این پژوهش ساختاری نوین از پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای را معرفی می کند. پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای با ساختار حلقوی و آند حلزونی شکل به منظور کاربردهای آتی فناوری پیل سوختی میکروبی در مقیاس بالا پیشنهاد می شود. در این مطالعه دو هدف اساسی مد نظر است. نخست آنکه توری استیل ضد زنگ با پوشش گرافیت به عنوان سطحی متخلخل برای رشد زیست لایه در ساختار پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای حلقوی طراحی و مشخصات آن بررسی می گردد. دوم آنکه تولید توان و مقاومت داخلی پیل سوختی میکروبی حلقوی با آند حلزونی شکل با سایر پیل های سوختی میکروبی هوا-کاتد مقایسه می شود تا کارایی این ساختار را بر عملکرد پیل سوختی میکروبی نشان دهد. پساب صنایع لبنی که حاوی ترکیبات آلی پیچیده است و در پیل های سوختی میکروبی متداول چگالی توان بسیار پایینی دارد، به عنوان سوبسترا به کار رفت. در این مطالعه بیشینه چگالی توان 2/20 وات بر متر مکعب به دست آمد. عملکرد پیل سوختی میکروبی به عنوان مولد برق بر مبنای رفتار پلاریزاسیون و پتانسیل های پیل نشان داده شده است. همچنین، کاهش قابل ملاحظه در کدورت و اکسیژن خواهی شیمیایی پساب (به ترتیب 5/83% و 91%) پس از تصفیه در پیل سوختی میکروبی مشاهده شد. تاثیر تغییر سطح تماس الکترود و غلظت پساب لبنی مورد بررسی قرار گرفت. با کاهش سطح تماس الکترود از 2×63 به 2 × 38 سانتیمتر مربع، شدت جریان خروجی حدود 34% کاهش یافت. همچنین، پیل سوختی میکروبی با سطح تماس کمتر آند فاز ایستای طولانی تری از پیل سوختی میکروبی با سطح بیشتر آند دارد و مدت زمان فاز ایستا از 23 ساعت به 67 ساعت افزایش یافت. هندسه آند و ساختار آن در پیل سوختی میکروبی حلقوی با آند حلزونی شکل، بر سطح ویژه و فاصله الکترود ها تاثیر می گذارد. سطح ویژه بالاتر و فاصله کمتر با کاتد، بازدهی پیل سوختی میکروبی را افزایش می دهد. واضح است که با کاهش سطح تماس آند، گسترش زیست لایه در مقایسه با سطح تماس بیشتر آند، کاهش می یابد. این امر موجب به تجزیه کمتر زیست لایه گردید. افزون بر آن با کاهش سطح تماس آند در هندسه حلزونی شکل، فاصله الکترودها افزایش یافت که منجر به افزایش مقاومت درونی پیل گردید. با افزایش مقاومت درونی پیل شامل مقاومت خارجی و داخلی، مدت زمان فاز ایستا افزایش یافت. غلظت پساب یکی از مهمترین پارامترهای عملکرد پیل های سوختی میکروبی است. با کاهش اکسیژن خواهی شیمیایی پساب لبنی پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای حلقوی از 1000 به 500 میلی گرم بر لیتر، بیشینه شدت جریان خروجی از 89/1 به 2/1 میلی آمپر کاهش یافت. همچنین، پیل سوختی میکروبی که پساب داده شده به آن با اکسیژن خواهی شیمیایی 500 میلی گرم بر لیتر بود، فاز نزولی با مدت زمان کوتاه تری از پساب با اکسیژن خواهی شیمیایی بیشتر داشت. افزون بر آن شدت جریان خروجی پیل سوختی میکروبی با پساب لبنی با اکسیژن خواهی شیمیایی کمتر، پس از 49 ساعت به 17/0 میلی آمپر رسید در حالی که مدت زمان کاهش شدت جریان برای پیل سوختی میکروبی با اکسیژن خواهی شیمیایی بالاتر بیش از 72 ساعت بود. با کاهش غلظت پساب لبنی، شدت جریان خروجی به علت کاهش محتوی آلی در آنولیت، کاهش می یابد. تصاویر پویش میکروسکوپ الکترونی از توری استیل ضد زنگ با پوشش گرافیت پیش و پس از تشکیل زیست لایه، چسبندگی مناسب باکتری ها بر سطح حلزونی آند را نشان می داد. به علت سطح تماس بالا، مقدار زیادی از زیست توده به سطح اصلاح شده توری استیل ضد زنگ چسبیده بودند. از این رو، تخلخل آند می تواند مکان مناسبی برای تشکیل زیست لایه باشد. مورفولوژی زیست لایه یکنواخت بود که تولید و انتقال الکترون ها را آسان نمود.

پیل های سوختی میکروبی یکی از فناوری های نوپا در زمینه بازیابی انرژی موجود در پساب ها و تصفیه هم زمان آن هاست که در سال های اخیر توجه زیادی را به سوی خود جلب نموده است. در پژوهش پیش رو مدلی بر اساس هدایت مستقیم الکترون ها در بیوفیلم ارائه و نتایج شبیه سازی آن با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است. مدل حاضر قادر است نتایج آزمایشگاهی را با دقت مناسبی پیش گویی نماید. همچنین بررسی تغییرات پتانسیل آند نشان داد که در یک محدوده جزیی در اطراف پتانسیل نیم اشباع، جریان از مقدار صفر به مقدار اشباع خود رسیده و تغییرات غلظت سوبسترا نیز اثر مشابهی را در محدوده وسیع تری در پی داشت. بر طبق دو مورد اخیر بیشینه چگالی جریان قابل دست یابی از جامعه میکروبی خالص ژئوباکترسولفورریداسنز و با سوبسترای استات 42/2 آمپر بر متر مربع پیش گویی شد. در جریان منقطع سوبسترا در آند، پس از پایدار شدن جامعه میکروبی، الگوی جریان ثابت و بیشینه آن برابر با 12/3 میلی آمپر گردید. محفظه آندی برای نخستین بار در حالت جریان پیوسته سوبسترا مدل و شبیه سازی شد. نتایج بدست آمده از اجرای مدل برای جریان پیوسته نشان داد که برای یک محفظه آندی لوله ای شکل، کاهش قطر و افزایش طول، از لحاظ چگالی جریان تولیدی و بازده تصفیه شرایط مناسب تری را ایجاد می نماید. در این حالت، افزایش غلظت تأثیری در بازدهی تصفیه نداشت و تنها سبب افزایش تولید چگالی جریان گردید. علاوه بر این، برای نخستین بار امکان تحلیل پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی با استفاده از مدل بر پایه هدایت فراهم آمد. این امر با تعریف یک شرط مرزی نوین برای مدل بر پایه هدایت، محقق شد. نتایج نشان داد که برای یک بیوفیلم متشکل از ژئوباکترسولفورریداسنز، بخش زیادی از اتلاف ولتاژ ناشی از مقاومت های انتقال جرم می باشد. مدل امکان استفاده از تحلیل پلاریزاسیون برای بررسی اثر ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم و ضخامت فیلم غلظتی به صورت کمی را ، روی عملکرد پیل سوختی میکروبی فراهم آورد؛ بررسی اثر این دو از طریق آزمایشگاهی قابل انجام نیست. با کاهش ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم و افزایش ضخامت فیلم غلظتی، به ترتیب اثر مقاومت های اهمی و انتقال جرم تشدید شده و چگالی توان خروجی از پیل کاهش یافت. در نهایت برای نخستین بار، پارامترهای طراحی یک پیل سوختی میکروبی جهت تصفیه پساب لبنی با استفاده از لجن فعال، با استفاده از مدل ارائه شده و توسط الگوریتم ژنتیک تخمیـن زده و درست آزمایـی شدند. نتایج نشان داد که برای پیل سوختی مذکور با استفاده از توری با مش 300 برای الکترود آند، سطح موثر به میزان 76/64% افزایش یافته است. این میزان افزایش سطح از طریق آزمایشگاهی قابل اندازه گیری نیست. همچنین مطالعه منحنی پلاریزاسیون این سامانه نشان داد که مقاومت های اهمی ناشی از ضریب هدایت الکتریکی پایینِ جامعه میکروبی موجود، نقش اساسی را در کاهش سطح عملکرد پیل و چگالی توان خروجی از آن ایفا نموده است.

