مدل سازی و شبیه سازی پیل سوختی میکروبی

پیل های سوختی میکروبی یکی از فناوری های نوپا در زمینه بازیابی انرژی موجود در پساب ها و تصفیه هم زمان آن هاست که در سال های اخیر توجه زیادی را به سوی خود جلب نموده است. در پژوهش پیش رو مدلی بر اساس هدایت مستقیم الکترون ها در بیوفیلم ارائه و نتایج شبیه سازی آن با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است. مدل حاضر قادر است نتایج آزمایشگاهی را با دقت مناسبی پیش گویی نماید. همچنین بررسی تغییرات پتانسیل آند نشان داد که در یک محدوده جزیی در اطراف پتانسیل نیم اشباع، جریان از مقدار صفر به مقدار اشباع خود رسیده و تغییرات غلظت سوبسترا نیز اثر مشابهی را در محدوده وسیع تری در پی داشت. بر طبق دو مورد اخیر بیشینه چگالی جریان قابل دست یابی از جامعه میکروبی خالص ژئوباکترسولفورریداسنز و با سوبسترای استات 42/2 آمپر بر متر مربع پیش گویی شد. در جریان منقطع سوبسترا در آند، پس از پایدار شدن جامعه میکروبی، الگوی جریان ثابت و بیشینه آن برابر با 12/3 میلی آمپر گردید. محفظه آندی برای نخستین بار در حالت جریان پیوسته سوبسترا مدل و شبیه سازی شد. نتایج بدست آمده از اجرای مدل برای جریان پیوسته نشان داد که برای یک محفظه آندی لوله ای شکل، کاهش قطر و افزایش طول، از لحاظ چگالی جریان تولیدی و بازده تصفیه شرایط مناسب تری را ایجاد می نماید. در این حالت، افزایش غلظت تأثیری در بازدهی تصفیه نداشت و تنها سبب افزایش تولید چگالی جریان گردید. علاوه بر این، برای نخستین بار امکان تحلیل پلاریزاسیون پیل سوختی میکروبی با استفاده از مدل بر پایه هدایت فراهم آمد. این امر با تعریف یک شرط مرزی نوین برای مدل بر پایه هدایت، محقق شد. نتایج نشان داد که برای یک بیوفیلم متشکل از ژئوباکترسولفورریداسنز، بخش زیادی از اتلاف ولتاژ ناشی از مقاومت های انتقال جرم می باشد. مدل امکان استفاده از تحلیل پلاریزاسیون برای بررسی اثر ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم و ضخامت فیلم غلظتی به صورت کمی را ، روی عملکرد پیل سوختی میکروبی فراهم آورد؛ بررسی اثر این دو از طریق آزمایشگاهی قابل انجام نیست. با کاهش ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم و افزایش ضخامت فیلم غلظتی، به ترتیب اثر مقاومت های اهمی و انتقال جرم تشدید شده و چگالی توان خروجی از پیل کاهش یافت. در نهایت برای نخستین بار، پارامترهای طراحی یک پیل سوختی میکروبی جهت تصفیه پساب لبنی با استفاده از لجن فعال، با استفاده از مدل ارائه شده و توسط الگوریتم ژنتیک تخمیـن زده و درست آزمایـی شدند. نتایج نشان داد که برای پیل سوختی مذکور با استفاده از توری با مش 300 برای الکترود آند، سطح موثر به میزان 76/64% افزایش یافته است. این میزان افزایش سطح از طریق آزمایشگاهی قابل اندازه گیری نیست. همچنین مطالعه منحنی پلاریزاسیون این سامانه نشان داد که مقاومت های اهمی ناشی از ضریب هدایت الکتریکی پایینِ جامعه میکروبی موجود، نقش اساسی را در کاهش سطح عملکرد پیل و چگالی توان خروجی از آن ایفا نموده است.