دانلود پروژه:حذف فنل از فاضلاب با استفاده از پیل سوختی میکروبی تک‌محفظه‌ای

پیشگفتار

تخلیه فاضلاب صنایع حاوی فنل مانند فولاد، فلزات، ذغال‌سنگ، پالایش نفت و … به محیط‌زیست اثرات نامطلوبی را  برای موجودات زنده به‌خصوص انسان ایجاد می­کند. این ترکیبات از جمله آلاینده­های قابل‌رؤیت در آب و فاضلاب نیستند و همچنین این مواد به دلیل کاستن از اکسیژن موجود در آب و اختلال در امر فتوسنتز گیاهان آبزی می‌تواند موجب مرگ‌ومیر موجودات زنده و تغییر در چرخه زیست‌محیطی می­شود. تحقیقات مختلف نشان داده است که نفوذ این ترکیبات به بافت بدن میتواند موجب ایجاد سمیت و خطرات شدید برای سلامتی که شامل نارسایی قبلی، مشکلات کلیوی، بیماریهای پوست، سرطان و حتی مرگ شوند.. بنابراین تصفیه آب­های حاوی این مواد امری ضروری به شمار می­رود. برای تصفیه فنل انواع روش‌ها شامل روش­های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و یا تلفیقی از آن‌ها انجام می­گیرد. در بیشتر مواقع روش­های بیولوژیکی متداول برای حذف فنل نسبت به سایر روش‌ها ارزان‌تر می‌باشد اما روش‌های فیزیکی و شیمیایی نشان داده‌اند که در مدت زمان کوتاه‌تری، راندمان حذف بالاتری در حذف فنل دارند. بنابراین استفاده از روش­های شیمیایی و فیزیکی و یا تلفیقی از آن‌ها روش­های مناسب­تر دیگری برای حذف این نوع آلاینده­ها مورد استفاده قرار گرفته است. در این میان، توجه به انرژی مصرفی و همچنین تولید انرژی از فاضلاب‌های موجود مورد نظر بسیاری از محققان قرار گرفته است، بنابراین سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی مانند پیل سوختی قلیایی، پیل سوختی اسید فسفریک، پیل سوختی اکسید جامد، پیل سوختی با غشاء انتقال پروتون، پیل سوختی با کربن مذاب، پیل سوختی میکروبی و پیل الکترولیز میکروبی به عنوان سیستم‌های پایدار تولید انرژی‌های جایزگزین پیشنهاد شده‌اند. از میان این سیستم‌ها، پیل سوختی میکروبی و پیل الکترولیز میکروبی به جهت حذف مناسب آلاینده‌ها به روش بیولوژیکی مورد توجه مهندسان محیط‌زیست قرار گرفته است.

در پیل‌های سوختی میکروبی که برای اولین بار در سال 1911 توسط Potter معرفی شد، میکروارگانسیم­ها با تجزیه مواد آلی موجود از طریق برخی آنزیم­های تنفسی در سلول­های خود و تهیه انرژی برای خود، الکترون­هایی را آزاد می­کنند. این الکترون­ها به یک پذیرنده الکترون رفته و موجب احیاء در آن می­شوند. باکتری­ها توانایی انتقال الکترون­ها را به بیرون از سلول و به پذیرنده الکترون مانند اکسیدات فلز را دارند. این باکتری­ها به عنوان باکتری‌های الکترون­دوست شناخته می­شوند. این پروسه در دستگاهی تحت عنوان پیل سوختی میکروبی موجب تولید انرژی و تصفیه فاضلاب می­گردد. علاوه بر مزایای اساسی این سیستم که شامل تولید منبع پایدار انرژی، تولید سوخت پاک، تبدیل مستقیم مواد به انرژی و راندمان بالای تصفیه آن است می‌توان به معایبی از جمله ولتاژ خروجی پایین، قیمت زیاد در مقایسه با سایر روش‌ها و مشکل کاربرد در مقیاس عملی اشاره کرد. طراحی پیل‌های سوختی میکروبی نقش مهمی در عملکرد سیستم به لحاظ انرژی تولید شده، بازدهی تصفیه و پایداری آن دارد. دو نوع طراحی اساسی برای ساختمان پیل سوختی میکروبی تک‌محفظه­ای و دومحفظه­ای است. پیل‌های سوختی میکروبی تک‌محفظه‌ای در مقایسه با پیل‌ سوختی میکروبی دومحفظه‌ای به دلیل ساخت یک محفظه کمتر و عدم نیاز به فرایند اکسیژن‌دهی در محفظه کاتد ارزان‌تر است. اگرچه دانش ابتدایی استفاده از این سیستم به سال 1911 برمیگردد، اما آمار موجود نشان‌ دهنده رشد 60 برابری این نوع تحقیقات از سال 1991 تا 2009 و همچنین گستردگی این مطالعات در اکثر نقاط جهان است. این مطالعات ‌در زمینه‌های مختلف کاربرد پیل سوختی میکروبی، اندازه­گیری، نوآوری، بهبود عملکرد و مقایسه با سیستم­های متداول، صورت گرفته است.