با توجه به نیاز روز افزون انرژی و همچنین افزایش آلاینده های زیست محیطی، نیاز به منابع تجدید پذیر انرژی کاملا محسوس می-باشد. در بین همه ی منابع تجدید پذیر، زیست توده ها و به ویژه مواد لیگنوسلولزی تنها منبع برای تولید پایدار سوخت های مایع می-باشند. از بین کلیه ی مواد قابل استحصال از زیست توده ها، بیواتانول می تواند جایگزین مناسبی برای سوخت های فسیلی باشد. بنابر این تولید آن از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مطالعه کاه برنج به عنوان یکی از فراوان ترین مواد لیگنوسلولزی و ماده ای که دارای کاربرد مفید دیگری نمی باشد توسط پیش فرآوری نمک کربنات سدیم جهت تولید قندهای قابل تخمیر و سپس بیواتانول مورد استفاده قرار گرفت. پیش فرآوری در دماهای 90، 120،150 و 180 درجه سانتیگراد و در غلظت های 25/0، 5/0 و 1 مولار از نمک کربنات سدیم در راکتور تحت فشار همزن دار با قابلیت تزریق مواد در دمای مورد نظر به منظور حذف هرگونه اثر پیش گرمایشی انجام و در زمان های 30، 60، 120 و 180 دقیقه بوسیله ی ظرف مخصوص از راکتور نمونه گیری شد. راکتور مورد استفاده قابلیت کنترل دما با دقت یک درجه سانتیگراد را دارا بود و همچنین دور همزن برای همه ی آزمایشات 150 دور بر دقیقه تنظیم شده بود. همچنین نمونه های حاصله به منظور تعیین میزان گلوکز تولیدی به مدت 72 ساعت در دمای 45 درجه سانتیگراد توسط مخلوط آنزیمی سلولاز و بتا گلوکسیداز هیدرولیز شدند. بهترین نمونه ها از نظر میزان تولید قند در دمای 38 درجه سانتیگراد در معرض هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان توسط مخمر ساکارومایسیس سرویسیه به منظور تولیداتانول قرار گرفتند. بهترین نمونه در تولید قند، نمونه ی پیش فرآوری شده توسط نمک کربنات سدیم با غلظت 5/0 مولار در دمای 180 درجه سانتیگراد و به مدت زمان 120 دقیقه بوده است که از 10 گرم بر لیتر سوبسترا پیش فرآوری شده 7/8 گرم گلوکز تولید شده و بازده تولید گلوکز در حدود 97% بوده است در حالی که برای کاه پیش فراوری نشده این مقدار تنها برابر با 8/1 گرم بر لیتر بود که افزایش بیش از 400 درصدی را به همراه داشت. بهترین نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی و تخمیر همزمان مربوط به پیش فرآوری با غلظت 5/0 و 1 مولار از کربنات سدیم در دمای 180 درجه سانتیگراد به مدت زمان 120 دقیقه بوده که تولید اتانول حدود 350 میلی گرم اتانول به ازای 1 گرم ماده پیش فرآوری شده است و بازده اتانول نسبت به بازده ی تئوری برای این نمونه 87% تولید بدست آمد. با انجام آنالیز اجزاء تشکیل دهنده مواد لیگنوسلولزی مشخص شد که در هر چهار دمای مورد آزمایش درصد لیگنین به میزان قابل توجهی کاهش یافته و با افزایش دما مقدار کاهش بیشتر می شد. همچنین زایلان موجود در کاه در دماهای 150 و 180 درجه سانتیگراد به طور قابل ملاحظه ای از ساختار ماده لیگنوسلولزی حذف شده است. حذف لیگنین و زایلان از دلایل بهبود موثر هیدرولیز آنزیمی و فرآیند تخمیر بوده است. نتایج حاصل از آنالیز ftir به منظور اندازه گیری میزان کریستالی بودن سلولز موجود در ساختار ماده لیگنوسلولزی و همچنین عکس های sem به منظور تعیین مرفولوژی ساختار، حاکی از کاهش مناطق کریستالی سلولز و حذف لیگنین و زایلان می باشد.

امروزه مواد لیگنوسلولزی به عنوان منابع دردسترس و ارزان برای تولید بیوسوخت های تجدیدپذیر مورد توجه محققان قرار گرفته اند. مواد لیگنوسلولزی در دیواره ی سلولی گیاهان وجود دارند و حاوی سه پلیمر عمده ی سلولز، همی سلولز و لیگنین هستند. سلولز موجود در این مواد قایل تبدیل یه گلوکز و سپس اتانول است. به دلیل ساختار پیچیده و به هم فشرده ی این مواد، ارگانیسم های تخریب کننده قادر به تخریب این مواد با بازده ی بالا نیستند و به همین علت یک مرحله پیش فرآوری به منظور شکست این ساختار مورد نیاز است. کاه برنج یکی از مواد لیگنوسلولزی که سالانه به میزان بیش از 950 میلیون تن در جهان تولید می شود. در این تحقیق به منظور بهبود بازده ی هیدولیز و تولید اتانول از کاه برنج، پیش فرآوری شیمیایی این ماده با استفاده از سه حلال آلی نرمال متیل مورفولین نرمال اکسید (nmmo)، 1-اتیل 3-متیل ایمیدازولیوم استات ([emim][oac]) و 1-بوتیل 3-متیل ایمیدازولیوم استات ([bmim][oac]) انجام شد. نرمال متیل مورفولین نرمال اکسید یک حلال صنعتی برای سلولز است که هم اکنون در صنعت فیبرسازی در فرآیند لایوسل استفاده می شود. مایعات یونی در واقع نمک هایی با دمای ذوب پایین هستند و معمولاًً در دمای محیط مایعاتی ویسکوز هستند. عملیات پیش فرآوری در دمای 120 درجه سانتیگراد، با 5% وزنی کاه و به مدت 1، 3 و 5 ساعت صورت گرفت. برای بررسی تاثیر پیش فرآوری، هیدرولیز آنزیمی نمونه های کاه پیش فرآوری شده و کاه اولیه در دمای 45 درجه سانتیگراد در شیکری با سرعت 100 دور بر دقیقه به مدت 72 ساعت انجام شد. fpu20 آنزیم سلولاز و iu30 آنزیم بتاگلوکوسیداز به ازای هر گرم سوبسترا در مرحله ی هیدرولیز استفاده شد. قند حاصل با استفاده از کیت گلوکز اندازه گیری شد. همچنین فرآیند هیدرولیز و تخمیر همزمان (simultaneous saccharification and fermentation) نمونه های پیش فرآوری شده با استفاده از مخمر ساکارومایسیس سرویسیه و آنزیم های سلولاز و بتاگلوکوسیداز در دمای 38 درجه سانتیگراد به مدت 48 ساعت در انکوباتور با سرعت 80 دور بر دقیقه برای تولید بیواتانول انجام شد. میزان اتانول تولیدی با استفاده از دستگاه hplc اندازه گیری شد. نتایج حاصل از هیدرولیز نشان می دهد گلوکان موجود در نمونه های پیش فرآوری شده تقریباً به طور کامل به گلوکز تبدیل شده است. بازده ی هیدرولیز برای کلیه ی نمونه های پیش فرآوری شده بیشتر از 96% است در حالیکه این درصد برای نمونه کاه پیش فرآوری نشده تنها 7/27% است. بازده ی تولید اتانول نسبت به بازده ی تئوری در مرحله ی هیدرولیز و تخمیر همزمان از 4/35% برای کاه پیش فرآوری نشده تا 3/93% برای نمونه ی 5 ساعت پیش فرآوری شده با nmmoو 7/79% برای نمونه های پیش فرآوری شده با هر دو مایع یونی افزایش یافته است. نتایج حاصل از تست ftir نمونه کاه پیش فرآوری نشده و سه نمونه ی پیش فرآوری شده با حلال های مورد استفاده به مدت 5 ساعت نشان دهنده ی کاهش شاخص بلورینگی برای تمامی نمونه های پیش فرآوری شده است. این شاخص برای کاه اولیه برابر 46/0 بوده در حالیکه این مقدار برای نمونه های پیش فرآوری شده تا 37/0 هم کاهش پیدا کرده است. تصاویر sem تهیه شده از نمونه های گفته شده حاکی از درهم شکستن شدید ساختار کاه بر اثر پیش فرآوری است. مهم ترین عامل در ایجاد بهبودهای به دست آمده کاهش میزان بلورینگی و در هم ریختن ساختار است. نرمال متیل موفورفولین نرمال اکسید از لحاظ میزان تولید اتانول به ازای کاه اولیه، در میان حلال های مورد استفاده بهترین عملکرد را داشته است.

