کلید واژه ها:پیل سوخت میکروبی معکوس، الکتروسنتز میکروبی، الکتروسوخت، کاتد و مدل­سازی.


فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست مطالب…………………………………………………………………………………………………………………………………………………و
فهرست شکل­ها……………………………………………………………………………………………………………………………………………….ح
فهرست جداول ………………………………………………………………………………………………………………………………………………ط
فصل اول: بررسی اهمیت موضوع و مفاهیم مرتبط با آن
1-1 مقدمه…………………………………..1
1-2 چرخه انرژی تجدیدپذیر بر پایه زیست توده 3
1-3 تولید زیست توده توسط فرآیند فتوسنتز 4
1-4 هیدرولیز و تخمیر 4
1-5 نیاز به منابع آب و تصفیه پسابها 6
1-6 پیل سوختی 7
1-7 تعریف پیل سوختی 8
1-8 انواع پیل سوختی 8
1-9پیلهای سوختی میکروبی.. 9
1-9-1 کاربرد پیل سوختی میکروبی……… 11
1-9-1-1 تولید برق……………… 12
1-9-1-2 تصفیه پساب­ها……………. 12
1-9-1-3 تولید هیدروژن…………… 13
1-9-1-4 حذف مواد شیمیایی…………. 13
1-9-1-5 حسگرهای زیستی……………. 13
1-9-2 مقایسه پیل­های سوختی میکروبی با فرآیندهای بیواتانولی و متان زدایی…………………………………… 14
1-9-2-1 فناوری­های متان­زدایی و پیل سوختی میکروبی 14
1-9-2-2 فناوری­های بیواتانول و پیل سوختی میکروبی 14
1-9-3 بررسی جامعه میکروبی و زنجیره تنفسی در آن­ها 15
1-9-3-1 چگونگی انتقال الکترون­ها از سطح میکروب به سطح آند پیل سوختی……………………………………….. 17
1-10پیلهای سوختی میکروبی معکوس…….. 21
1-10-1 مکانیسم­های انتقال الکترون……….. 22
1-10-2 بیوفیلم­های کاتد………………… 24
1-10-3 الکترود کاتد……………………. 24
1-10-4 شیمی محلول………………………. 25
1-11هدف از پژوهش پیش رو………………………. 27
فصل دوم: بررسی پژوهش­های پیشین
2-1 مروری بر پیل­های سوختی از گذشته تا حال……… 28
2-2تاریخچه پیل سوختی میکروبی 29
2-3 تاریخچه مدلسازی پیل سوختی میکروبی 29
2-4 تاریخچه الکتروسنتز میکروبی 33
فصل سوم: بررسی معادلات و ساختار مدل
3-1 فرضیات انجام گرفته ……………………………………………………………………………………………………………………………36
3-2 معادلات سرعت…………………………….. 37

3-2-1 معادلات مصرف سوبسترا……………………. 37
3-2-2 معادله سرعت پدیده خود-اکسایی میکروبهای فعال. 40
3-2-3 معادله سرعت غیر فعال شدن میکروبهای فعال.. 41
3-3 معادله بقای جرم سوبسترا در بیوفیلم 41
3-4 بررسی ضریبانتقال جرمخارجی 43
3-5 معادله بقای جرم سوبسترا در حجم مایع کاتولیت 44
3-6 معادله پتانسیل الکتریکی و قانون اهم 45
3-7 بررسی مقاومتهای اهمی 47
3-8 معادله بقای جرم زیست توده 48
3-9 نیم واکنش­های انجام گرفته در بخش آند و کاتد پیل سوختی میکروبی معکوس 51
3-10 بررسی مدل مورد استفاده جهت تخمین پارامترهای طراحی …………………………………………………………51
3-11 روش حل عددی 52
3-11-1 روش تفاضلات محدود.. 53
3-11-1-1 تفاضلات پیشرو……………………… 53
3-11-1-2 تفاضلات پسرو………………………. 53
3-11-1-3 تفاضلات مرکزی……………………… 53
فصل چهارم: نتایج به دست آمده و تجزیه و تحلیل آن­ها
4-1 بررسی شرایط مرجع………………………… 57
4-2 اثر تغییر پتانسیل کاتد و غلظت سوبسترا در حجم مایع 61
4-3 مقایسه مقادیر واقعی با مقادیر حاصل از مدلسازی…………………………………………………………………………….68
4-4 جمع بندی و نتیجه گیری……………………. 69
4-4 پیشنهادات………………………………. 71
منابع و مراجع72
فهرست شکل­ها
عنوان صفحه

