| Περίληψη: | Η μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου είναι ένας βιοαντιδραστήρας ο οποίος μετατρέπει απευθείας τη χημική ενέργεια διαφόρων οργανικών υποστρωμάτων σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω μικροβιακών καταλυτικών αντιδράσεων, υπό αναερόβιες συνθήκες. Ο βιοαντιδραστήρας έχει διττή υπόσταση καθώς εκτός της παραγωγής ενέργειας, επεξεργάζεται ταυτόχρονα λύματα και έτσι η τεχνολογία αυτή έχει κερδίσει τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Τα βασικά μέρη του αντιδραστήρα είναι ο αναερόβιος θάλαμος, μέσα στον οποίο βακτήρια κάνουν οξείδωση του οργανικού υλικού. Από την οξείδωση παράγονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και πρωτόνια (Η+). Στον θάλαμο της ανόδου υπάρχει ένα ηλεκτρόδιο που συλλέγει αυτά τα ηλεκτρόνια, ενώ τα πρωτόνια μπορούν να μετακινηθούν δια μέσω της μεμβράνης (proton exchange membrane) στον αερόβιο θάλαμο της καθόδου σε ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο και να αναχθούν από το διαλυμένο οξυγόνο που υπάρχει στην κάθοδο. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται οι συνθήκες για ανάπτυξη δυναμικού μεταξύ ανόδου και καθόδου. Αν μεταξύ των 2 ηλεκτροδίων συνδεθεί ηλεκτρική αντίσταση τότε υπάρχει ροή ηλεκτρικού ρεύματος δια μέσω της αντίστασης αυτής. Στο 2ο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η λειτουργία της μικροβιακής κυψελίδας καυσίμου, παρουσιάζονται υλικά που χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια σε άνοδο και κάθοδο, μεμβράνες διαπερατές από ιόντα, καταλύτες που βοηθούν την επίτευξη υψηλότερης ισχύος αλλά και τύποι αντιδραστήρων που έχουν μελετηθεί διεθνώς. Επίσης παρουσιάζονται εφαρμογές της τεχνολογίας των μικροβιακών κυψελίδων καυσίμου. Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή μελετάει 2 βιοαντιδραστήρες, έναν τετραγωνικής μορφής 2 θαλάμων με κατακόρυφο χώρισμα και μεμβράνη και έναν κυλινδρικής μορφής με ανοδική ροή, όπου ο θάλαμος χωρίζεται σε 2 περιοχές, μέσω ενός ενδιάμεσου οριζόντιου στρώματος υαλοβάμβακα. Τα πειράματα που διεξήχθησαν είχαν ως απώτερο στόχο να μελετηθεί η απόδοση αφαίρεσης οργανικού υλικού καθώς και η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με οργανικό υπόστρωμα συνθετικά λύματα με βάση το οξικό νάτριο. Οι βιοαντιδραστήρες λειτούργησαν σε συνθήκες συνεχούς έργου. Εκτός των βασικών αντιδραστήρων πραγματοποιήθηκαν και κάποιοι άλλοι αντιδραστήρες οι οποίοι λειτούργησαν δοκιμαστικά για μικρά χρονικά διαστήματα. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των αντιδραστήρων καθώς και οι συνθήκες λειτουργίας τους περιγράφονται στο 3ο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας. Τα μεγέθη που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων είναι το pH στην είσοδο και έξοδο του κάθε αντιδραστήρα, ο διαλυτός μη εκλυόμενος οργανικός άνθρακας (ΔΜΕΟΑ) και το χημικά απαιτούμενο οξυγόνο. Με τις 2 τελευταίες μετρήσεις μπορεί να υπολογισθεί η αφαίρεση του οργανικού υλικού. Επίσης για το ενεργειακό μέρος της εργασίας, γίνεται συνεχής καταγραφή της τάσης πάνω στην εξωτερική αντίσταση και με αυτό το μέγεθος μπορεί να υπολογισθεί το ρεύμα που ρέει στο γνωστό εξωτερικό φορτίο, η ισχύς εξόδου και η ποσότητα ενέργειας που παράγεται. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο 4ο κεφάλαιο και συγκρίνονται με αποτελέσματα σε αντιδραστήρες που έχουν παρουσιασθεί σε παγκόσμια κλίμακα. Η απόδοση αφαίρεσης οργανικού υλικού κρίνεται ικανοποιητική, εξαιτίας και του μεγάλου υδραυλικού χρόνου παραμονής που εφαρμόσθηκε και στους δύο αντιδραστήρες. Από την άλλη πλευρά η ισχύς εξόδου είναι χαμηλότερη από αυτή σε αντίστοιχους αντιδραστήρες ίδιου ή/και μικρότερου μεγέθους και τα παραγόμενα ποσά ενέργειας δεν προσφέρονται για εφαρμογές της κλίμακας μεγέθους των πειραματικών αντιδραστήρων. Η απόδοση Coulomb έχει πολύ χαμηλές τιμές και στους 2 αντιδραστήρες και το φαινόμενο αυτό υποδεικνύει ότι είτε υπάρχουν απώλειες ηλεκτρονίων από διάχυση οξυγόνου στο θάλαμο της ανόδου, είτε ότι επικρατεί η ανταγωνιστική χημική διαδικασία της μεθανογένεσης που οδηγεί σε αφαίρεση οργανικού υλικού αλλά όχι και σε ηλεκτρική ισχύ.
|
|---|
