چکیده

پیل های سوختی میکروبی یکی از فناوری‌های نوپا در زمینه بازیابی انرژی موجود. در پساب‌ها و تصفیه هم‌زمان آن‌هاست که در سال‌های اخیر توجه زیادی را به سوی خود جلب نموده است. در پژوهش پیش رو مدلی بر اساس هدایت مستقیم الکترون‌ها. در بیوفیلم ارائه و نتایج شبیه سازی آن با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. مدل حاضر قادر است نتایج آزمایشگاهی را با دقت مناسبی پیش‌گویی 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 وسیع‌تری در پی داشت. بر طبق دو مورد اخیر بیشینه چگالی جریان قابل دست‌یابی از جامعه میکروبی خالص ژئوباکترسولفورریداسنز. و با سوبسترای استات .2/42. آمپر بر متر‌مربع پیش‌گویی شد.

در جریان منقطع سوبسترا در آند.، پس از پایدار شدن جامعه میکروبی.، الگوی جریان ثابت و بیشینه آن برابر با .3/12. میلی‌آمپر 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 لوله‌ای شکل.، کاهش قطر و افزایش طول.، از لحاظ چگالی جریان تولیدی و بازده تصفیه شرایط مناسب‌تری را ایجاد می‌نماید. 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 مقاومت‌های انتقال جرم می‌باشد. 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 مقاومت‌های 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 .64/76%. افزایش یافته است. این میزان افزایش سطح از طریق آزمایشگاهی قابل اندازه‌گیری نیست.

همچنین مطالعه منحنی پلاریزاسیون این سامانه نشان داد که مقاومت‌های 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. رفتار پیل مذکور با وجود غلظت ثابت .1 میلی گرمِ اکسیژن خواهی شیمیایی بر سانتیمتر مکعب و در بار الکتریکی خارجی ثابت .50 اهم مورد بررسی قرار گرفت. این مسئله روشن ساخت که تحت شرایط موجود.، بخش اعظم مقاومت انتقال جرم موجود.، ناشی از وجود فیلم غلظتی با ضخامت .187 میکرون در مجاورت بیوفیلم است.

ضخامت بیوفیلم تشکیل شده نیز به علت صرف‌نظر نمودن از پدیده جدایش در تخمین پارامترها.، پیوسته رشد نمود و به مقدار پایدار و نهایی نرسید. این امر باعث شد که چگالی جریان تولیدی در ابتدا و در روز بیستم پایدار شده . ولی پس از آن به علت افزایش مداوم مقاومت انتقال جرم داخلی شروع. به کاهش نماید.