همگام با توسعه سریع صنایع جدید، آلودگی محیط نسبت به گذشته در حال افزایش است و یکی از مهمترین آلاینده ها در محیط فلزات سنگین می باشند. در میان فلزات سنگین، سرب یکی از معمول ترین و سمی ترین آلاینده هاست که از طریق صنایع مختلف مانند آبکاری فلزات و باطری سازی ها وارد آب های طبیعی می شود. روش های مختلفی برای حذف فلزات سنگین از آب-ها و فاضلاب های صنعتی توسعه یافته اند که در این میان فرایندهای جذب به عنوان یک روش کارا و اقتصادی از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند. جاذب های مختلفی جهت حذف فلزات سنگین استفاده شده است. درکل، این جاذب ها دارای تخلخل زیادی هستند و سطح کافی را برای جذب به وجود می آورند. با این حال، وجود پخشیدگی درون ذرّه ای ممکن است منجر به کاهش سرعت و ظرفیت جذب این جاذب ها شود. بنابراین، توسعه جاذب هایی بامساحت زیاد و مقاومت کم در برابر پخشیدگی دارای اهمیت قابل توجهی در استفاده های عملی می باشد. اصلاح رس ها توسط پلیمرها باعث بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی آنها می شود و بنابراین کانی های رس اصلاح شده می توانند به عنوان جاذب به کار روند، زیرا پلیمرها خود دارای ویژگی های مناسب جذبی برای فلزات می باشند. در این مطالعه، نانوکامپوزیت پلی اکریلیک اسید- بنتونیت در مقایسه با بنتونیت طبیعی جهت حذف سرب از محلول های آبی مورد استفاده قرار گرفت. روش های xrf، xrd، ftir، toc و sem-eds برای مشخصه-یابی جاذب ها مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج مشخصه یابی نشان داد که سورفکتانت و پلیمر در فضای بین لایه ای بنتونیت وارد شده و نانوساختار اینترکلیت تشکیل شده است.رفتار جذبی نانوکامپوزیت و بنتونیت نسبت به سرب تحت شرایط مختلف مانند زمان تماس، غلظت اولیه سرب، دما و مقدار جاذب مطالعه گردید. مدل های لانگمویر و فروندلیچ بر داده های تعادلی جذب سرب برازش داده شد. در تمامی دماهای مورد مطالعه(?c50- 15)، مدل لانگمویر بهترین برازش را بر داده های جذب سرب بوسیله نانوکامپوزیت نشان داد، در حالی که داده های جذب سرب بوسیله بنتونیت تنها در دماهای ?c 35 و ?c 50 با مدل لانگمویر بهترین برازش را نشان داد و در دمای ?c 15 و?c 25 مدل فروندلیچ برازش بهتری را نشان داد. حداکثر جذب پیش-بینی شده از مدل لانگمویر برای نانوکامپوزیت پلی اکریلیک اسید- بنتونیت و بنتونیت طبیعی به ترتیب 01/93 و mg g-1 31/52 بدست آمد. پارامترهای ترمودینامیک شامل تغییرات انرژی آزاد گیبس (?g0)، انتالپی (?h0) و انتروپی (?s0) نشان داد که جذب سرب بوسیله جاذب ها خودبخودی، گرماگیر و مطلوب است. مطالعات سینتیک جذب سرب در دو غلظت 400 و mg l-1 800 به مدت 24 ساعت انجام شد. با افزایش غلظت از 400 به mg l-1 800 زمان برقراری تعادل برای جذب سرب بوسیله نانوکامپوزیت از حدود 30 دقیقه به حدود 60 دقیقه افزایش یافت. اما در زمان مورد مطالعه برای جذب سرب بوسیله بنتونیت طبیعی تعادل برقرار نگردید. مدل های سینتیک شبه مرتبه اول، شبه مرتبه دوم، الوویچ، پخشیدگی درون ذرّه ای و تابع توانی برای توصیف داده های سینتیک جذب سرب مورد استفاده قرار گرفت. مدل شبه مرتبه دوم داده های جذب سرب بوسیله نانوکامپوزیت را به خوبی توصیف نمود که نشان می دهد جذب شیمیایی مکانیسم کنترل کننده سرعت است. داده های سینتیک جذب سرب بوسیله بنتونیت بهترین برازش را با مدل تابع توانی نشان داد. با افزایش غلظت جاذب میزان سرب جذب شده در واحد وزن جاذب کاهش یافت در حالی که درصد جذب افزایش نشان داد. درکل، نانوکامپوزیت پلی اکریلیک اسید- بنتونیت بدلیل داشتن سرعت و ظرفیت جذب زیاد، جاذب بسیار مناسبی برای حذف سرب از محلول های آبی می باشد.

در این پژوهش ساقه گندم به دلیل فراوانی در ایران به عنوان منبع تولید نانوالیاف سلولز انتخاب و نانوالیاف سلولز به روشی شیمیایی- مکانیکی از ساقه گندم استخراج شد. عمل آوری شیمیایی منجر به حذف مواد غیرسلولزی مانند همی سلولز، لیگنین و پکتین می شود و عمل آوری مکانیکی الیاف را از ابعاد میکرومتر به ابعاد نانومتر تبدیل می کند. ابتدا ساقه های گندم به مدت 2 ساعت به منظور تورم دیواره های سلولی و موم زدایی در محلول 5/17% هیدروکسید سدیم (در دمای محیط) خیسانده شد. در ادامه شرایط هیدرولیز اسیدی شامل غلظت اسید و زمان هیدرولیز با استفاده از نرم افزار طراحی آزمایش و به منظور دستیابی به بالاترین درجه بلورینگی بهینه سازی شد. سپس هیدرولیز اسیدی با اسید هیدروکلریک ، عمل آوری قلیایی توسط محلول رقیق هیدروکسید سدیم و رنگ زدایی توسط سدیم کلرایت به ترتیب برای حذف همی سلولز و پکتین، لیگنین قابل حل و لیگنین غیرقابل حل انجام شد. سپس میکروالیاف به دست آمده پس از عمل آوری شیمیایی به وسیله اولتراسونیکw 400 از هم جدا شده و به نانوالیاف تبدیل شدند. آنالیز ترکیب شیمیایی الیاف در مراحل مختلف به وسیله استاندارد nrel انجام و مشخص شد که میزان سلولز از 8/49% به 5/85% افزایش یافته که نشان دهنده حذف مواد غیرسلولز با عمل آوری شیمیایی است. تصویر sem نانوالیاف نشان داد که نانوالیاف به دست آمده متوسط قطر 45 نانومتر و نسبت طول به قطری در محدوده 54-23 دارند. آنالیز حرارتی الیاف خام و نانوالیاف نهایی به وسیله tga انجام شد و نشان داد که دمای تخریب نانوالیاف نسبت به الیاف خام ?c 35 افزایش داشته و به بالاتر از ?c 300 رسیده است. این مشخصه نانوالیاف سلولز حاصل را برای مصرف در نانوکامپوزیت های پلیمری که در دمای بالا تولید می شوند، مناسب ساخته است. سپس نانوکامپوزیت شامل پلی اتیلن سبک و نشاسته گرمانرم به عنوان ماتریس، پلی اتیلن سبک گرافت شده با مالئیک انیدرید به عنوان سازگار کننده و مقادیر مختلف نانوالیاف سلولز (14%-6 ) به عنوان پر کننده آماده شد. خواص جریان پذیری با اندازه-گیری شاخص جریان مذاب و ویسکوزیته بررسی شد. این نتایج 40% کاهش در شاخص جریان مذاب برای نمونه حاوی 14% نانوالیاف و افزایش ویسکوزیته در نرخ برشی s-1 1 تا 380/0 مگاپاسکال.ثانیه برای نمونه حاوی 14% نانوالیاف دیده شد. تعیین مدول یانگ از شیب نمودار تنش-کرنش افزایش مدول از 231 مگاپاسکال تا 438 مگاپاسکال را با افزایش درصد نانوالیاف نشان داد. همچنین افزایش توانایی جذب آب و ضریب نفوذ موثر نانوکامپوزیت در پی افزایش نانوالیاف با انجام آزمون جذب آب دیده شد که نشان دهنده افزایش تخریب-پذیری نانوکامپوزیت در زیر خاک است. افزایش تخریب پذیری در زیر خاک با افزایش درصد نانوالیاف سلولز نیز با انجام آزمون تخریب-پذیری مشخص شد که تایید کننده نتایج آزمون جذب آب است.

کاه برنج یکی از مواد لیگنوسلولزی فراوان، ارزان و در دسترس است که می توان از آن برای تولید بیواتانول استفاده نمود. این ماده نسبت به دیگر مواد لیگنوسلولزی سیلیس بیشتری دارد. وجود سیلیس در دیواره ی بیرونی گیاه، مقاومت کاه برنج را در برابر انجام فرآیند بر آن بالا می برد؛ به این ترتیب سیلیس یک ترکیب مزاحم در هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول ازکاه برنج محسوب می شود. در این پژوهش جداسازی سیلیس از کاه برنج توسط پیش فرآوری با تعدادی از مواد شیمیایی در شرایط مختلف بررسی شده است. بهترین نتیجه مربوط به پیش فرآوری با کربنات سدیم در دمای 100 درجه سانتیگراد بود که منجر به حذف 91 درصد از سیلیس موجود در کاه برنج شد. افزایش دما باعث جداسازی بهتر سیلیس از کاه برنج شد. کاه برنج پیش فرآوری شده با کربنات سدیم 1 مولار در دمای صفر، 25 و 100 درجه سانتیگراد به همراه کاه پیش فرآوری نشده تحت هیدرولیز آنزیمی در دمای 45 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت با استفاده از fpu30 آنزیم سلولاز و iu60 آنزیم بتاگلوکوسیداز به ازای هر گرم سوبسترا قرار گرفتند. نتایج نشان داد که پیش فرآوری با کربنات سدیم در دمای بالا باعث بهبود قابل ملاحظه ای در تولید گلوکز در فرآیند هیدرولیز آنزیمی شده است؛ در حالی که پیش فرآوری در دماهای پایین تأثیر چندانی بر بهبود هیدرولیز نداشت. به منظور بهینه سازی شرایط پیش فرآوری جهت تولید اتانول بیشتر، از محلول کربنات سدیم در دمای 100 درجه سانتیگراد با غلظت های 5/0 و 1 مولار، در مدت زمان های 1، 3 و7 ساعت و نسبت محلول به جامد 10، 15 و 20 استفاده شد و تأثیر شرایط مختلف پیش فرآوری بر تولید گلوکز در فرآیند هیدرولیز آنزیمی و تولید اتانول در هیدرولیز و تخمیر همزمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از هیدرولیز آنزیمی نشان داد که بهترین نتیجه در پیش فرآوری با کربنات سدیم 5/0 مولار در دمای 100 درجه سانتیگراد، به مدت 3 ساعت و با نسبت محلول به جامد 20 به دست آمد. در این حالت بازده تولید گلوکز از سلولز موجود در نمونه از 35 درصد مربوط به کاه پیش فرآوری نشده به 100 درصد افزایش یافت. هم چنین فرآیند هیدرولیز و تخمیر هم زمان نمونه های پیش فرآوری شده و پیش فرآوری نشده توسط قارچ موکور همیلیس در دمای 37 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت برای تولید بیواتانول انجام شد. بازده تولید اتانول برای نمونه پیش فرآوری نشده 8/39 درصد بود که در شرایط بهینه ی پیش فرآوری به 2/83 درصد رسید. جهت بررسی عملکرد قارچ موکور همیلیس در تخمیر و هیدرولیز هم زمان، مقایسه ای بین این قارچ و مخمر ساکارومایسیس سرویسیه انجام گرفت. نتایج حاصل از هیدرولیز و تخمیر هم زمان نشان داد که قارچ موکور همیلیس در تولید اتانول در این فرآیند بهتر از مخمر عمل کرده است.

استفاده از الیاف سلولز به جای الیاف معدنی و مصنوعی در تولید کامپوزیت ها روز به روز در حال گسترش است. از رایج ترین منابع گیاهی الیاف سلولز می توان به پنبه، کنف، سیسال و کتان اشاره کرد. در واقع می توان گفت در دیواره ی سلولی تمامی گیاهان یک جزء قابل استخراج (سلولز) با قطر 5 الی 50 نانومتر و طول چند میکرون وجود دارد که از نظر تئوری دارای مدول 130 گیگا پاسکال و استحکام 7 گیگا پاسکال می باشد. از این رو امروزه ارائه ی روش های نوین جهت بدست آوردن نانوالیاف از ساختار گیاهان بسیار مورد توجه است. در این پژوهش بمنظور استخراج نانوالیاف سلولز از ساقه ی برنج از یک روش شیمیایی مکانیکی شامل: متورم سازی، هیدرولیز اسیدی، عمل آوری قلیایی رقیق، سفیدگری و نیروی مافوق صوت استفاده شده است. در مرحله ی خالص سازی شیمیایی تقریباً تمام مواد غیرسلولزی از ساختار الیاف حذف و یک خمیر سلولزی سفید از الیاف با ابعاد میکرو بدست آمد. در ادامه سوسپانسیونی از این میکروالیاف را تحت نیروی مافوق صوت قرار داده تا با شکسته شدن پیوندهای بین مولکولی هیدروژنی مقیاس ابعاد الیاف به نانو کاهش یابد. در طول این عملیات جهت رسیدن به بیشترین بلورینگی الیاف، شرایط هیدرولیز اسیدی توسط یک نرم افزار آماری مدل و بهینه گردید. ابعاد و مورفولوژی الیاف در مراحل مختلف عمل آوری توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد. همچنین نتایج بدست آمده از آنالیز ترکیب درصدهای شیمیایی نشان داد که درصد سلولز پس از عمل آوری قلیایی نسبت به مواد خام در حدود %71 افزایش یافته است. نتایج بدست آمده از آزمون تخریب گرمایی نیز نشان دادند دمای تخریب الیاف سفیدگری شده در حدود %19 نسبت به مواد اولیه افزایش داشته است. در مرحله ی بعد بمنظور تهیه ی نانوکامپوزیت نشاسته ی ترموپلاستیک و نانوالیاف سلولز، سوسپانسیونی رقیق از نانوالیاف که بصورت یکنواخت پراکنده شده، به ترکیبی از آب، گلیسرول و نشاسته اضافه شد و با افزایش دما بعد از 30 دقیقه یک محلول کلوییدی حاوی نشاسته ژلاتین شده، نانوالیاف سلولز، آب و گلیسرول بدست آمد. در ادامه بروش ریخته گری مذاب فیلم های نانوکامپوزیت شکل دهی و جهت رسیدن به ابعاد نهایی در دما و فشار مشخص قرار گرفتند. سپس خواص مکانیکی، دینامیکی – مکانیکی، جذب رطوبت و عبوردهی نور نانوکامپوزیت ها مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان می داد که مدول یانگ و استحکام کششی فیلم ها با افزایش درصد نانوالیاف تا 15 درصد وزنی به ترتیب %344 و %61 افزایش داشته است. آزمون دینامیکی – مکانیکی ثابت کرد دمای انتقال شیشه ای فیلم های نانوکامپوزیت با %15 وزنی نانوالیاف سلولز در حدود ?c50 نسبت به فیلم نشاسته ی خالص افزایش داشته است. همچنین آزمون جذب رطوبت نشان داد که پارامترهای جذب رطوبت فیلم ها با افزایش درصد نانوالیاف تا %10 وزنی افزایش قابل توجهی خواهد داشت. و در نهایت تست عبورپذیری نور با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتری اثبات کرد با افزایش درصد نانوالیاف عبوردهی نور فیلمها کاهش قابل توجهی نشان میدهد.

هدف اصلی از این پژوهش، تهیه و مشخصه یابی بیو نانو کامپوزیت بر پایه پلی لاکتیک اسید بازیافتی تقویت شده با نانو الیاف سلولزی باگاس می باشد. ابتدا بمنظور استخراج نانوالیاف سلولزی ازالیاف باگاس از یک روش شیمیایی مکانیکی شامل: عصاره گیری، هیدرولیز، خمیر سازی، سفیدگری، پالاینده و سوپرآسیاب استفاده شده است. مرحله خود هیدرولیز به منظور خروج همی سلولز با استفاده از آب و در یک راکتور در دمای ?c170 با زمان ماند min10انجام پذیرفت. به منظور خروج لیگنین از سدیم هیدروکسید و آنتراکینون با استفاده از همان راکتور مرحله قبل جهت بهینه کردن این مرحله استفاده شد و جهت رسیدن به بیشترین مقدار میکرو الیاف با کیفیت بهتر توسط یک نرم افزار آماری مدل و بهینه گردید. دمای ?c 150، غلظت %5/17 و مدت زمان h1شرایط مرحله بهینه در خمیر سازی بود. در نهایت به منظور بدست آمدن سلولز خالص مرحله رنگبری با استفاده از سدیم کلریت و هیدورژن پروکسید و با تکنیک عنصر کلر محدود شده انجام پذیرفت. در ادامه سوسپانسیونی از این میکروالیاف از پالاینده با 25000 دور چرخش و سوپر آسیاب با 2 بار عبور در rpm1500 عبور داده شد تا ابعاد الیاف به اندازه نانو کاهش یابد. ابعاد و مورفولوژی الیاف در مراحل مختلف عمل آوری توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی بررسی شد. همچنین نتایج بدست آمده از آنالیز ترکیب درصدهای شیمیایی نشان داد که درصد سلولز پس از عمل آوری قلیایی نسبت به مواد خام در حدود %91 افزایش یافته است. همچنین نتایج آنالیز طیف سنجی فوریه (ftir) به طور کیفی این نتایج را اثبات کرد. به منظور بررسی تغییرات مورفولوژی میکروالیاف در طول فرایند های شیمیایی از میکروسکوپ نوری (om) و میکروسکوپ عبوری روبشی (sem) بهره گرفته شد. همچنین نتیجه تصویر میکروسوپ الکترونی عبوری (tem) حاکی از استخراج موفقیت آمیز نانو الیاف با قطر حدود nm 20 بود. همچنین نتایج پراکنش نوری دینامیکی حاکی از آن بود که قطر متوسط خوشه های نانو الیافnm 860 بودند. در مرحله ی بعد بمنظور تهیه ی نانوکامپوزیت، مستربتچی از پلی لاکتیک اسید بازیافتی و نانوالیاف سلولزی باگاس که بصورت یکنواخت پراکنده شده، به مذاب پلیمری اضافه شد. به منظور تهیه مستربتچ با استفاده از حلال استن پلی لاکتیک اسید بازیافتی حل شد و نانو الیاف با استفاده از سانتری فیوژ از محیط آّب به استن منتقل شد. در ادامه به روش قالب گیری مذاب فیلم های نانوکامپوزیت شکل دهی شد. سپس خواص مکانیکی، دینامیکی-مکانیکی و عبوردهی نور نانوکامپوزیت ها مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان می داد که مدول یانگ و استحکام کششی فیلم ها با افزایش نانوالیاف تا 3 درصد وزنی به ترتیب %8/35 و %4/36 افزایش داشته است. آزمون دینامیکی-مکانیکی ثابت کرد دمای انتقال شیشه ای فیلم های نانوکامپوزیت با %3 وزنی نانوالیاف سلولز در حدود ?c1 نسبت به فیلم پلی لا کتیک اسید بازیافتی افزایش داشته است. همچنین آزمون تخریب پذیری نشان داد که مقاومت در برابر تخریب پذیری فیلم ها با افزایش درصد نانوالیاف افزایش قابل توجهی خواهد داشت که بیشترین در %3 وزنی بود. در نهایت تست عبورپذیری نور با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتری اثبات کرد با افزایش درصد نانوالیاف عبوردهی نور فیلمها کاهش قابل توجهی نشان میدهد.

