عنوان پایان‌نامه
طراحی پیل سوختی میکروبی اصلاح شده با نانو لوله های کربنی آمین دار با استفاده از باکتری Shewanella sp.
- رشته تحصیلی
- بیوفیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکز تحقیقات بیوشیمی و بیوفیزیک شماره ثبت: 11143ب;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 58211
- تاریخ دفاع
- ۱۲ مهر ۱۳۹۱
- دانشجو
- لیلا ماه رخ
- استاد راهنما
- هدایت اله قورچیان
- چکیده
- تغییرات آب و هوایی و بحران انرژی محققان را به توسعه منابع انرژی جایگزین کارآمد برانگیخته است. اخیرا سیستم های الکتروشیمیایی زیستی مانند پیل های سوختی میکروبی (MFC) به عنوان یک شاهکار تلاش دانشمندان برای بازیابی انرژی همزمان با تصفیه فاضلاب پدید آمده است. یک MFCبرای تولید الکتریسیته از باکتری ها به طور مستقیم از طریق اکسیداسیون ترکیبات آلی و انتقال الکترون های حاصله به الکترود آند عمل می کند. موضوعات مختلف مانند منابع تغذیه شیمیایی، اصلاح الکترودهای آند و کاتد، مواد سازگار با محیط زیست و رویکردهای اقتصادی، مهندسی ژنتیک باکتری ها (به منظور افزایش بازده کولنی) و بهبود طراحی سل از جمله عناوین تحقیقاتی مهم در این زمینه است. هدف اصلی از این پژوهش، بهبود توان پیل سوختی میکروبی با استفاده از فیبرهای کربنی عامل دار به عنوان آند و مجموعه کشت بی هوازی باکتری Shewanella Sp در محیط نیمه رقیق لوریا برتانی(LB) همراه لاکتات 30 میلی مولار به عنوان سوخت، به عنوان آنولیت در پیل سوختی میکروبی بی ماده واسطه انتقال الکترون مورد استفاده قرار گرفت. برای مطالعه فرایند الکتروشیمیایی رخ داده در سطح آند و کاتد از روش الکتروشیمی استفاده شد. کاتولیت های مورد استفاده در کاتد فری سیانید و پرمنگنات پتاسیم بودند. کاتولیت های مورد استفاده در کاتد فری سیانید و پرمنگنات پتاسیم بودند. منحنی های جریان - ولتاژ پیل سوختی میکروبی با استفاده از مولتی متر دقیق که بین دو الکترود پیل قرار داده شده ولتاژ مدار باز و ولتاژ اتصال کوتاه گردید. منحنی های توان - ولتاژ با استفاده از داده های ثبت شده منحنی جریان-ولتاژ رسم شد. در نهایت، با استفاده از یک آند آمین دار شده که به مدت زمان های 5/5 و 11 روز در معرض باکتری بوده و در سطح آن بیوفیلم تشکیل شد دو منحنی پلاریزاسیون آندی به دست آمد. در گام بعدی جریان الکتریکی با استفاده از یک الکترود آند طراحی شده جدید مورد بررسی قرار گرفت. سطح این الکترود الیاف کربنی آمین دار با نانوکامپوزیت متشکل از نانولوله های کربنی آمین دار و یک مایع یونی پوشیده شد. آند آمین دار بعد از 5/5 و 11 روز به ترتیب چگالی توان 105.2 و 124.4 میلی وات بر متر مربع تولید کرد. مقایسه نتایج به دست آمده نشان داد آندی که با نانوکامپوزیت 2 میلی گرم در میلی لیتر پوشش داده شده بود، بالاترین چگالی توان 242 میلی وات بر متر مربع را ایجاد کرد. در نتیجه، می توان چگالی توان MFC را با استفاده از نانولوله های کربنی عامل دار بالا برد. نتایج بدست آمده از این تحقیق نشان می دهد که با افزایش ضخامت بیوفیلم در آند و رسوب دی اکسید منگنز در سطح کاتد، مقاومت داخلی افزایش و به تبع آن جریان نسبتا کاهش می یابد.
- Abstract
- The climate change and energy crisis have provoked researchers to develop efficient alternative energy sources. Recently bioelectrochemical systems such as microbial fuel cells (MFCs) have emerged as a feat of scientists endeavor for simultaneous energy recovery and wastewater treatment. A MFC uses bacteria to generate electricity directly through the oxidation of organic compounds and transferring the resulting electrons to an anode electrode. Various subjects such as chemical feed sources, modification of anode and cathode electrodes, economic and environmentally friendly materials, genetic engineering bacteria (to increase columbic efficiency) and improving cell architecture are important research topics in the this field. The main objective of this study was power improvement of MFC using functionalized carbon fibers as anode and anaerobic culture of Shewanella sp. in half diluted luria Bertani (LB) medium and 30 mM lactate as anolytes in a mediator-less MFC. Electrochemical technique has been used to study the electrochemical process occurred at anode and cathode surface. The voltage–current curves of MFC were recorded using a supper precise multimeter placed between the open-circuit cell voltage and the short-circuit cell voltage. Power-voltage curves were plotted using the data of recorded voltage–current curve. Finally, using an amine functionalized anode, two anodic polarization curves were obtained at the times of 6 and 12 days of bacteria exposurein the anode chamber.In the next step current the electric current was considered using a newly designed anode electrode. This electrode was obtained by coating the anode electrode with a nanocomposite consisting of amine functionalized carbon nanotube and an ionic liquid. The amine functionalized anode after 6 and 12 days produced a power density of 105.2 and 124.4mW/m2, respectively. Comparison of the results revealed that the anode which was coated with 2 mg/ml nanocomposite produced the highest power density of 242mW/m2. As a conclusion, we could enhance the power density of MFC using functionalized carbon nanotubes. The results obtained by this research suggest that by increasing the thickness of biofilm on the anode and precipitate manganese dioxide on the cathode surface the internal resistance and consequently the current decreases comparatively. Keywords: Microbial fuel cell; Functionalized carbon fiber; Nanocopmposite; Shewanella sp.
