوع دو مخزنی بوسیله محلول آبی حاوی اکسیژن محلول یا دیگر پذیرنده های نهایی الکترون مانند پتاسیم فریسیانید K3 (Fe(CN)6) پر می شود.
طراحی پیل سوختی (غشاء تبادل پروتون)
PEM یاCEM عموماً برای جداکردن فیزیکی مخزن آند و کاتد در طراحی MFC به کار می رود و امکان عبور H+ از مخزن آند به مخزن کاتد را داده در حالیکه در برابر عبور اکسیژن از کاتد به آند مقاوم است.
غشاء نافیون (دوپونت) عموماً در تحقیقات پیل سوختی میکروبی توسط محققین بکار برده شده است.
غشاء نافیون شامل زنجیره اصلی فلوئورو کربنی آبگریز با گروه های سولفونات (SO3) آبدوست است که به آن اتصال یافته اند.
Different membranes tested in MFCs: (A) cation exchange membrane (CMI- 7000, Membranes International, Inc.); (B) anion exchange membrane (AMI-7001, Membranes International, Inc.); (C) Nafion 117 membrane (Ion Power, Inc.).
طراحی پیل سوختی (دانسیته توان به عنوان تابعی از مقاومت مدار)
تولید انرژی در یک MFC تابعی از مقاومت مدار می باشد و هر MFC دارای یک مقاومت داخلی مشخصه می باشد که بر روی بار مقاومتی بهینه اعمال شده تاثیر می گذارد. مقاومت بهینه برای حداکثر توان تولیدی یک پیل را می توان با تغییر مقاومت و اندازه گیری ولتاژ خروجی و ساختار منحنی پلاریزه شدن ولتاژ در برابر جریان تعیین کرد. شیب رگراسیون خطی نمودار پلاریزاسیون برابر مقاومت داخلی پیل سوختی می باشد
تعیین رشد توده زیستی در مخزن آند
در کاربردهای MFC غلظت سابسترا ممکن است بوسیله روشهای آنالیتیکی مانند کروماتوگرافی گازی یا کرماتوگرافی مایعی با کارایی بالا برای ترکیبات خاص انجام گیرد.
برای مخلوطهای سابسترایی یافت شده در فرآیندهای عمل آوری پساب واحدهای صنایع غذایی، دامداریها و فاضلاب شهری، غلظت سابسترای آلی اغلب بصورت COD (میزان اکسیژن مورد نیاز شیمیایی) بیان می شود.
روشهای عملکرد MFC (اندازه گیری سابسترا و توده زیستی)
اندازه گیری سابسترا
استفاده از اندازه گیری دانسیته نوری بوسیله اسپکتروفتومتر دیجیتال
منحنی رشد ای کولای در مخزن آند
16
روشهای عملکرد MFC (محاسبات اساسی تولید توان)
–
انرژی گرمایی تلف شده یا جذب شده و کل انرژی مفید تولیدی و یا مصرفی در یک سیستم MFC بر اساس قوانین ترمودینامیک قابل بیان است.
برای سادگی محاسبات، آنالیز ترمودینامیکی را محدود به واکنشهای شیمیایی برگشت پذیر شناخته شده در سیستمهای MFC می کنیم. با در نظر گرفتن یک چنین واکنش شیمیایی برگشت پذیر شناخته شده ای می توان انرژی آزاد گیبس را تعریف کرد :
)∏∆Gr = ∆Gr0 + RTln(
∆Gr = انرژی آزاد گیبس
∆Gr0 = انرژی آزاد گیبس در شرایط استاندارد
R = ثابت جهانی گازها
T = دمای مطلق
∏= خارج قسمت فرآورده ها بر واکنش دهنده ها
ترمودینامیک MFC (اصول ترمودینامیکی)
ترمودینامیک MFC (اصول ترمودینامیکی)
مقدار منفی انرژی آزاد گیبس به عنوان مقدار کار بیشینه ی سیستم ارزیابی می شود.
– ∆Gr = Wmax = Eemf . (Q) = Eemf . (n . F)
Wmax = کار تئوری بیشینه
Eemf = اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند
Q = بار الکتریکی
n = تعداد الکترونها در هر واکنش
F= ثابت فارادی
این رابطه ی عمومی برای نیروی الکتریکی را می توان جهت محاسبه ی نیروی الکتریکی هر کدام از نیم واکنشها که در کاتد و آند اتفاق می افتند به کار برد.
e
Eemf = Ecathode – Eanod
Ecathode = نیروی الکتریکی نیم واکنش مشخص کاتدی
Eanode = نیروی الکتریکی نیم واکنش مشخص آندی
با فرض اینکه واکنشهای پیچیده ی درگیر در تصفیه پساب را می توان مشابه با واکنشهای ساده کاتدی و آندی مطالعه شده در نظر گرفت، در نتیجه با استفاده از روابط تئوریک موجود برای نیروی الکتریکی و ارتباط آن با مقادیر اندازه گیری شده پتانسیل سلول، می توان راندمان قانون دوم را برای MFC محاسبه کرد.
که در آن:
MFCη= راندمان قانون دوم برای MFC
Wactual = کار خروجی واقعی
Vmeasured = اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده
ترمودینامیک MFC (اصول ترمودینامیکی)
انحراف از ولتاژ ترمودینامیکی (محدودیتهای پیل سوختی میکروبی)
سه عامل اصلی برگشت ناپذیری که بر روی عملکرد تاثیر می گذارند عبارتند از:
تلفات اکتیواسیون
تلفات اهمیک
تلفات ناشی از انتقال جرم
حداکثر ولتاژ تئوریکی که می توان از دیدگاه ترمودینامیکی از یک MFC به دست آورد را می توان از رابطه ی نرنست پیش بینی کرد.
در عمل، ولتاژ خروجی از MFC کمتر از مقدار ایده آل محاسبه شده است که دلیل آن تلفات ناشی از برگشت ناپذیری است.
انحراف از ولتاژ ترمودینامیکی (عوامل موثر)
تلفات ناشی از انتقال جرم
غلظت اکسید کننده
طراحی الکترود
طراحی مخازن
تلفات اهمیک
الکترولیت
غشا
فاصله ی بین دو الکترود
تلفات اکتیواسیون
مواد حد واسط
کاتالیست
سطح الکترود
تولید الکتریسیته
تصفیه پساب
تولید هیدروژن
تبدیل شدن به حسگر زیستی
آینده ی پیل سوختی میکروبی
کاربرد های MFC
1-Logan, B.E., 2008. Microbial Fuel Cells. John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
2-Eric A. Zielke., May 5, 2006., Thermodynamic Analysis of a single chamber Microbial Fuel Cell.,
3-H.Rismani-Yazdi, S.D. Carver, A.D. Christy, February 2008., Cathodic limitations in microbial fuel cells: An overview.
مراجع
؟
با سپاس از حسن توجه شما