Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου
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 ενέργε...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2016
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/9043 |
| id |
nemertes-10889-9043 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Μικροβιακή κυψέλη καυσίμου Ενέργεια Λύματα Αναερόβια επεξεργασία Ηλεκτρόδια Υδραυλικός χρόνος παραμονής Microbial fuel cell Energy Wastes Anaerobic treatment Electrodes Hydraulic retention time 621.312 429 |
| spellingShingle |
Μικροβιακή κυψέλη καυσίμου Ενέργεια Λύματα Αναερόβια επεξεργασία Ηλεκτρόδια Υδραυλικός χρόνος παραμονής Microbial fuel cell Energy Wastes Anaerobic treatment Electrodes Hydraulic retention time 621.312 429 Σίνος, Χαράλαμπος Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| description |
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. |
| author2 |
Μαναριώτης, Ιωάννης |
| author_facet |
Μαναριώτης, Ιωάννης Σίνος, Χαράλαμπος |
| format |
Thesis |
| author |
Σίνος, Χαράλαμπος |
| author_sort |
Σίνος, Χαράλαμπος |
| title |
Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| title_short |
Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| title_full |
Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| title_fullStr |
Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| title_full_unstemmed |
Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| title_sort |
διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου |
| publishDate |
2016 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/9043 |
| work_keys_str_mv |
AT sinoscharalampos diereunēsēdiaspasēsorganikouylikoukaiparagōgēsenergeiasseantidrastērestypoumikrobiakōnkypselōnkausimou AT sinoscharalampos organicsremovalandenergyproductionwithmicrobialfuelcells |
| _version_ |
1771297177670254592 |
| spelling |
nemertes-10889-90432022-09-05T09:40:40Z Διερεύνηση διάσπασης οργανικού υλικού και παραγωγής ενέργειας σε αντιδραστήρες τύπου μικροβιακών κυψελών καυσίμου Organics removal and energy production with microbial fuel cells Σίνος, Χαράλαμπος Μαναριώτης, Ιωάννης Τσώνης, Στυλιανός Γιαννόπουλος, Παναγιώτης Μαναριώτης, Ιωάννης Sinos, Charalampos Μικροβιακή κυψέλη καυσίμου Ενέργεια Λύματα Αναερόβια επεξεργασία Ηλεκτρόδια Υδραυλικός χρόνος παραμονής Microbial fuel cell Energy Wastes Anaerobic treatment Electrodes Hydraulic retention time 621.312 429 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. Microbial fuel cell is a bioreactor that directly converts the chemical energy from organic substrates to electricity via microbial catalytic reactions, under anaerobic conditions. The bioreactor carries out a dual role as it can treat organic wastes while it produces energy simultaneously. Thus, this technology has gained the interest of scientific community last years. The reactor consists basically of an anaerobic chamber where microbes oxidize the organic substrate. This process leads to electrons and protons (Η+). The anode electrode collects the electrons while protons are transferred to an aerobic chamber passing through a membrane (called proton exchange membrane) to a second electrode, the cathode electrode, where they reduced from dissolved oxygen. Thus the proper conditions exist for potential development between anode and cathode electrodes. If an external load (resistor) is connected between the two electrodes then an electrical current is flowing through this resistance. The operation of microbial fuel cell is analytically presented in the second chapter. Besides materials used as anode and cathode electrodes, ion exchange membranes, catalysts leading to higher power and some reactor types seen in reports are described. In parallel some applications of microbial fuel cell technology found in references are presented. In the present thesis project two main bioreactor types are studied. The first has a squared form, consisting of two chambers partitioned by a vertical part on which the membrane is embedded. The second bioreactor has a cylindrical form and is physically split into two main areas with a glass wool layer. The flow in this reactor is upward. The main purpose of experiments was the study of organic wastes removal efficiency as well as the possibility of electricity production using as a substrate synthetic wastes based on sodium acetate. Both reactors operated in continuous mode. Apart from the two main reactors, some other types of reactors were tested for short periods. In chapter 3 the technical characteristics and the operating conditions of the bioreactors are described. During experiments the results the magnitude of pH at the input and output of both reactors, the dissolved (non emitted) organic carbon and the chemical oxygen demand are recorded. Last two measurements provide the information needed for the calculation of organics removal efficiency. From the electrical point of view, the voltage on the external resistor is continuously recorded, thus current and power on the external circuit can be calculated, as well as the total energy produced over a time period. Results are presented in the 4th chapter and they are compared with results from bioreactors cited in reports. Both reactors presented satisfying performance on removal efficiency possibly due to the high hydraulic retention time applied. On the other hand electricity production is lower from similar or smaller size bioreactors and energy produced is very low to supply even very low consuming devices. Coulomb efficiency has also very low values at both reactors. This phenomenon indicates either electron losses from oxygen diffusion into the anodic chamber or the competitive process of methanogenesis is dominant leading to a satisfactory organics removal, but not to electricity production. 2016-01-07T10:37:12Z 2016-01-07T10:37:12Z 2015-08 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9043 gr 0 An error occurred getting the license - uri. application/pdf |
