دانلود ترجمه مقاله بررسی تولید بیوالکتریسیته با استفاده از سلول سوختی میکروبی (سال 2021)

بررسی تولید بیوالکتریسیته با استفاده از سلول سوختی میکروبی

Bioelectricity Production Using Microbial Fuel Cell–a Review

چکیده

1 مقدمه

2 انواع سلول های سوخت میکروبی و الکتریسیته تولید شده

3 انواع کاتالیزگرهای مورد استفاده

4 موارد استفاده ی پیل های سوخت میکروبی

5 مسیرهای آینده

6 نتیجه گیری

منابع

چکیده

     این مقاله روش های مختلف تولید نیروی الکتریکی با استفاده از میکروارگانیسم ها در پیل های سوخت میکروبی (MFC) را به طور خلاصه بیان می کند. در دهه گذشته، پیل های سوخت میکروبی به دلیل توانایی تبدیل پسماند آلی به جریان الکتریکی به کمک میکروارگانیسم ها، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کردند. آن ها به عنوان منبع عظیمی از انرژی تجدید پذیر درحال توسعه اند. این دستگاه از بخش های کاتد، آند و یک غشای جداکننده بهره می برد. به طور موثر می توان از آن برای تولید برق و تصفیه فاضلاب استفاده کرد. سلول های الکترولیز میکروبی (MEC) یک نوع پیل سوخت میکروبی هستند که برای تولید سوخت هیدروژن از مواد زیستی مختلف نیز استفاده می شوند. به طور کلی عملکرد پیل سوخت میکروبی به ماهیت میکروارگانیسم ها، الکترودهای انتخابی و غشای جداکننده ی مورد استفاده بستگی دارد. از پیل های سوخت میکروبی به عنوان منبع انرژی پایدار و متناوب برای کاهش آلودگی های صنعتی استفاده می شود. در این مطالعه مروری به شرح مفصلی پیرامون پیل های سوخت میکروبی و روش های مختلف تولید الکتریسیته زیستی و هیدروژن از تصفیه فاضلاب پرداخته شده است.

2- انواع سلول های سوخت میکروبی و الکتریسیته تولید شده

2-1 سلول سوخت میکروبی تک محفظه ای

     سلول سوخت میکروبی تک حفره ای از یک کاتد هوایی و یک آند، با یا بدون غشای جداکننده تشکیل شده است (شکل 1). اگر غشای جداکننده وجود داشته باشد معمولا به کاتد متصل می شود (21). در سلول سوخت میکروبی تک حفره ای به دلیل اکسیداسیون مواد آلی توسط میکروارگانیسم ها، الکترون ها و پروتون های موجود در آند توسط PEM یا چرخه خارجی به کاتد منتقل می شوند (22). عملکرد کاتد، حداکثر نیروی برق تولیدی توسط سلول های سوخت میکروبی دارای کاتد هوایی را تحت تاثیر قرار داد. در این نوع، به دلیل این که در محیط خنثی واکنش اکسایش-کاهش ضعیف است، کاتد نقش مهمی ایفا می کند (6). گزارش شده است که کاتدهای هوایی استفاده شده در سلول های سوخت میکروبی تک حفره ای حجم مایع اندکی دارند (23) و با استفاده از کاتدهای هوایی کوچک، به دلیل تفاوت در فاصله الکترود، ماهیت PEM و ماهیت ماده تلقیحی، بعضی تاثیرات برروی خروجی نیرو نشان داده شد (24،25،26). در یک سلول سوخت میکروبی تک حفره ای متوالی که کربن و گرافیت دانه ای (گرانولی) به عنوان کاتد و آند استفاده شدند حداکثر نیرو به ترتیب در حدود 65 ± 5 W/m3 و 188 ± 7 mA/m3 به دست آمد (27). برای کاهش Cr (VI) در کاتد زیستی که برس گرافیت و دانه گرافیت به عنوان آند و کاتد استفاده شدند، حداکثر چگالی نیرو 6.4 W/m3 ایجاد شد (28). MFC تک حفره ای با الکترودهای پوشیده شده با گرافن به عنوان آند و کاتد، پیک نیروی خروجی حجمی معادل 3.51 ± 0.50 W m−3 ایجاد کرد (29). MFC تک حفره ای با کاتد هوا و برس فیبر گرافیت به عنوان آند، حداکثر چگالی نیرویی در حدود 1460 ± 10 mW m−2 ایجاد کرد (30). SCMFC با درنظر گرفتن نمد کربن به عنوان آند و پوشش کربنی به عنوان کاتد طراحی شد; حداکثر چگالی نیرو 8.3 ± 0.2 W/m3 40 به دست آمد (31). MFC دارای کاتد پلاتینی و کاغذ کربنی به عنوان آند حداکثر چگالی نیرویی معادل 488 ± 12 mW/m2 ایجاد کرد (32).

2-2 پیل سوخت میکروبی دو محفظه ای

     پیل های سوخت میکروبی اغلب به عنوان سیستم های دو حفره ای استفاده می شوند (شکل 2). پیل های سوخت میکروبی دو محفظه ای دارای یک آنود بی هوازی و یک کاتد هوادهی شده هستند. هر دو حفره الکترود با استفاده از یک غشای تبادل پروتون (PEM) یا یک پل نمکی به هم متصل شده اند. باکتری های بی هوازی تشکیل بیوفیلم داده و به آند می چسبند، درحالی که محفظه دیگر با تامین آب و هوا برای کاتد، هوازی می ماند (33، 34، 35). در این سیستم، کاتیون ها به جز پروتون ها از طریق PEM از کاتد به آند منتقل می شوند که باعث کاهش PH در ناحیه آند و افزایش PH در ناحیه کاتد و کاهش پتانسیل کاتد می گردد که به عنوان مرحله محدودکننده در نظر گرفته می شود (36). عوامل مختلفی مانند ماهیت الکترودها، PH، بارالکتریکی خارجی و سرعت جریان نقش مهمی در کنترل عملکرد MFC دارند (37) و به طور گسترده در تولید الکتریسیته استفاده می شوند (38). در یک مطالعه تجربی که از صفحات گرافیت زبر به عنوان کاتد و صفحات گرافیت نرم به عنوان آند و فاضلاب به عنوان منبع استفاده شد، حداکثر چگالی جریان بالغ بر 313 mA/m2 بود (39). از یک پوشش کربنی با چهار لایه انتشار poly-PTFE به عنوان کاتد و برس کربنی تیمار شده با گرما به عنوان آند استفاده شد که حداکثر چگالی جریان 0.49 A/m2 ایجاد کرد. همین آزمایش با پساب متفاوت، به ترتیب حداکثر چگالی نیرو و حداکثر چگالی جریان 554 mW/m2 و 1.0 A/m2 ایجاد کرد (40). ترکیبی از محیط کشت های نیتروژن زدایی شده و بی هوازی غنی شده با Cr (VI) و الکترودهایی از صفحات گرافیت برای آند و کاتد استفاده شد که به ترتیب چگالی جریان و چگالی نیروی حدود 123.4 mA/m2 و 55.5 mW/m2 ایجاد کرد (41). طی فرایند کاهش زیست معدنی MnO2، حداکثر چگالی نیرو 126.7 ± 31.5 mW/m2 ایجاد شده و هنگام کاهش اکسیژن درحالی که از کربن شیشه ای مشبک برای آند و کاتد استفاده می شد، چگالی نیروی کم تری معادل 3.9 ± 0.7 mW/m2 ایجاد شد (42).