پلی لاکتیک اسید، پلیمری زیست تخریب پذیر است که به دلیل هزینه ی بسیار بالای تهیه آن، کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. از این رو بازیافت این ماده مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. جهت جبران خواص از دست رفته پلی لاکتیک اسید در حین بازیافت، میتوان از الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده در این پلیمرها استفاده نمود. منبع اصلی الیاف سلولز، دیواره سلولی گیاهان چوبی و غیر چوبی میباشد. بنابراین هدف از این پژوهش، تهیه و مشخصه یابی بیو نانو کامپوزیت بر پایه پلی لاکتیک اسید بازیافتی تقویت شده با نانو ویسکر استخراجی از دو منبع ساقه گندم و خاک اره سپیدار میباشد. به همین منظور، روش شیمیایی- مکانیکی جهت استخراج این نانو ویسکرها انتخاب گردید. در ابتدا به منظور متورم شدن دیواره سلولی، این الیاف به مدت 2 ساعت در دمای محیط، در محلول 17/5 درصد هیدروکسید سدیم قرار گرفت. در ادامه، مرحله اولیه رنگبری الیاف توسط پراکسید هیدروژن در دو نوبت انجام شد. شرایط زمانی و دمایی انجام این مرحله نیز برای هر دو لیف توسط نرم افزار طراحی آزمایش، بهینه شد. مرحله هیدرولیز اسیدی، توسط اسید کلریدریک 1 مولار به مدت 30 دقیقه انجام شد. بعد از انجام این مرحله، مراحل عمل آوری قلیایی توسط محلول رقیق هیدروکسید سدیم و رنگبری نهایی توسط کلرات سدیم انجام گردید و فرآیند شیمیایی استخراج با تأیید حذف مواد غیر سلولزی توسط تست آنالیز ترکیب شیمیایی به پایان رسید. نتایج این تست نشان داد که درصد سلولز موجود در ساختار الیاف به ترتیب برای الیاف ساقه گندم و خاک اره سپیدار از 47/6% و 52/6 % به 84/67 % و 82/3 % افزایش یافته است. در مرحله مکانیکی، میکرو الیاف استخراجی از هر دو منبع، به مدت 30 دقیقه در معرض امواج دستگاه مافوق صوت با توان 400 وات قرار گرفتند. به منظور تغییر مقیاس قطر الیاف از میکرو به نانو نیز از آسیاب با دور بالا استفاده شد. بررسی تصاویر sem نشان داد که میانگین قطر نانو ویسکرهای استخراجی از الیاف ساقه گندم و خاک اره سپیدار به ترتیب 23 و 25 نانو متر است. انجام تست ftir بر روی الیاف در مراحل مختلف استخراج نیز گواه از حذف مواد غیر سلولزی از ساختار الیاف بود. در ادامه فیلمهای بیو نانو کامپوزیتی بر پایه پلی لاکتیک اسید بازیافتی و نانو ویسکرهای سلولز با درصدهای مشخص (1، 3 و 5 درصد) به کمک دستگاه های مخلوط کن داخلی و پرس گرم، با ضخامت 3/0 میلیمتر تهیه شد. نتایج تست شاخص جریان مذاب ،کاهش 60 درصدی جریان پذیری فیلمهای تقویت شده با 5 درصد نانو ویسکر از هر دو منبع نسبت به فیلم خالص را نشان داد. با بررسی تست استحکام کششی که بر روی همه نمونه ها انجام شد، مشخص گردید که افزودن 3 درصد از هر دو نانو ویسکر بیشترین تأثیر را در بهبود خواص از بین رفته پلی لاکتیک اسید دارد و همچنین مشخص شد که تأثیر نانو ویسکرهای استخراجی از ساقه گندم در بهبود خواص بیشتر بوده و استحکام کششی فیلم را تا حدود 30 درصد نسبت به فیلم خالص افزایش میدهد. تعیین مدول با استفاده از شیب نمودار تنش- کرنش نیز نشان از افزایش حدوداً 30 درصدی مدول در ساختار فیلمهای تقویت شده با 3 درصد نانو ویسکر بود که باز هم افزایش مدول یانگ فیلمهای تقویت شده با نانو ویسکر ساقه گندم، بیشتر بود. نتایج تست زیست تخریب پذیری نیز نشان داد که با افزایش درصد نانو ویسکرها تا 5 درصد، تخریب نمونه ها در خاک نیز بیشتر میشود. در انتها با بررسی نتایج تمامی تستها، نانو ویسکرهای استخراجی از ساقه گندم به عنوان الیاف موثرتر در بهبود خواص پلی لاکتیک اسید بازیافتی شناخته شد.

