پایان نامه مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب

اختصاصی از کوشا فایل پایان نامه مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی با هدف تولید انرژی و تصفیه فاضلاب دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:111

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”
 مهندسی شیمی – محیط زیست

فهرست مطالب:
عنوان مطالب    شماره صفحه
                                                                                                      
چکیده    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
 

فهرست مطالب
عنوان مطالب    شماره صفحه
                                                                                                      
منابع و ماخذ    86
فهرست منابع فارسی    86
فهرست منابع لاتین    87
سایت های اطلاع رسانی    97
چکیده انگلیسی    98
  

فهرست جدول ها
عنوان     شماره صفحه
                                                                                                     
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

 

فهرست شکل‌ها
عنوان     شماره صفحه
                                                                                                   
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؛ EF 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 YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337    80
3-6: منحنی مدل سازی شده مقدار بار تولید شده با زمان در شرایط ایده آل YQ=1 و شرایط تجربی YQ=0.337    81
3-7: منحنی مدل سازی شده ولتاژ با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m    82
3-8: منحنی مدل سازی شده توان تولید شده با شدت جریان در شرایط استاندارد، میزان تبادل شدت جریان زیاد i0,ref=0.01 A/m2 و مقاوت زیاد در شدت انتقال جرم LL=100m    82
 

چکیده:
پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند. فصل اول این تحقیق مروری است بر تکنولوژی پیل های سوختی میکروبیولوژیکی. فصل دوم به مباحث فنی و مبانی ریاضی پیل های سوختی  از بدو  تا به امروز می پردازد که پایه و اساس مدل ارائه شده در فصل سوم می باشد. در فصل سوم، با بررسی دقیق تر کارهای ارائه شده توسط محقیقن مختلف و استفاده از فرضیات و همچنین داده های تجربی ارائه شده در مقالات مختلف، مدلی مناسب برای پیل سوختی میکروبیولوژیکی دو محفظه ای (Double Chamber) ارائه شده است که با استفاده از این مدل، نمودارهای مختلف مربوط به توان، شدت جریان و اختلاف پتانسیل حاصل از این نوع پیل سوختی ترسیم شده است. فصل چهارم به ارائه  نتیجه گیری کلی در زمینه پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و مدلسازی ریاضی آن ها می پردازد.

مقدمه:

با پشت سر گذاشتن عصر صنعتی و ورود به عصر اطلاعات، استفاده بی رویه بشر از منابع سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر در توسعه و پیشرفت صنعت طی دهه های اخیر، زندگی انسان های امروزی را با تهدیدات جدی زیست محیطی مواجه ساخته است به طوریکه تغییرات اقلیمی نه به عنوان یک چالش منطقه ای بلکه به عنوان یک مسئله جهانی مطرح است. تشکیل مجماع، کُمیسیون ها و تشکل های جهانی و تصویب قوانین، کنوانسیون ها و پروتوکل های مختلف در سطح جهانی مثل پیمان کیوتو و کنوانسیون بازل و همچنین تعریف پروژه هایی مثل پروژه های مکانیسم توسعه پاک (CDM) همگی گواه بر اهمیت این موضوع می باشند. علاوه بر این، خبر رو به پایان بودن منابع نفتی دنیا تا 30 الی 40 سال آینده، کشورهای مختلف را بر این داشته است که به طور جدی به دنبال منابع تجدید پذیر و جایگزین باشند تا بتوانند امنیت انرژی خود را در آینده تامین نمایند.
پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند.
در حال حاضر، تکنولوژی MFC ها به دلیل راندمان پایین هنوز به تولید تجاری و انبوه نرسیده است. با تجاری شدن این صنعت، موضوع فاضلاب شهری نه تنها به عنوان یک مشکل بلکه به عنوان یک منبع تامین انرژی پاک مطرح خواهد بود به این دلیل که فاضلاب شهری منبع غنی میکروارگانیسم های مورد استفاده در پیل های سوختی میکروبیولوژیکی می باشد.
مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبی این امکان را فراهم می سازد که محققین با تغییر پارامترهای تاثیرگذار بر راندمان پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و بدون انجام آزمایشات متعدد و زمان بر بتوانند تغییرات حاصل در توان تولید شده را پیش بینی نموده و به اصلاح طرح خود بپردازند. در این تحقیق سعی شده است مدلی مناسب برای پیش بینی چنین تغییراتی ارائه شود.