بررسی آزمایشگاهی پارامترهای موثر بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تک محفظه ای به منظور تصفیه پساب لبنی در ساختار حلقوی

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.