استفاده از پلیمرهای زیست تخریب پذیر به جای پلیمرهای مصنوعی در تولید کامپوزیت ها روز به روز در حال گسترش است. نشاسته به عنوان ماده ای ارزان یکی از پرکاربردترین زیست پلیمرها در تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر می باشد ولی معایبی مانند استحکام کششی پایین و وابستگی شدید خواص به رطوبت دارد که برای بهبود این مشکلات نشاسته را توسط راهکارهای متفاوتی از جمله استفاده از پلیمرهای دیگر و یا پرکننده هایی با خواص بهتر می توان اصلاح کرد. پلی وینیل الکل (pva) ماده ای با خواص فیزیکی و ظاهری مناسب بوده و یکی از گزینه های مطلوب می باشد. در این مطالعه هدف تهیه و مشخصه یابی بیونانوکامپوزیت بر پایه نشاسته/پلی وینیل الکل، تقویت شده با نانوالیاف سلولزی استخراج شده از خاک اره می باشد. در این پژوهش در مرحله اول استخراج نانو الیاف سلولزی از خاک اره حاصل از چوب کبوده مورد نظر می باشد. خاک اره حاصل از چوب کبوده به دلیل منبع ارزان و بلااستفاده برای تولید نانو الیاف سلولز انتخاب و نانو الیاف سلولز به روشی شیمیایی- مکانیکی از این ماده استخراج شد. عمل آوری شیمیایی منجر به حذف مواد غیرسلولزی مانند همی سلولز، لیگنین و پکتین می-شود و عمل آوری مکانیکی الیاف را از ابعاد میکرومتر به ابعاد نانومتر تبدیل می کند. ابتدا خاک اره به مدت 6 ساعت به منظور موم زدایی توسط اتانول سوکسوله شد. در ادامه با استفاده از سفیدگری توسط آب اکسیژنه 3% وزنی مقداری از لیگنین غیرقابل حل در آب اکسیژنه حل می گردد. سپس هیدرولیز اسیدی با اسید هیدروکلریک ، عمل آوری قلیایی توسط محلول رقیق هیدروکسید سدیم و رنگ زدایی توسط کلرایت سدیم به ترتیب برای حذف همی سلولز و پکتین، لیگنین قابل حل و لیگنین غیرقابل حل انجام شد. سپس میکروالیاف به دست آمده پس از عمل آوری شیمیایی به آسیاب با دور بالا از هم جدا شده و به نانوالیاف تبدیل شدند. آنالیز ترکیب شیمیایی الیاف در مراحل مختلف به وسیله روش اصلاح شده استاندارد tappi انجام و مشخص شد که میزان سلولز از 9/49% به 1/79% افزایش یافته که نشان دهنده حذف مواد غیرسلولزی با عمل آوری شیمیایی است. توسط مشخصه یابی ftir بر روی الیاف خام اولیه و الیاف عمل آوری شیمیایی شده مشخص گردید که لیگنین و همی سلولز به مقدار مناسبی حذف گردیده و بواسطه افزایش شاخص نظم جانبی از 893/0به 201/1 مشخص گردید که درصد بلورینگی ساختار الیاف افزایش داشته است. تصویر sem نانوالیاف نشان داد که نانوالیاف به دست آمده متوسط قطری برابر با 74 نانومتر دارند. سپس نانوکامپوزیت شامل ترکیب پلی وینیل الکل ونشاسته به عنوان ماتریس، بوراکس به عنوان عامل ایجاد اتصالات عرضی و مقادیر مختلف نانوالیاف سلولز (10-3 درصد ) به عنوان پر کننده و توسط قالبگیری به روش تبخیر حلال آماده شد. در ادامه خواص مکانیکی نانوکامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشانگر افزایش 24 درصدی استحکام کششی در نمونه بهینه با 5% نانوالیاف و تعیین مدول یانگ از شیب نمودار تنش-کرنش افزایش مدول از 12 به 27 مگاپاسکال با افزایش مقدار نانو الیاف را نشان داد. تصاویر sem از نمونه های کامپوزیت نشانگر پراکندگی مناسب نانو الیاف درون ماتریس پلیمری بودند. همچنین توانایی جذب آب در نانوکامپوزیت با افزودن 5% از نانو الیاف از 3/54% به 41% کاهش پیدا کرد که نشانگر کاهش تاثیر رطوبت بر خواص مکانیکی در نانوکامپوزیت است. آزمون میزان انحلال در آب نمونه ها نیز نشان دهنده کاهش 62 درصدی حلالیت نمونه فیلم حاوی 5 درصد نانوالیاف بود. در نهایت آزمون عبور پذیری نور با استفاده از دستگاه اسپکتروفوتومتری اثبات کرد با افزایش درصد نانو الیاف عبوردهی نور فیلمها کاهش می یابد.

این پژوهش برای اولین بار به تصفیه پساب صنایع لبنی در یک پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته پرداخته است و علاوه بر بررسی پارامترهای مربوط به تصفیه، میزان تولید توان الکتریکی در چنین سامانه ای را نیز ارزیابی نموده است. به همین منظور پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای حلقوی ساخته شد و به منظور بررسی امکان استفاده از چنین ساختاری در مقیاس صنعتی آزمایش ها به صورت جریان پیوسته انجام شد. یکی از اهداف این تحقیق بررسی عملکرد زیست لایه آندی است که غنی سازی میکروبی آن در حالت پیوسته انجام پذیرفته است؛ از مقایسه عملکرد زیست لایه آندی حاصل از کشت پیوسته و منقطع، مقاومت و انعطاف پذیری بیشتر زیست لایه آندی حاصل از جریان پیوسته نسبت به جریان منقطع آشکار گردید. در این مطالعه ولتاژ مدار باز سامانه در حالت پایا به 600 میلی ولت رسید و در تمام مدت فرآیند کشت میکروبی ثابت ماند. بیشینه دانسیته توان تولیدی در مقاومت الکتریکی ? 500 مشاهده گردید؛ جریان و دانسیته توان تولیدی در این مقاومت به ترتیب برابر با 57/0 میلی آمپر و 84/1 وات بر متر مکعب می باشند. علاوه بر تولید الکتریسیته این سامانه به خوبی پساب لبنی را تصفیه نموده؛ به گونه ای که بیشینه میزان حذف اکسیژن خواهی شیمیایی 4/95% و حذف کدورت 91% در مقاومت الکتریکی ? 200 رخ داد. بنابراین طبق نتایج این پژوهش می توان گفت مقاومت بهینه تولید توان الکتریکی و مقاومت بهینه تصفیه پساب یکسان نیستند. به منظور تعیین زمان ماند هیدرولیکی بهینه و هم چنین تأثیر زمان ماند هیدرولیکی بر مقاومت بهینه از تکنیکی نوین در بررسی سامانه بهره گرفته شد. برخلاف روند متداول –تغییر مقاومت های اعمالی- با ثابت نگاه داشتن مقاومت الکتریکی اعمال شده، زمان ماند تغییر داده شد. نتیجه این بررسی گواه بر این ادعا است که زمان ماند هیدرولیکی هیچ تأثیری بر مقاومت بهینه تصفیه ندارد و در سه زمان ماند اعمال شده مقاومت الکتریکی بهینه از نقطه نظر تصفیه 200 اهم بود. یکی دیگر از اهداف مهم این پروژه مقایسه نتایج حاصل از جریان پیوسته با جریان منقطع بود. بررسی دقیق نتایج، رخداد فرارفت نوع m در پیل سوختی میکروبی حلقوی با جریان منقطع را نشان می داد. در واقع در سامانه با جریان منقطع به دلیل اینکه تقریباً تمام شرایط مانند غلظت سوبسترای در دسترس میکرواورگانیزم ها، در تمام مدت دچار تغییر می شود و علاوه بر این پس از هر فاز ایستا به دلیل نبود سوبسترا مجبور به تزریق مجدد خوراک به سامانه هستیم و در هر تزریق تطبیق زیست لایه با شرایط قبلی بر هم زده می شود ولتاژ اغراق گونه ای را شاهد خواهیم بود که این همان فرارفت نوع m می باشد. اما جریان پیوسته با توجه به بدون تغییر بودن تمام شرایط نسبت به زمان، قادر است تا از فاز اغراق عبور کرده و به نتایج مطمئن دست یازد. بنابراین یکی از نتایج مهم این پژوهش ادعای ناکارآمدی سامانه منقطع برای پیش بینی عملکرد پیل سوختی و استفاده در محاسبات پلاریزاسیون می باشد. در مورد فرارفت نوع d، با توجه به اینکه میزان حذف cod در مقاومت هایی که سامانه دچار فرارفت شده بود افت شدیدی را از خود نشان می داد؛ علت این نوع فرارفت را در کاهش غلظت سوبسترای در دسترس برای ورود به واکنش اکسیداسیون و تولید الکترون می داند. که این کاهش غلظت به دلیل استفاده از بخش اعظم سوبسترا به منظور تولید سلول های جدید می باشد.در این پژوهش تصفیه پساب صنایع لبنی در یک پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته انجام پذیرفت. به دلیل اینکه پساب صنایع لبنی متشکل از انواع ترکیبات پیچیده می باشد و در نتیجه زیست تجزیه پذیری کمتری نسبت به سایر انواع پساب ها دارد؛ بنابراین تصفیه این پساب تاکنون در یک پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته انجام نپذیرفته است. با توجه به اینکه بهره گیری از جریان پیوسته در کاربردهای صنعتی مناسب تر می باشد و مشکلات کمتری نسبت به جریان منقطع دارد؛ بنابراین برای استفاده از پیل سوختی میکروبی در مقیاس بزرگ، بررسی تصفیه پساب لبنی در یک پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته ضروری به نظر می رسد. این پژوهش برای اولین بار به تصفیه پساب لبنی در یک پیل سوختی میکروبی با جریان پیوسته پرداخته است و علاوه بر بررسی پارامترهای مربوط به تصفیه، میزان تولید توان الکتریکی در چنین سامانه ای را نیز ارزیابی نموده است.

