چكیده

1

مقدمه

2

فصل اول : درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی

3

1-1)          مفاهیم

4

1-2)          مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها

7

1-3)          میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند

8

1-4)         پیکربندی پیل های سوختی میکروبی

12

1-4-1)                اجزای MFC

12

1-4-2)                سیستمهای MFC دو جزئی

13

1-4-3)                سیستمهای MFC تک جزئی

16

1-4-4)      سیستمهای MFC نوع Up-flow

19

1-4-5)      پیل سوختی میکروبی انباشته (stacked)

21

1-5)         عملکرد MFC ها

22

1-5-1) عملکرد ایده آل

22

1-5-2) بازدهی واقعی MFC

24

1-5-3) تاثیر شرایط عملیاتی

26

1-5-4) تاثیر جنس الکترودها

27

1-5-5) بافر pH و الکترولیت

29

1-5-6) سیستم مبادله پروتون

30

1-5-7) شرایط عملیاتی در محفظه آند

31

1-5-8) شرایط عملیاتی در محفظه کاتد

32

1-6)          کاربردها

34

1-6-1) تولید الکتریسیته

34

1-6-2) بیوهیدروژن (Biohydrogen)

36

1-6-3) تصفیه فاضلاب

37

1-6-4) سنسورهای بیولوژیکی (Biosensors)

38

1-7)         چشم انداز MFC ها

39

فصل دوم : مباحث فنی پیل های سوختی

41

°      2-1) ولتاژ پیل و پتانسیل الکترود ها

42

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

44

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

46

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

48

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

50

°      2-6) محاسبه پتانسیل های تعادلی الکترود

51

°      2-7) الکترود هیدروژن

52

°      2-8) الکترودهای فلز/نمک نامحلول/یون

54

°      2-9) الکترود کالومل

56

°      2-10) الکترود نقره/کلرید نقره

57

°      2-11) الکترود جیوه-سولفات جیوه

59

°      2-12) پتانسیل الکترود های استاندارد

60

°      2-13) غلظت و فعالیت

62

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

63

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

65

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

66

فصل سوم : مدلسازی ریاضی پیل سوختی میکروبیوژیکی

68

3-1) ساختار کلی MFC مورد نظر برای مدلسازی

69

3-2) توسعه مدل

69

3-3) سرعت واکنش ها

71

3-4) حل مسئله

78

3-5) محاسبه پارامترها

78

3-6) بحث و نتیجه گیری

83

فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات

84

منابع و ماخذ

86

فهرست منابع فارسی

86

فهرست منابع لاتین

87

سایت های اطلاع رسانی

97

چكیده انگلیسی

98

1-1: میکروب ها و سوبسترا هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند

9

1-2: اجزای اساسی تشکیل دهنده پیل سوختی میکروبی

13

1-3: واکنش هایی که در سطح الکترودها رخ می دهند و پتانسیل احیاء آن ها

24

2-1: پتانسیل الکترودهای استاندارد

61

1-1: نمای شماتیک یک پیل سوختی میکروبی

5

1-2: انتقال الکترون در ماتریس میان سلولی به آند

10

1-3: فرآیندهای بنیادی که در فرآیند انتقال الکترون ها به آند نقش دارند

11

1-4: شماتیک پنج نمونه MFC دو محفظه ای

14

1-5: شماتیک پیل ساخته شده توسط Min و Logan در سال 2004

16

1-6: شماتیک نمونه های دیگری از پیل سوختی میکروبی

17

1-7: شماتیک پیل سوختی ساخته شده توسط Liu و همکارانش در سال 2004

19

1-8: شماتیک دو نمونه پیل سوختی میکروبی از نوع Upflow

20

1-9: شماتیک یک نمونه MFC انباشته

21

2-1: تصویر شماتیک یک پیل الکتروشیمیایی

43

2-2: اختلاف پتانسیل تماس بین دو هادی غیر همجنس؛ E_F سطح

44

2-3: سیستم اکسایش/کاهش Fe³⁺/Fe²⁺

49

2-4: نمای شماتیک الکترود هیدروژن

53

2-5: نمای شماتیک الکترود کالومل اشباع (SCE)

57

2-6: الکترود نقره-کلرید نقره

58

2-7: پتانسیل الکترودهای مرجع در °C25

60

2-8: پتانسیل استاندارد نسبی، E^°، الکترود Cu/Cu²⁺

61

2-9: یک الکترود با پتانسیل کمتر همواره یون های الکترود دیگر با پتانسیل بیشتر را احیاء خواهد کرد

62

2-10: منحنی تغییر ضریب فعالیت γ_± با √mol/L در دمای °C25

64

2-11: منحنی مقایسه ضرایب فعالیت تجربی با مقادیر تئوری با استفاده از تصحیح هیدراسیون

67

3-1: نمای شماتیک محفظه آند و لایه کرزی مبادله جرم

70

3-2: تغییرات غلظت سوبسترا و ماده واسط در شرایط استاندارد

79

3-3: تغییرات شدت جریان با زمان

79

3-4: تغییرات مقدار بار تولید شده با زمان

79

3-5: منحنی مدل سازی شده شدت جریان با زمان در شرایط ایده آل Y_Q=1 و شرایط تجربی Y_Q=0.337

80

3-6: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل Y_Q=1 و شرایط تجربی Y_Q=0.337

81

3-7: منحنی مدل سازی شده ولتاژ با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i_0,ref=0.01 A/m² و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم L_L=100m

82

3-8: منحنی مدل سازی شده توان تولید شده با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i_0,ref=0.01 A/m² و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم L_L=100m

82