مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب

چکیده

۱

مقدمه

۲

فصل اول : درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی

۳

۱-۱) مفاهیم

۴

۱-۲) مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها

۷

۱-۳) میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند

۸

۱-۴) پیکربندی پیل های سوختی میکروبی

۱۲

۱-۴-۱) اجزای MFC

۱۲

۱-۴-۲) سیستمهای MFC دو جزئی

۱۳

۱-۴-۳) سیستمهای MFC تک جزئی

۱۶

۱-۴-۴) سیستمهای MFC نوع Up-flow

۱۹

۱-۴-۵) پیل سوختی میکروبی انباشته (stacked)

۲۱

۱-۵) عملکرد MFC ها

۲۲

۱-۵-۱) عملکرد ایده آل

۲۲

۱-۵-۲) بازدهی واقعی MFC

۲۴

۱-۵-۳) تاثیر شرایط عملیاتی

۲۶

۱-۵-۴) تاثیر جنس الکترودها

۲۷

۱-۵-۵) بافر pH و الکترولیت

۲۹

۱-۵-۶) سیستم مبادله پروتون

۳۰

۱-۵-۷) شرایط عملیاتی در محفظه آند

۳۱

۱-۵-۸) شرایط عملیاتی در محفظه کاتد

۳۲

۱-۶) کاربردها

۳۴

۱-۶-۱) تولید الکتریسیته

۳۴

۱-۶-۲) بیوهیدروژن (Biohydrogen)

۳۶

۱-۶-۳) تصفیه فاضلاب

۳۷

۱-۶-۴) سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors)

۳۸

۱-۷) چشم انداز MFC ها

۳۹

فصل دوم : مباحث فنی پیل های سوختی

۴۱

° 2-1) ولتاژ پیل و پتانسیل الکترود ها

۴۲

° 2-2) وابستگی ولتاژ پیل تعادلی به غلظت: معادله عمومی Nernst

۴۴

° 2-3) پتانسیل های فلز/یون فلزی (⁺M/Mz)

۴۶

° 2-4) پتانسیل های اکسایش/کاهش (RED/OX)

۴۸

° 2-5) کاربرد معادله Nernst در وابستگی پتانسیل RedOx به غلظت

۵۰

° 2-6) محاسبه پتانسیل های تعادلی الکترود

۵۱

° 2-7) الکترود هیدروژن

۵۲

° 2-8) الکترودهای فلز/نمک نامحلول/یون

۵۴

° 2-9) الکترود کالومل

۵۶

° 2-10) الکترود نقره/کلرید نقره

۵۷

° 2-11) الکترود جیوه-سولفات جیوه

۵۹

° 2-12) پتانسیل الکترود های استاندارد

۶۰

° 2-13) غلظت و فعالیت

۶۲

° 2-14) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل نقطه-بار

۶۳

° 2-15) تئوری ضریب فعالیت Debye-Hückel: مدل اندازه محدود یون

۶۵

° 2-16) تصحیح Stokes-Robinson تئوری Debye-Hückel تاثیر اثر متقابل یون-حلال

۶۶

فصل سوم : مدلسازی ریاضی پیل سوختی میکروبیوژیکی

۶۸

۳-۱) ساختار کلی MFC مورد نظر برای مدلسازی

۶۹

۳-۲) توسعه مدل

۶۹

۳-۳) سرعت واکنش ها

۷۱

۳-۴) حل مسئله

۷۸

۳-۵) محاسبه پارامترها

۷۸

۳-۶) بحث و نتیجه گیری

۸۳

فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات

۸۴

منابع و ماخذ

۸۶

مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب
فهرست منابع فارسی

۸۶

مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب
فهرست منابع لاتین

۸۷

سایت های اطلاع رسانی

۹۷

چکیده انگلیسی

۹۸

۱-۱: میکروب ها و سوبسترا هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند

۹

۱-۲: اجزای اساسی تشکیل دهنده پیل سوختی میکروبی

۱۳

۱-۳: واکنش هایی که در سطح الکترودها رخ می دهند و پتانسیل احیاء آن ها

۲۴

۲-۱: پتانسیل الکترودهای استاندارد

۶۱

۱-۱: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی

۵

۱-۲: انتقال الکترون در ماتریس میان سلولی به آند

۱۰

۱-۳: فرآیندهای بنیادی که در فرآیند انتقال الکترون ها به آند نقش دارند

۱۱

۱-۴: شماتیک پنج نمونه MFC دو محفظه ای

۱۴

۱-۵: شماتیک پیل ساخته شده توسط Min و Logan در سال ۲۰۰۴

۱۶

۱-۶: شماتیک نمونه های دیگری از پیل سوختی میکروبی

۱۷

۱-۷: شماتیک پیل سوختی ساخته شده توسط Liu و همکارانش در سال ۲۰۰۴

۱۹

۱-۸: شماتیک دو نمونه پیل سوختی میکروبی از نوع Upflow

۲۰

۱-۹: شماتیک یک نمونه MFC انباشته

۲۱

۲-۱: تصویر شماتیک یک پیل الکتروشیمیایی

۴۳

۲-۲: اختلاف پتانسیل تماس بین دو هادی غیر همجنس؛ E_F سطح

۴۴

۲-۳: سیستم اکسایش/کاهش Fe^۳+/Fe^۲+

۴۹

۲-۴: نمای شماتیک الکترود هیدروژن

۵۳

۲-۵: نمای شماتیک الکترود کالومل اشباع (SCE)

۵۷

۲-۶: الکترود نقره-کلرید نقره

۵۸

۲-۷: پتانسیل الکترودهای مرجع در °C25

۶۰

۲-۸: پتانسیل استاندارد نسبی، E^°، الکترود Cu/Cu^۲+

۶۱

۲-۹: یک الکترود با پتانسیل کمتر همواره یون های الکترود دیگر با پتانسیل بیشتر را احیاء خواهد کرد

۶۲

۲-۱۰: منحنی تغییر ضریب فعالیت γ_± با √mol/L در دمای °C25

۶۴

۲-۱۱: منحنی مقایسه ضرایب فعالیت تجربی با مقادیر تئوری با استفاده از تصحیح هیدراسیون

۶۷

۳-۱: نمای شماتیک محفظه آند و لایه کرزی مبادله جرم

۷۰

۳-۲: تغییرات غلظت سوبسترا و ماده واسط در شرایط استاندارد

۷۹

۳-۳: تغییرات شدت جریان با زمان

۷۹

۳-۴: تغییرات مقدار بار تولید شده با زمان

۷۹

۳-۵: منحنی مدل سازی شده شدت جریان با زمان در شرایط ایده آل Y_Q=۱ و شرایط تجربی Y_Q=۰.۳۳۷

۸۰

۳-۶: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل Y_Q=۱ و شرایط تجربی Y_Q=۰.۳۳۷

۸۱

۳-۷: منحنی مدل سازی شده ولتاژ با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i_۰,ref=۰.۰۱ A/m^۲ و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم L_L=۱۰۰m

۸۲

۳-۸: منحنی مدل سازی شده توان تولید شده با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i_۰,ref=۰.۰۱ A/m^۲ و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم L_L=۱۰۰m

۸۲