به دلیل مسائل زیست محیطی نشاسته می تواند یک جایگزین مناسب برای تهیه فیلم و فوم باشد. نشاسته از منابع تجدید پذیر به دست می آید، ارزان قیمت است و به فراوانی یافت می شود. متاسفانه نشاسته دارای معایبی می باشد. بسیار آبدوست است، بدون نرم کننده رفتار ترد و شکننده دارد و خواص مکانیکی آن بسیار حساس به مقدار رطوبت است. راهکارهایی برای حل این معایب ارائه شده که از آن جمله می توان به آلیاژنشاسته با پلیمر های زیست تخریب پذیر مناسب و یا افزودن نانو الیاف به نشاسته اشاره کرد. مساحت سطح ویژه و نسبت طول به قطر زیاد همراه با استحکام و انعطاف پذیری بالا جزء خواص نانو الیاف های سلولزی هستند. در این پژوهش ابتدا نانو الیاف سلولزی از ساقه گندم استخراج شد و به عنوان ماده تقویت کننده در تولید فوم نشاسته به کار برده شد. از ترکیب روش شیمیایی و مکانیکی برای استخراج نانو الیاف سلولزی استفاده شده است. مرحله شیمیایی به منظور حذف لیگنین و همی سلولز به کار برده شد. فرایند مکانیکی بکار رفته برای جداسازی فیبریل ها به کمک دستگاه گریندر انجام شد. در طی این فرایند جداسازی الیاف سلولزی به وسیله عبور محلول سلولز از میان دو سنگ آسیاب ثابت و متحرک انجام می شود. دور دستگاه تقریبا rpm 1500 و تنش برشی به محور طولی الیاف وارد می گردید. از روش خشک کردن انجمادی برای تهیه فوم استفاده شده است. ابتدا مخلوطی از نشاسته در آب تهیه و درصدهای مختلفی از نانو الیاف (0،10،20،30) به همراه 3% گلیسرول به عنوان نرم کننده به مخلوط اضافه شد. به منظور تهیه ژل نشاسته مخلوط در دمای ?c 90 به مدت 30 دقیقه توسط همزن مکانیکی هم زده شد. به منظور تکمیل فرایند ژلاسیون مخلوط درون پتری دیش ریخته شده و به مدت 24 ساعت در دمای ?c 4 قرار گرفت. این ژل در دمای ?c 80– منجمد شده و به مدت 48 ساعت درون خشک کن انجمادی قرار گرفت. به منظور تعیین ترکیب درصد شیمیایی اجزا الیاف (سلولز، همی سلولز و لیگنین) از آزمون nrel/tp - 510-42618 استفاده شده است. نتایج این آزمون نشان داد که میزان سلولز پس از عمل آوری شیمیایی از 40% به 90% افزایش داشته است. تغییرات مورفولوژی الیاف در طی مراحل شیمیایی انجام شده بر روی آن توسط میکروسکوپ نوری نشان از کاهش قطر الیاف بود. توزیع قطر الیاف ازتصاویر sem و tem در حدود nm 90-70 بدست آمد. پیک های مشاهده شده در طیف سنجی ftir کاهش میزان لیگنین و همی سلولز را تایید کرد. افزودن نانو الیاف منجر به تکمیل دیواره سلولی و کاهش قطر سلول ها و یکنواختی در اندازه سلول ها شد. افزودن نانو الیاف تا 20% وزنی سبب افزایش مدول و استحکام فشاری کامپوزیت های فومی شد. جذب آب و ضریب نفوذ فوم ها با افزایش نانو الیاف سلولزی کاهش یافت.

این پژوهش به بررسی تصفیه و تولید توان از پساب نفتی پالایشگاه اصفهان با استفاده از پیل سوختی میکروبی تک محفظه-ای می¬پردازد. پساب¬های نفتی شامل هیدروکربن¬های محلول در آب مانند تولوئن، بنزن، فنول و آلکان¬های شاخه دار است. این ترکیب¬های سخت تجزیه پذیر برای محیط زیست خطرناک و مضر هستند. تصفیه بیولوژیکی هوازی و بی¬هوازی به عنوان روش-های معمول در تصفیه به کار گرفته می¬شوند. در این پژوهش از یک پیل سوختی میکروبی تک محفظه¬ای حلقوی به صورت ناپیوسته استفاده شد. بدنه پیل سوختی میکروبی از جنس پلکسی گلاس ساخته شد. حجم کل محفظه پیل سوختی حدود 90 سانتیمتر مکعب بود. پیل سوختی میکروبی تک محفظه¬ای حلقوی از یک استوانه به ارتفاعcm 3 ، قطر داخلیcm 1/7 و قطر خارجی cm 9 ساخته شده است. آند پیل سوختی از جنس استیل ضد زنگ با مش400 و به اندازه cm 57 × cm 2 انتخاب شد و برای افزایش رسانایی، آند با رنگ¬های گرافیتی و مسی پوشش دهی شد. از پارچه¬ کربنی (cm 5/11×cm 3) برای ساخت کاتد استفاده شد. از کربن پلاتین 40% برای ساخت کاتالیست و از محلول نفیون 5% به عنوان غشای تبادل یون استفاده شد. بعد از پوشش دهی آند با رنگ های گرافیتی و مسی، آند به¬صورت حلقوی به دور کاتد پیچانده شد. از لجن بی هوازی تصفیه خانه فاضلاب شمال اصفهان و آب نهر کشاورزی به عنوان منابع میکروارگانیسم استفاده شد. این لجن¬ها به مدت 95 روز با مواد ویتامینه و مواد معدنی و پساب نفتی که تأمین کننده منابع معدنی و آلی میکروارگانیسم¬ها هستند، خوراک دهی شد. پساب نفتی دارای اکسیژن خواهی شیمیایی حدود 6000 میلی¬گرم بر لیتر بود که برای کاهش زمان مرحله تأخیر فاز در تشکیل زیست لایه، پساب نفتی بعد از رقیق سازی به اکسیژن¬خواهی شیمیایی 1290 میلی¬گرم بر لیتر رسید. فاصله مناسب بین الکترودهای آند و کاتد حدود 8/0 سانتیمتر و مقدار ph مناسب برای میکروارگانیسم¬ها بین 5/6 تا 8 انتخاب شد، که با استفاده از تست ولتاژ مدار باز به دست آمد. بیشینه ولتاژ مدارباز برای آند گرافیتی 767 میلی¬ولت و برای آند مسی 572 میلی¬ولت به¬دست آمد. در این مطالعه بیشینه چگالی توان برای آند گرافیتی وآند مسی به ترتیب 5/7 و 4 وات بر متر مکعب به دست آمد. همچنین بیشینه شدت جریان برای پیل سوختی میکروبی با آند گرافیتی و مسی به ترتیب 6/2 و 54/1 میلی¬آمپر در مقاومت 100 اهم به¬دست آمد. عملکرد پیل سوختی میکروبی به عنوان مولد برق بر مبنای رفتار پلاریزاسیون و پتانسیل های پیل نشان داده شده است. مقاومت درونی پیل سوختی میکروبی با آند گرافیتی حدود 100 اهم و برای آند مسی حدود 200 اهم بود. با بررسی کاهش اکسیژن¬خواهی شیمیایی و بیوشیمیایی مورد نیاز مشخص گردید که برای آند با پوشش گرافیتی بعد از 72 ساعت اکسیژن¬خواهی شیمیایی حدود 7/91% و اکسیژن¬خواهی بیوشیمیایی پنج روزه حدود 90% کاهش پیدا کرده است، همچنین برای آند با پوشش مسی پس از 72 ساعت مقدار اکسیژن¬خواهی شیمیایی 3/83% و اکسیژن خواهی بیوشیمیایی پنج روزه حدود 6/82% کاهش پیدا کرد. بازدهی کلومبیک برای آند گرافیتی حدود 71/29% بود.

