30940

بهينه¬سازي عملكرد پيل سوختي ميكروبي براي تصفيه فاضلاب خانگي با فعال ¬سازي شيميايي الكترود كاتد و تغييرات pH

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران- مهندسي محيط‌ زيست

1399

1402/9/19

مجيد حسين زاده

عباس اكبرزاده

مهندسي عمران

پيل¬هاي سوختي ميكروبي يك رويكرد پيشگامانه براي تصفيه فاضلاب و توليد انرژي ارائه مي¬دهند. اين دستگاه‌ها از فعاليت‌هاي متابوليكي ميكروارگانيسم‌ها براي تجزيه مواد آلي موجود در فاضلاب و هم¬زمان توليد برق استفاده مي‌كنند. اين فناوري نوآورانه نه تنها بهره¬وري تصفيه فاضلاب را افزايش مي¬دهد، بلكه منبع پايدار انرژي پاك را نيز فراهم مي¬كند، پايداري محيط¬زيست را ارتقا مي¬دهد و ردپاي كربن را كاهش مي¬دهد. در نتيجه استفاده از اين تكنولوژي مي¬تواند راه حلي پايدار نسبت به ساير روش¬هاي تصفيه سنتي باشد. به‌دليل سمي بودن و گران¬بها بودن كاتاليست¬هاي مورد استفاده در پيل سوختي ميكروبي (به طور معمول پلاتين) و قلمداد شدن اين پارامتر به ‌عنوان يكي از عوامل مهم محدودكننده استفاده از پيل¬هاي سوختي در مقياس بزرگ، در اين مطالعه با به كارگيري از پيل سوختي ميكروبي دو محفظه¬اي با استفاده از فعال¬سازي شيميايي الكترود كاتد به كمك غوطه‌ور كردن الكترود كاتد در فسفريك اسيد به جاي استفاده از كاتاليست امكان توليد انرژي الكتريكي به صورت مستقيم از فاضلاب شهري مورد بررسي قرار گرفت. با استفاده از روش پاسخ سطح به مدل¬سازي و بهينه¬سازي عملكرد پيل سوختي ميكروبي از نظر دانسيته توان خروجي با در نظر گرفتن پارامترهاي pH آند در بازه 6 تا 9 و pH كاتد در بازه 2 تا 9 به عنوان عوامل تأثيرگذار بر دانسيته توان خروجي پرداخته شد. به‌ منظور بررسي اعتبارسنجي مدل¬هاي انتخاب شده براي پيش‌بيني دانسيته توان خروجي، سه آزمايش ديگر انجام شد تا به كمك تعيين يك تابع هزينه (مجموع خطا مطلق -SAE) دقت مدل‌ها برآورد شده و مدل دقيق‌تر به منظور مدل¬سازي و بهينه‌سازي انتخاب شود. هم¬چنين با توجه به اهيمت بالاي محاسبه پارامترهاي سينتيكي به جهت بزرگ مقياس كردن سيستم-هاي تصفيه فاضلاب، اين پارامترها (Ks و n و E براي سينتيك مرتبه دو و k براي سينتيك مرتبه يك) محاسبه شدند. نتايج حاصل از تحقيق نشان داد كه شرايط بهينه براي دانسيته توان توليدي براي pH آنوليت 9 و براي pH كاتوليت 2 بوده كه در اين شرايط دانسيته توان خروجي مدلmW/m2 81/95 بوده كه در شرايط آزمايشگاهي دانسيته توان خروجيmW/m2 54/102 است. هم¬چنين پس از انجام آزمايشات تاثير pH آند به صورت مستقيم و خطي، pH كاتد به صورت معكوس و شبه لگاريتمي تعيين شد در حالي كه تفاوت pH آنوليت و كاتوليت نيز به عنوان پارامتري تأثيرگذار در نظر گرفته شد كه تأثير مستقيم بر عملكرد پيل سوختي دارد. نتايج حاصل از بررسي مدل¬هاي سينتيكي نشان داد كه سينتيك حذف COD در اين سيستم از مرتبه دو پيروي كرده و در همين راستا پارامترهاي n، E و ks به ترتيب 6297/0 و 7386/1 و 0016/0 L2/gVSS.gCOD/h تعيين شد.

1403/03/19

Optimization of microbial fuel cell performance for domestic wastewater treatment by chemical activation of cathode electrode and pH changes

12/9/2024 12:00:00 AM

Microbial fuel cells offer a pioneering approach to wastewater treatment and energy production. These cells utilize the metabolic activities of microorganisms to decompose organic substances in wastewater while simultaneously generating electricity. This innovative technology not only increases the efficiency of wastewater treatment, but also provides a sustainable source of clean energy, promotes environmental sustainability and reduces the carbon footprint. Consequently, using this technology can be a sustainable solution compared to other traditional treatment methods. Due to the toxicity and expensiveness of the catalysts used in the microbial fuel cell (usually platinum) and considering this parameter as one of the important factors limiting the use of fuel cells on a large scale, Therefore, in this study, a two-chamber microbial fuel cell utilizing chemical activation of the cathode electrode instead of a catalyst was employed to investigate the possibility of producing electrical energy directly from municipal wastewater The Response Surface Method was utilized to model and optimize the MFC performance in terms of power density output, considering anode pH within the range of 6-9 and cathode pH within the range of 2-9 as influencing parameters on power density output. In order to deliberate the validity of the selected models for predicting the output power density, three more tests were conducted to determine a error (cumulative absolute error - SAE). Due to the high importance of kinetic calculation in order to scale up the selection systems, these parameters (Ks, n and E for the second order and k for the first order kinetics) were calculated as well. The experimental results revealed that the optimal condition for achieving the highest power density output, corresponding to 95.81 mW/m2, was with an anolyte pH of 9 and catholyte pH of 2 whereas the real output achived in the laboratory was 102.54mW/m2. After conudcting tests, it was concluded that anolyte pH has a direct and linear impact, while catholyte pH has an inversely semi-logarithmic impact.; the difference between anolyte and catholye pH was considered to be as a influental parameter which can effect directly on power density output. The results of the kinetic model analysis indicated that COD removal operates based on second-order kinetics. Accordingly, the parameters n, E, and Ks were determined to be 0.6297, 1.7386, and 0.0016 L2/gvss.gCOD/h, respectively.

پيل سوختي ميكروبي , تصفيه فاضلاب

microbial fuel cell , wastewater treatment

Hossein Gol

Dr. Majid Hosseinzade