شکل 1-1: انرژی تجدیدپذیر خورشیدی و انرژی­های سرچشمه گرفته از آن- [2] 2
شکل 1-2: نمایی کلی از چرخه تولید انرژی بر پایه زیست توده [5] 4
شکل 1-3: نمایی از فرآیندهای هیدرولیز، تخمیر، اسیدزدایی و متان زایی، محصولات و مواد اولیه هر کدام [5]…………….. 6
شکل 1-4: شمایی از عملکرد پیل سوختی میکروبی [13]….. 10
شکل 1-5: زنجیره تنفسی درون سلول میکروب­ها و پتانسیل کاهشی متناظر با هر مرحله [2]……………………………………. 16
شکل 1-6: انتقال الکترون از سطح خارجی میکروب به سطح آند توسط مواد واسط درون­زا و برون­زا [26]……………………………… 18
شکل 1-7: انتقال مستقیم الکترون از سطح سلول میکروب به سطح آند با تماس مستقیم فیزیکی بین آن ها[26]…………………….. 20
شکل 1-8: انتقال الکترون از سطح سلول میکروب به سطح آند توسط نانوسیم رسانا [26]…………………………………………20
شکل 1-9: گونه میکروبی از خانواده (الف) ژئوباک
تر (ب) شوانلا و نانوسیم­های ایجاد شده [13]……………………………….. 21
شکل 1-10: شمایی از تفاوت بین پیل سوختی میکروبی و پیل سوختی میکروبی معکوس 22
شکل 2-1: مقایسه شبیه­سازی مدل [8] و نتایج آزمایشگاهی [9] در غلظت 1 میلی مولار استات- [8]…………………………………… 31
شکل 3-1: نمایی از نحوه افرازش الکترون­های تولید شده از منبع خارجی، تولید انرژی، تکثیر سلول­های جدید فعال و سازوکارهای نابودی آنها [1] 40
شکل 3-2: شمای ساده بیوفیلم چسبیده به کاتد و لایه مرزی غلظتی 42
شکل 3-3: الگوریتم حل معادلات مذکور در فصل سوم…….. 56
شکل 4-1: تغییرات پتانسیل الکتریکی در طول بیوفیلم در روزهای سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم…………………………………… 58
شکل 4-2: تغییرات غلظت سوبسترا در طول بیوفیلم در روزهای سوم، ششم، نهم، دوازدهم، پانزدهم و هجدهم…………………………………… 59 ………………………………………………………
شکل 4-3: تغییرات جزء حجمی میکروب­های فعال در طول بیوفیلم59
شکل 4-4: تغییرات ضخامت بیوفیلم با زمان………….. 60
شکل 4-5: تغییرات دانسیته جریان با زمان………….. 60
شکل 4-6: تغییرات بازده کلومبیک با غلظت سوبسترا در حجم مایع 63
شکل 4-7: روند تغییرات چگالی جریان با غلظت سوبسترا در حجم مایع 63
شکل 4-8: روند تغییرات ضخامت بیوفیلم با غلظت سوبسترا در حجم مایع 64
شکل 4-9: جمله نرنست-مونود نسبت به پتانسیل کاتد………… 64
شکل 4-10: تغییرات چگالی جریان با پتانسیل سطح کاتد… 65
نمودار 4-11: تغییرات چگالی جریان با زمان در پتانسیل اشباع و غلظت­های مختلف……………………………………………. 66
شکل 4-12: تغییرات چگالی جریان با زمان برای غلظت سوبسترای اشباع و پتانسیل­های مختلف……………………………………….. 67
شکل 4-13: توزیع میکروب­های فعال در بیوفیلم، پتانسیل کاتد محدود کننده 67
شکل 4-14: توزیع میکروب­های فعال در بیوفیلم، غلظت سوبسترای محدود کننده 68
شکل 4-15 شکل 4-15: مقایسه نتایح حاصل از مدلسازی با نتایج واقعی. (a نتیجه حاصل از مدلسازی و (b نتایج واقعی …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..69

فهرست جدول ها