امروزه بیشترین تحقیقات در زمینه مواد زیست سازگار و زیست تخریب پذیر، جایگزین مواد سنتزی و فسیلی مخرب محیط زیست، انجام می شود. دومین پلیمر طبیعی از نظر فراوانی کیتین است. در این پژوهش سعی شده است که با افزودن نانو الیاف سلولزی خواص این پلیمر تقویت شود و خواص کامپوزیت های حاصله برای کاربردهای پزشکی و بهداشتی بررسی و مطالعه گردد. بدین منظور نانو الیاف سلولزی از تفاله (باگاس) نیشکر که ارزش اقتصادی چندانی ندارد، استخراج شده است. استخراج الیاف سلولزی شامل مراحلی به منظور حذف مواد غیرسلولزی همچون لیگنین، همی سلولز و استخراجی ها از الیاف خام می باشد. پس از جدا سازی الیاف سلولزی یک مرحله مکانیکی برای تولید نانو الیاف سلولزی به کار گرفته شد. در طول فرآیند استخراج ابتدا الیاف بوسیله آب دیونیزه، و بدون هیچ ماده شیمیایی هیدرولیز می شود که این مرحله سبب حذف همی سلولز و استخراجی ها می شود. مرحله خمیرسازی نیز با کمترین سطح انرژی و مواد شیمیایی با 17/5% سدیم هیدروکسید و آنتراکینون انجام شده است. به منظور کاهش مصرف مواد شیمیایی مرحله سفیدگری سبز، با ازن طراحی و شرایط آن بهینه سازی شد. با به کار گیری امواج مافوق صوت نانو الیاف سلولزی تهیه شد. در انتها ماده حاصل حاوی 93% سلولز و حدودا عاری از لیگنین می باشد که این امر باعث صرفه جویی انرژی در تولید نانو الیاف سلولزی و همچنین کاهش قطر نانو الیاف می شود. از نتایج طیف سنجی الیاف مشخص گردید که میزان بلورینگی الیاف از 0/89% به 1/26%رسیده است. قطر نانو الیاف با بررسی تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی 120-40 نانومتر محاسبه شد. بدلیل استفاده نکردن از هیچ اسیدی در مراحل استخراج طول الیاف نیز نسبتا بلندتر است که باعث انعطاف پذیری و تورم بیشتر در هیدروژل می گردد. یکی ازمهمترین مشتقات کیتوزان، کربوکسی متیل کیتوزان است که قابلیت انحلال در آب را داراست. در این پژوهش از کربوکسی متیل کیتوزان به عنوان زمینه نانوکامپوزیت استفاده شد. به منظور تهیه نانوکامپوزیت محلول 1% وزنی کربوکسی متیل کیتوزان تهیه شد و این محلول بخوبی با درصدهای 5، 7، 10% نانوالیاف سلولزی مخلوط شد. از گلوتارآلدهید به عنوان عامل شبکه ای کننده کربوکسی متیل کیتوزان استفاده شد. ژل تهیه شده با نیتروژن مایع منجمد گردید و سپس به روش خشک کردن در حالت انجماد، سوپرجاذب پلیمری تهیه و مشخصه یابی شد. چون نانو الیاف سلولزی حاوی گروه های هیدروکسیل است باعث بهبود عکس العمل هیدروژل نسبت به ph شده است وحدود 53% بهبود تورم مشاهده شد. حداکثر جذب آب این هیدروژل در دمای محیط با 5% نانوالیاف سلولزی 256 گرم به ازای یک گرم هیدروژل خشک بود. میزان تورم نیز در نمک های مختلف با افزودن 10% نانوالیاف باگاس حدود46 % بهبود یافته است. این امر باعث مناسب تر شدن کاربرد ،کربوکسی متیل کیتوزان به جای پلی (اکریلیک اسید) در کاربرد های بهداشتی می شود واز این ماده به عنوان جایگزین می توان استفاده نمود. بوسیله تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز مورفولوژی کامپوزیت بررسی شد و تغییر مورفولوژی با افزودن نانوالیاف مشاهده شد. افزودن نانو الیاف سلولزی بدلیل گروه های آبدوست و سطح مقطع بالای نانو الیاف سرعت و مقدار نفوذ مایعات را افزایش داده است. با افزایش توان نفوذ و تخلخل ژل به ترتیب از 0/41و 0/191 به 0/54 و 0/218 سرعت نفوذ افزایش یافته است و مقدار جذب آب از 165 به 265 گرم به ازای هر گرم سوپرجاذب خشک رسده است. این مشخصه یابی نشان داد که این ماده هوشمند برای کاربردهای تخصصی و تکنولوژیکی مناسب است.

امروزه کامپوزیت های پلیمری در زمینه های مختلف کاربردهای زیادی دارند. ولی متأسفانه در طبیعت به راحتی تجزیه نمی شوند و ضایعات جامد زیادی برجای می گذارند که سبب آلودگی محیط زیست می شود. به همین دلیل محققان بر تولید کامپوزیت های زیست تخریب پذیر با الیاف طبیعی تمرکز کرده اند. الیاف طبیعی ویژگی های منحصر به فردی همچون فراوانی ، زیست تخریب پذیر بودن ، وزن و قیمت کم ، صرف انرژی کمتر برای تولید و بازیافت آسان در مقایسه با الیاف مصنوعی دارند. نانوالیاف سلولزی از منابع مختلفی همچون ساقه گندم ، سبوس برنج ، نیشکر و غیره تولید می شوند. فیلم های تهیه شده از نانوالیاف سلولزی به دلیل ویژگی هایی مثل پایداری ساختاری ، استحکام و سفتی بالا، شفافیت در زمینه هایی مثل تهیه بیو کامپوزیت ها ، فیلم های بسته بندی و غیره کاربرد دارند.در این پروژه به دلیل فراوانی ذرت در ایران و عدم استفاده بهینه از ضایعات بر جای مانده از آن ، نانوالیاف سلولز از ساقه ذرت به روش شیمیایی – مکانیکی استخراج گردید. ابتدا ساقه های ذرت خردشده و پس از خارج کردن مغز های موجود در وسط آن در محلول 17/5% هیدروکسید سدیم خیسانده شدند تا علاوه بر موم زدایی ، الیاف متورم گردند و سلولز بیشتر در دسترس قرار گیرد. در مرحله بعد الیاف با محلول 2 مولار اسید کلریدریک در دمای بالا به مدت 2 ساعت تحت هیدرولیز اسیدی قرار گرفتند تا همی سلولز و پکتین از ساختار الیاف حذف گردند. در مرحله بعد ، عمل آوری قلیایی الیاف با استفاده از محلول 2% وزنی هیدروکسید سدیم انجام گرفت و لیگنین قابل حل و باقیمانده همی سلولز و پکتین حذف گردید. رنگ زدایی الیاف به وسیله محلول سدیم کلرایت در محیط اسیدی ، جهت حذف لیگنین غیر قابل حل انجام گرفت. پس از این مرحله قطر الیاف به حدود میکرومتر رسید. برای تهیه نانوالیاف ابتدا از روش مکانیکی اولتراسونیک با توان 400 وات استفاده شد که موثر نبود و قطر الیاف در همان محدوده میکرومتر باقی ماند. به همین دلیل از روش مکانیکی آسیاب با دور بالا جهت تهیه نانوالیاف سلولز استفاده گردید. تصاویر fe-sem گرفته شده از نانوالیاف نشان داد که متوسط قطر نانوالیاف به حدود 21/47نانومتر رسید. آنالیز ترکیب شیمیایی الیاف با استفاده از استاندارد nrel انجام شد و مشخص شد که میزان سلولز از33/38 % در الیاف خام به 86/24 % در الیاف رنگ زدایی شده رسید ه است. نتایج تست ftir نیز حذف مواد غیر سلولزی از ساختار الیاف توسط مرحله شیمیایی را تأیید کرد و همچنین مشخص شد که شاخص بلورینگی الیاف از 1/442 در الیاف خام ساقه ذرت به 1/564در الیاف رنگ زدایی شده رسید که نشان دهنده حذف همی سلولز آمورف از ساختار الیاف است. در مرحله بعد با استفاده از روش ریخته گری محلولی فیلمی با ضخامت 25-20 میکرومتر از سوسپانسیون 1% وزنی نانوالیاف تهیه شد. نتایج تست کشش انجام شده بر روی فیلم نانوالیاف سلولز نشان داد که این فیلم مقاومت کششی حدود 65/86 مگاپاسکال و مدول کششی حدود 10/6 گیگاپاسکال دارد. از این فیلم ها برای تقویت کامپوزیت لایه ای بر پایه رزین اپوکسی استفاده گردید. کامپوزیت با یک لایه فیلم نانوالیاف تقویت شد و خواص کششی آن با کامپوزیت تقویت شده با لایه میکروالیاف سلولز و لایه الیاف شیشه مقایسه گردید. نتایج نشان داد که افزودن فیلم نانوالیاف به صورت یک لایه سبب افزایش در مقاومت کششی کامپوزیت به میزان 63% نسبت به کامپوزیت اپوکسی گشته است. همچنین درصد ازدیاد طول در نقطه شکست کامپوزیت به میزان 113% افزایش یافته است و مدول کامپوزیت تقویت شده با یک لایه فیلم نانو به میزان 5% افزایش یافته است. لایه میکروالیاف سلولز 29/65% مقاومت کششی،50/54% درصد ازدیاد طول و 5% مدول کامپوزیت اپوکسی را افزایش داد. همچنین فیلم نانوالیاف مقاومت ضربه ای کامپوزیت اپوکسی را حدود 27/4% افزایش داد.

در سال های اخیر به دلیل مشکلات زیست محیطی و تجدیدناپذیری منابع نفتی، در بسیاری از کاربردها پلیمرهای طبیعی جایگزین پلیمرهای مصنوعی شده اند. از بین خانواده عظیم پلیمرهای طبیعی نشاسته به دلیل فراوانی، زیست تخریب پذیری و زیست سازگاری در زمینه های مختلف ازجمله در صنایع بسته بندی مواد غذایی کاربرد دارد.کیتین یکی از متداول ترین پلیمرهای زیستی است که در تهیه نانوکامپوزیت ها به عنوان عامل تقویت کننده و پرکننده استفاده می شود. در این پژوهش هدف استخراج و مشخصه یابی نانوالیاف کیتین از قارچ موکور ایندیکوس و بررسی اثر افزودن آن در بیوکامپوزیت های بر پایه نشاسته می باشد.