هدف از انجام تحقیق حاضر بررسی راندمان حذف فنل از فاضلاب و تولید انرژی در یک پیل سوختی میکروبی تک‌محفظه‌ای است که در آن اثر شرایطی مانند غلظت ورودی فنل، افزودن نمک و افزایش دما بر راندمان‌های حذف و تولید انرژی بررسی می‌شود.

بدین ترتیب در فصل اول به بررسی ویژگی‌های مختلف فنل و مصارف آن‌، تاثیر بر محیط و سلامتی و روش­های حذف فنل پرداخته می­شود. سپس در فصل دوم به معرفی و بررسی چالش پیش‌روی انرژی در دنیا، انرژی‌های تجدید‌پذیر، سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی و معرفی کامل سیستم پیل سوختی میکروبی و روش کارکرد آن با بیان مزایا و معایب آن پرداخته می­شود. در فصل سوم نیز به مطالعات صورت گرفته در زمینه روش‌های گوناگون حذف آلاینده از محیط آبی و همچنین مطالعات در خصوص کارکرد این سیستم در تولید انرژی و حذف آلاینده‌های گوناگون اشاره خواهد شد که به توجه به آن‌ها هدف از تحقیق حاضر ارائه می­شود. در فصل چهارم روش کار شامل تهیه و ساخت سیستم، تهیه مواد و تجهیزات آزمایشات و نحوه محاسبات و آنالیز داده‌های بدست آمده تشریح خواهد شد. در فصل پنجم نتایج کامل حاصل از آزمایشات با ارائه نمودار‌ها و محاسبات و بحث در مورد آن‌ها توضیح داده شده و در نهایت در فصل ششم پس از جمع بندی، پیشنهادات مورد نظر برای به کارگیری در تحقیقات آتی مطرح شده است.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                   صفحه

 

فصل 1: فنل و لزوم حذف آن از فاضلاب………………………………………………………………………………………………………………………….1

• مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………1

• فنل………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….2

• تولید و مصرف فنل…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3

• حضور در فاضلاب و مشکلات آن……………………………………………………………………………………………………………………………………4

• استاندارد فاضلاب‌های حاوی فنل…………………………………………………………………………………………………………………………………..6

• روش‌های حذف فنل………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..6

1-6-1 روش‌های فیزیکی………………………………………………………………………………………………………………………………………………7

   1-6-1-1 جذب…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………7

   1-6-1-2 استخراج غشایی………………………………………………………………………………………………………………………………………..8

1-6-2 روش‌های شیمیایی…………………………………………………………………………………………………………………………………………….8

    1-6-2-1 الکتروشیمیایی………………………………………………………………………………………………………………………………………….9

    1-6-2-2 اکسیداسیون پیشرفته………………………………………………………………………………………………………………………………9

    1-6-2-3 اکسیداسیون هوای مرطوب…………………………………………………………………………………………………………………….10

1-6-3 روش‌های بیولوژیکی………………………………………………………………………………………………………………………………………….10

    1-6-3-1 لجن فعال……………………………………………………………………………………………………………………………………………….11

    1-6-3-2 روش SBR ……………………………………………………………………………………………………………………………………………11

    1-6-3-3 راکتور UASB……………………………………………………………………………………………………………………………………….12

فصل 2: پیل سوختی میکروبی……………………………………………………………………………………………………………..13

2-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………13

2-2 انرژی و چالش‌های پیش‌روی آب و هوای دنیا……………………………………………………………………………………………………………..14

2-3 انواع انرژی‌های تجدیدپذیر……………………………………………………………………………………………………………………………………………14

2-4 انواع سیستم‌های بیوالکتروشیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………………..15

2-5 پیل‌های سوختی میکروبی……………………………………………………………………………………………………………………………………………16

2-6 ساختمان پیل‌های سوختی میکروبی……………………………………………………………………………………………………………………………18

2-7 مکانیسم‌های انتقال الکترون به الکترود………………………………………………………………………………………………………………………..19

2-8 کاربرد‌های مختلف پیل سوختی میکروبی………………………………………………………………………………………………………………….20

