ساخت پیل سوخت میکروبی

استفاده از انرژی های نو به عنوان جایگزین سوخت های فسیلی به دلیل افزایش قیمت و آلودگی های زیست محیطی حاصل از احتراق آن ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. امروزه تولید انرژی از مواد کم ارزش و زائد مانند پسماندها، زباله ها و پساب ها بسیار قابل توجه می باشد. میکروارگانیسم ها ضمن تامین انرژی مورد نیاز جهت تصفیه ی پساب های صنعتی، کشاورزی، خانگی، نقش بسزایی در مقابله با آلودگی های زیست محیطی ایفا می کنند.
انتخاب انرژی های نو و جایگزین مناسب برای انرژی های فسیلی از جمله مباحثی می باشد که اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته است. وجود انواع مختلفی از میکروارگانیسم ها که هرکدام قادر به انجام فرآیندی خاص می باشند علم بیوتکنولوژی را قادر به حضور در تمامی زمینه ها و شاخه های علمی نموده است و با پی بردن محققین این رشته به وجود میکروارگانیسم هایی که قادرند در پی انجام واکنشهای متابولیکی خود الکترون آزاد نمایند گامهای مؤثری در توسعه پیل سوختی میکروبی گرفته شده است. پیل سوختی میکروبی دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی موجود در مواد آلی و غیرآلی را با به کارگیری میکروارگانیسم به عنوان بیوکاتالیست (Biocatalyst)، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
بررسی تولید الکتریسیته در پیل سوختی میکروبی با به کارگیری فاضلاب به عنوان یک منبع میکروبی رایگان گامی مؤثر در جهت توسعه کاربرد های عملی پیل سوختی میکروبی گرفته شود.

پیل سوختی چیست؟
سیستم پیل سوختی میکروبی معمولاً شامل دو محفظه کاتدی و آندی می باشد که توسط غشای مخصوص تبادلگر پروتون از هم جدا شده اند. در بدنه آندی، سوخت توسط میکروارگانیسم‌ها اکسید شده، تولید الکترون و پروتون می‌نماید. الکترونهای تولیدی از طریق یک مدار خارجی و پروتونها از میان غشاء به بدنه کاتدی منتقل می‌شوند. الکترونها و پروتون ها در بدنه کاتدی با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می نمایند.
یک پیل سوختی میکروبی به ‌طور معمول از دو محفظه تشکیل شده‌است. محفظه آند بی هوازی و محفظه کاتد هوازی می‌باشد این دو محفظه توسط یک غشا از یک دیگر جدا می‌شوند.
بایوکاتالیست فعال(همان منبع میکروبی که شما انتخاب می کنید!) به سمت آند پیل اظافه و توان الکتریکی تولید شده به وسیله آن مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا سیستم در حالت ولتاژ مدار باز قرار گرفت.
وجود اکسیژن درمحفظه آند، تولید الکتریسیته را محدود خواهد کرد. از این ‌رو، سیستم باید به گونه‌ای طراحی شود که باکتری‌ها دور از اکسیژن نگه ‌داشته ‌شوند(ایجاد شرایط خلاء). درحقیقت غشا، کار جداسازی باکتری‌ها از اکسیژن را انجام می‌دهد. این غشا کاتیونی بوده و نسبت به پروتون خاصیت نفوذپذیری انتخابی دارد (1). کامل کننده مدار و اتصال دهنده دو محفظه یک پل نمکی یا غشاء تبادل یون می‌باشد
در کاتد هوای تزریق شده، اکسیژن محلول برای واکنش را فراهم می‌سازد. (محلول درنظر گرفته شده برای محفظه کاتد آب نمک غلیظ شده می باشد.)

تعاریف :
کاتیون: بیشتر کاتیون ها، یون های تک اتمی‌اند که توسط فلزات بوجود می‌آیند. اگر فلز تنها یک نوع کاتیون ایجاد کند، نام یون، همانند فلز مربوط است. +Na یون سدیم است. یعنی فلز سدیمی که ابتدا بصورت گازی در آمده است و از سدیم یک الکترون با اعمال انرژی یونش گرفته شده است، 2+Mg یون منیزیم است 3+Al، یون آلومینیوم است.
برخی از فلزات بیش از یک نوع کاتیون بوجود می‌آورند. در اینگونه موارد، با نشان دادن تعداد بار کاتیون ها در نامشان آنها را متمایز می‌کنیم. بار این نوع کاتیون ها بصورت ارقام لاتین بعد از نام فارسی عنصر قرار داده می‌شود +Cu ، یون مس (I) و 2+Cu ، یون مس (II) است.
آنیون : آنیون های تک‌ اتمی از اتم فلزات به وجود می‌آیند. نام آنها از طریق حذف بخش آخر نام عنصر و افزودن پسوند "- ید" به باقیمانده به دست می‌آید، -Cl یون کلرید است.
کاتد : کاتد الکترودی است که در کنار آن واکنش احیا صورت می‌گیرد یا به عبارت دیگر الکترون مصرف می‌شود
آند : آند الکترودی است که در آن اکسیداسیون رخ می‌دهد یا به عبارت دیگر در آن الکترون آزاد می‌شود
ولتاژ: ولتاژ یا اختلاف پتانسیل دو نقطه، نیروی الکتریکی است که جریان الکتریکی را بین آن دو نقطه برقرار می‌سازد. به عبارت دیگر ولتاژ برابر با مقدار کار لازم برای جابه‌جا کردن واحدبار الکتریکی از نقطه‌ای به نقطه ی دیگر است.
میکروارگانیسم : هر موجود زنده ای که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نباشد و تنها قادر باشیم زیر میکروسکوپ آن را ببینیم، میکروارگانیسم نامیده می شود. میکروارگانیسم ها شامل باکتری ها، آغازیان و بعضی از قارچ ها مانند مخمرها هستند.

انتخاب منبع میکروبی:
اولین گام در این تحقیق انتخاب منبع میکروبی مناسب و به دست آوردن شرایط دمایی بهینه (در اینجا دمای محیط در نظر گرفته می شود)جهت رشد میکروارگانیسم ها بوده است. گستره وسیعی از مواد آلی از کربوهیدرات‌های ساده مانند گلوکز ، تا ترکیبات آلی پیچیده مانند فاضلاب خانگی ، فاضلاب دامداری‌ها، فاضلاب صنایع شکلات‌سازی، به عنوان سوبسترا در پیل سوختی میکروبی به کاربرده می‌شوند.


بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان