انرژی گیری از پساب ها

نوع جدیدی از پیل سوختی, علاوه بر تصفیه پساب ها, برق نیز, تولید می كند راه اندازی و نگهداری از مركز تصفیه فاضلاب ها و پساب های آلوده پرهزینه است فناوری جدید, امكان تولید برق و تصفیه آب را به طور هم زمان برای پیل سوختی فراهم می كند كه برای جوامع پیشرفته و در حال توسعه مفید خواهد بود

پیل های سوختی مایكروبایال (میكروبی)، پدیده های تازه ای نیستند. گروه های تحقیقاتی فراوانی در گوشه و كنار جهان در حال كار روی پیل های سوختی مایكروبایال هستند كه به واسطه عمل متابولیزاسیون گلوكز، لاكتیت و استیت به وسیله باكتری ها، برق تولید می كنند.اكنون پژوهش گران دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا نوعی پیل سوختی ساخته اند كه علاوه بر آن كه از فاضلاب های شهری الكتریسیته می گیرد، آب را نیز تصفیه می كند. بروس لوگان، استاد مهندسی محیط زیست در دانشگاه ایالتی بن، می گوید: «تا به حال هیچ كس با فاضلاب های شهری چنین آزمایشی نكرده است. ما از چیزی استفاده می كنیم كه از نظر همگان كاملاً بدون كاربرد است».

هزینه اولیه پروژه با 87000 دلاری كه موسسه ملی علوم اعطا كرد، تامین شد. این موسسه، هزینه هایی در مقیاس كوچك در اختیار پژوهش گران و مبتكرانی می گذارد كه طرح های آنها مراحل ابتدایی تحقیق را می گذارند و هنوز نتایج كارآنها آزمایش نشده است. طرح پیل سوختی مایكروبایال لوگان بسیار ساده است. او می گوید: من تعجب می كنم كه چرا تا به حال كسی این ایده به فكرش خطور نكرده است.مواد ارگانیكی موجود در پساب ها از لحاظ تولید انرژی ارزشمندند و پساب های حاوی مواد ارگانیكی تمركز یافته اند كه توان تولیدی آنها را بالا می برند. یك پیل سوختی معمولی از این دست برای تولید الكتریسیته به هیدروژن و محفظه ای برای اكسایش مواد ارگانیكی غیر هوازی كه در اینجا پساب ها هستند، نیاز دارد.

آقای لوگان تخمین می زند كه پساب های تولیدی 000/100 نفر، قابلیت تولید 3/2 مگاوات برق را دارد، البته اگر بتوانیم تمام انرژی موجود در آنها را استخراج كنیم. این مقدار برق می تواند نیاز 1500 خانه را فراهم كند.پیل سوختی مایكروبایال لوگان، وسیله ای تك محفظه ای از جنس پلاكسی گلس است كه 6 اینچ و 5/2 اینچ قطر دارد. در داخل آن هشت آند گرافیتی به وسیله یك كاتد كه از كاتالیزور كربن -پلاتینیومی ساخته شده است و یك غشای تبادل پروتون كه خود به یك لوله پلاستیكی نگهدارنده متصل شده، نصب شده اند.دیوار لوله های گرافیتی را به گونه ای می سازند كه باكتری ها راحت تر به آنها بچسبند. یك سیم مسی مدار را كامل می كند و مسیر عبور جریان را از الكترودها فراهم می آورد. جریان ثابت پساب ها به درون محفظه پمپ می شود تا باكتری ها از آنها تغذیه كنند. باكتری ها با هضم مواد ارگانیكی موجود در پساب ها، الكترون تولید می كنند. این الكترون ها به درون مدار الكتریكی و آیون های مثبت هیدروژن موجود در محلول پساب ها آزاد می شوند.

این آیون ها اكسیژن موجود در محلول های پساب ها را كاهش می دهند و این خود هدفی است كه تمام روش های تصفیه و بازیافت آب های آلوده دنبال می كنند. آیون هیدروژن از غشای تبادل پروتون می گذرد تا به كاتد كه خود در معرض هوا است، برسد. در كاتد، اكسیژن هوا، آیون های هیدروژن كه از غشا می گذرند و الكترون هایی كه از مدار بیرون می آیند، همه در كنار هم آب خالص و تمیز تولید می كنند.درحالی كه پیل های سوختی مایكروبایال دیگر، سیستم را از تجمع خالص باكتری ها انباشته و جرم زدایی می كنند، آزمایش های لوگان نشان داد كه برای تولید انرژی، به جرم زدایی نیاز نیست. به گفته لوگان، باكتری مورد نیاز برای تولید الكتریسیته، در خود پساب ها موجود است.

یك محفظه ای یا دو محفظه ای

نكته دیگری كه در باره پیل سوختی مایكروبایال در خور توجه است، طراحی تك محفظه ای آن است. با این طراحی، پیوستگی جریان سیال حفظ می شود و بنا به اظهارات لوگان، با سیستم های موجود پالایش پساب ها هم خوانی بیشتری دارد.بیشتر پیل های سوختی میكروبی از سیستم دو محفظه ای استفاده می كنند. در یك محفظه، باكتری هایی كه تحت شرایط غیر هوازی رشد داده می شوند و بر روی آند قرار می گیرند و در محفظه دیگر، الكترون ها با اكسیژن و پروتون مخلوط می شوند تا آب تولید شود، كاتد تحت شرایط هوازی قرار خواهد داشت. پلی ارتباطی كه شامل غشای تبادل پروتون است، دو محفظه را به هم مرتبط می كند و تنها به پروتون ها، نه به سیال پساب و اكسیژن آزادانه، اجازه حركت آزادانه می دهد.مشكل طرح دو محفظه ای این است كه می باید هوا را با فشار به داخل آب وارد كرد تا از اكسیژن محلول در آن برای كاتد استفاده كرد. پیل سوختی میكروبی تك محفظه ای، به راحتی به مثابه یك رآكتور با جریان پیوسته عمل می كند و از جریان غیرمستقیم هوا به جای جریان با فشار بالا استفاده می كند و مرحله هزینه بر دمیدن هوا به درون پساب ها را كه در روش های معمول پالایش پساب ها كاربرد دارد، حذف می كند.در آزمایش لوگان از پساب هایی استفاده شد كه پیتر مرحله اولیه تصفیه را در مجموعه پالایش فاضلاب دانشگاه ایالتی پن گذرانده بود. در مرحله فیلتر گذاری بر جریان سیال، تمام مواد قابل رسوب و جامدات معلق در آب از آن جدا می شوند. در این پساب ها مخلوطی از انواع مواد ارگانیكی موجود است اما استات و گلوكز خالص اندكی در آن وجود دارد.پساب مورد آزمایش، 3/7 تا 6/7 PH داشت و نیاز شیمیایی محلول به اكسیژن 210 تا 220 میلی گرم در هر لیتر بود. نیاز شیمیایی به اكسیژن، معیاری برای اندازه گیری آلاینده ها و پساب ها است و به واسطه مقدار آن، قدرت تولید نیروی مواد و سیال های به دور ریخته شده را ارزیابی می كنند. مقدار آن با اندازه گیری اكساینده ای كه به نمونه پساب ها با شرایط كنترل شده، واكنش نشان می دهد، به دست می آید.در حالی كه تغییر جریان پساب ها، تاثیر عمده ای بر عملكرد پیل های سوختی میكروبی نگذاشت، با افزایش مواد ارگانیكی موجود در آب، الكتریسیته بیشتری به دست خواهد آمد. پساب های صنایع غذایی، سوخت ایده آلی برای پیل های سوختی میكروبی هستند. لوگان می گوید: «این فرآیند بیشتر از غذایی كه باید خورده شود، بهره می برد تا غذایی كه خورده شده است».

پیل سوختی میكروبی 26 میلی وات توان بر هر مترمربع سطح الكترود ایجاد می كند. این به معنای آن است كه برای روشن كردن یك لامپ تزیینی كریسمس، مساحت 38 متر مربعی لازم است، اما 78 درصد از مواد ارگانیكی موجود در آب، با توجه به معیار اكسیژن مورد نیاز بیولوژیكی در طی این فرآیند از آب گرفته می شوند و با در نظر گرفتن معیار اكسیژن مورد نیاز شیمیایی 50 تا 70 درصد اكسیژن موجود در پساب حذف [مصرف] می شود. لوگان می گوید: «پس از این كه سیستم به جریان پساب ها خو گرفت، حدود 70 ساعت طول می كشد تا جریان پایدار به دست آید.»

افزایش قدرت تولید نیرو

نسل اول طراحی نشان داد كه با استفاده از پساب ها می توان نیرو و آب تمیز به دست آورد. در حال حاضر، لوگان و گروهش به راه هایی برای افزایش قدرت تولید الكتریسیته پیل های سوختی میكروبی می اندیشند كه هزینه تولید كمتری داشته باشند و بتوانند از یك وسیله آزمایشگاهی به یك محصول با تولید انبوه برسند. نخستین گام، كاهش هزینه مواد سازنده است. لوگان می گوید: «ما به دنبال كاهش عمده هزینه PEM (غشای تبدیل پروتون) هستیم. همچنین به راه كارهایی برای كاهش هزینه مواد كاتالیزوری، مشخصات فنی و طراحی وسیله نیز می اندیشیم».هدف دیگر، افزایش توان خروجی است. در حالی كه نسل اول این وسیله توان چشمگیری تولید نمی كرد، نسل جدیدتر پیل های سوختی میكروبی آن قدرالكتریسیته تولید می كند كه بتوان یك فن كوچك را به راه انداخت. اما هنوز این میزان انرژی، توجیه اقتصادی برای این وسیله به ارمغان نمی آورد.

لوگان می گوید: «هدف ما به دست آوردن این قابلیت است كه بتوانیم 500 كیلووات برق، با ثبات راكد را كه برای مصرف 500 خانه كافی است، با این پیل ها تولید كنیم.» او تخمین می زند كه حد بالای ظرفیت تولید الكتریسیته پیل های سوختی میكروبی 1000 میلی وات برمترمربع سطح آند است. این وسیله آنقدرها هم دور از دستیابی نیست. لوگان امیدوار است كه بتواند ظرف یك تا سه سال، مدل خودكار آن را بسازد و مدل تصفیه گر آن را به مدت یك دهه آماده سازد. بنا به گفته NFS، در حدود 33 میلیارد گالن پساب های شهری با هزینه ای در حدود 25 میلیارد دلار در سال تصفیه می شوند. بیشتر این بودجه صرف پرداخت هزینه انرژی می شود كه برای انجام این فرآیندها مورد نیاز است. اگر پیل های سوختی میكروبی بتوانند ارزان تر ساخته شوند، قادر خواهند بود كه هزینه های مربوط به انرژی لازم برای تصفیه آب را كاهش دهند.

لوگان می گوید: «حتی درمناطقی كه شانس داشتن نیروگاه های تصفیه پساب ها و فاضلاب ها را دارند، انگیزه كمی برای تعمیرات [اساسی] این نیروگاه ها در هنگام بروز مشكل وجود دارد. دلیل آن ساده است، هزینه اداره، نگهداری و راه اندازی آن بسیار بالا است.»

وی ادامه می دهد: «اما اگر نیروگاه تصفیه بتواند الكتریسیته تولید كند، به دیده منبعی سود آور به آن نگریسیته خواهد شد و هزینه های مربوط به پیل های سوختی میكروبی كاهش خواهد یافت؛ در نتیجه آب سالم و تصفیه شده به راحتی در دسترس هردو مدل، درحال توسعه و پیشرفته خواهد بود».