2-9 مزایا و معایب استفاده از پیل سوختی میکروبی………………………………………………………………………………………………………….21

2-10 بهینه‌سازی عملکرد پیل سوختی میکروبی……………………………………………………………………………………………………………….22

2-11 گستردگی مطالعات در زمینه پیل سوختی میکروبی…………………………………………………………………………………………………23

فصل 3: مطالعات کتابخانه‌ای………………………………………………………………………………………………………………….25

3-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………25

3-2 مطالعات انجام شده در زمینه حذف فنل از فاضلاب………………………………………………………………………………………………………26

3-3 مطالعات انجام شده در زمینه پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای در حذف آلاینده………………………………………………30

3-4 هدف از انجام تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..32

فصل 4: مواد و روش‌ها………………………………………………………………………………………………………………………..34

4-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………34

4-2 ساختار پیل سوختی میکروبی……………………………………………………………………………………………………………………………………..34

4-3 پساب مورد استفاده………………………………………………………………………………………………………………………………………………………37

4-4 میکروارگانیسم مورد استفاده…………………………………………………………………………………………………………………………………….37

4-5 روش سنجش فنل……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..38

4-6 اندازه‌گیری COD …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….38

4-7 فلوچارت مراحل تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………………………………..39

4-8 پارامتر‌‌های اندازه‌گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………………40

4-9 سینتیک‌ واکنش‌های بیولوژیکی……………………………………………………………………………………………………………………………………40

4-10 محاسبات و آنالیز داده‌ها…………………………………………………………………………………………………………………………………………..42

4-11 مواد……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………43

4-12 تجهیزات ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………44

فصل 5: نتایج و بحث…………………………………………………………………………………………………………………………45

5-1 مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….45

5-2 تغییرات حذف COD در مرحله سازگاری لجن…………………………………………………………………………………………………………46

5-3 یافتن غلظت بهینه فنل در حذف توسط سیستم…………………………………………………………………………………………………………47

5-4 منحنی‌های پولاریزاسیون و چگالی انرژی در غلظت بهینه……………………………………………………………………………………………48

5-4-1 منحنی پولاریزاسیون……………………………………………………………………………………………………………………………………….48

5-4-2 منحنی چگالی انرژی……………………………………………………………………………………………………………………………………….50

5-5 تاثیر غلظت ورودی بر تولید انرژی………………………………………………………………………………………………………………………………….51

5-6 تغییرات ولتاژ در غلظت بهینه…………………………………………………………………………………………………………………………………………52

5-7 محاسبه بازدهی کلمبیک……………………………………………………………………………………………………………………………………………….53

5-8 بررسی تغییرات COD در یک سیکل آزمایش……………………………………………………………………………………………………………….54

5-9 روند تغییرات غلظت فنل در یک سیکل آزمایش…………………………………………………………………………………………………………….54

5-10 سینتیک حذف فنل……………………………………………………………………………………………………………………………………………………..55

5-11 بررسی اثر حضور نمک بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تک محفظه‌ای……………………………………………………………………57

5-11-1 بررسی اثر حضور نمک بر حذف فنل……………………………………………………………………………………………………………..57

5-11-2 بررسی اثر حضور نمک بر مقاومت داخلی و چگالی انرژی………………………………………………………………………………58

5-11-3 بررسی اثر حضور نمک بر بازدهی کلمبیک……………………………………………………………………………………………………60

5-11-4 بررسی اثر حضور نمک بر سینتیک حذف فنل……………………………………………………………………………………………….61

5-12 بررسی اثر افزایش دما بر عملکرد پیل سوختی میکروبی………………………………………………………………………………………………61

5-12-1 بررسی اثر افزایش دما بر راندمان حذف فنل و COD …………………………………………………………………………………..62

5-12-2 بررسی اثر افزایش دما بر مقاومت داخلی و تولید انرژی………………………………………………………………………………….63

5-13 بررسی پوشش بیوفیلم بر روی الکترود کربنی با عکسبرداری SEM ………………………………………………………………………….64

5-14 مقایسه نتایج تحقیق با مطالعات سایر محققان…………………………………………………………………………………………………………….66

فصل 6: جمع‌بندی و پیشنهاد‌ها…………………………………………………………………………………………………………….67

6-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..67

6-2 جمع‌بندی………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..67

6-3 پیشنهاد‌ها……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….68

مراجع………………………………………………………………………………………………………………………………………………….69

پیوست: روش سنجش فولین-سیوکالتیو…………………………………………………………………………………………………76

فهرست شکل‌ها

عنوان                                                                                                                                 صفحه

 

شکل 1-1 ساختار ماده شیمیایی فنل………………………………………………………………………………………………………………………………………2

شکل 2-1 تصویری شماتیک از یک پیل سوختی میکروبی ……………………………………………………………………………………………….17

شکل 2-2 تعداد مقالات در خصوص پیل سوختی میکروبی تا سال 2009……………………………………………………………………………23

شکل 2-3 تعداد مقالات در خصوص پیل سوختی میکروبی در کشور­های مختلف………………………………………………………………..24

شکل 4-1 تصویر شماتیک از پیل سوختی میکروبی ساخته شده………………………………………………………………………………………….35

شکل 4-2 تصویر پیل سوختی میکروبی ساخته شده…………………………………………………………………………………………………………….35

شکل 4-3 الکترود کربن استفاده شده به عنوان آند……………………………………………………………………………………………………………….36

شکل 4-4 الکترود کربن پارچه‌ای  الف) قبل از آزمایشات ب) بعد از اتمام آزمایشات……………………………………………………………36

شکل 4-5 فلوچارت مراحل تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………………………..39

شکل 5-1 الکترود کربن بدون پوشش بیوفیلم………………………………………………………………………………………………………………………..64

شکل 5-2 الکترود کربن با پوشش بیوفیلم …………………………………………………………………………………………………………………………….65

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                                    صفحه

 

جدول 1-1 ویژگی‌‌‌های فیزیکی و شیمیایی فنل………………………………………………………………………………………………………………………..3

جدول 1-2 غلظت فنل در فاضلاب صنایع مختلف…………………………………………………………………………………………………………………….4

جدول 1-3 استاندارد سازمان حفاظت از محیط‌زیست آمریکا…………………………………………………………………………………………………..6

جدول 4-1 پارامتر‌های اندازه گیری، محدوده و دلیل انتخاب………………………………………………………………………………………………..40

جدول 5-1 مقایسه نتایج تحقیق با سایر مطالعات…………………………………………………………………………………………………………………..66

فهرست نمودار‌ها

عنوان                                                                                                                                  صفحه

 نمودار 4-1 منحنی کالیبراسیون سنجش فنل………………………………………………………………………………………………………………………38

نمودار 5-1 تغییرات حذف COD با افزایش درصد فنل در زمان ماند 2 روز…………………………………………………………………………46

نمودار 5-2 تغییرات حذف نسبت به غلظت اولیه فنل……………………………………………………………………………………………………………47

نمودار 5-3 تغییرات ولتاژ با مقاومت خارجی…………………………………………………………………………………………………………………………49

نمودار 5-4 منحنی پولاریزاسیون……………………………………………………………………………………………………………………………………………49

نمودار 5-5 چگالی انرژی ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….50

نمودار 5-6 تغییرات حداکثر انرژی در غلظت اولیه مختلف……………………………………………………………………………………………………51

نمودار 5-7 تغییرات ولتاژ با زمان…………………………………………………………………………………………………………………………………………..52

نمودار 5-8 تغییرات COD در یک سیکل…………………………………………………………………………………………………………………………….53

نمودار 5-9 روند کاهش غلظت فنل در یک سیکل 72 ساعته نمونه………………………………………………………………………………………54

نمودار 5-10 مدل سینتیکی مرتبه اول برای حذف فنل………………………………………………………………………………………………………..55

نمودار 5-11 مدل سینتیکی مرتبه دوم Grau برای حذف فنل……………………………………………………………………………………………..56

نمودار 5-12 مدل سینتیکی Stover-Kincannon برای حذف فنل…………………………………………………………………………………..56

نمودار 5-13 تغییرات راندمان حذف فنل با تغییر غلظت نمک……………………………………………………………………………………………..57

نمودار 5-14 تغییرات چگالی انرژی با افزودن نمک……………………………………………………………………………………………………………….58

نمودار 5-15 منحنی‌های پولاریزاسیون با افزودن نمک…………………………………………………………………………………………………………59

نمودار 5-16 تغییرات ولتاژ در حضور 5/0 درصد نمک………………………………………………………………………………………………………….60

نمودار 5-17 مدل سینتیکی مرتبه اول حذف فنل در حضور 5/0 درصد نمک………………………………………………………………………61

نمودار 5-18 تغییرات راندمان حذف فنل با افزایش دما…………………………………………………………………………………………………………62

نمودار 5-19 تغییرات چگالی انرژی با افزایش دما………………………………………………………………………………………………………………….63

نمودار 5-20 تغییرات مقاومت داخلی با افزایش دما………………………………………………………………………………………………………………63