اشتراک گذاری با دوستان
وضعیت: بسته
شماره سند:
تاریخ انتشار: 1401/11/23
مهلت ارسال پیشنهاد: 1401/11/30
فرصت‌ها: براساس پیشنهاد‌ها قابل مذاکره خواهد بود.
تماس : 02166539734 – 02166533864
ارسال پروپوزال‌ها: https://ghazal.inif.ir
خلاصه فناوری
باتوجه‌به منابع محدود سوخت‌های فسیلی در جهان و نیز تأثیر سوخت‌های فسیلی بر تغییرات آب‌وهوایی، توانایی فناوری‌های جدید به‌منظور تولید انرژی از منابع غیر فسیلی در دسترس مانند پیل‌های سوختی میکروبی می‌تواند کمک بسزایی به تولید انرژی الکتریکی با استفاده از فاضلاب نماید. ازاین‌رو در این طرح تحقیقاتی، به طراحی و ساخت پیل‌های سوختی میکروبی با رویکرد تصفیه فاضلاب پرداخته می‌شود تا در مقیاس پایلوت و سپس در مقیاس صنعتی در تصفیه‌خانه فاضلاب شهرک‌های صنعتی، کارخانه‌ها و منازل با واحد هوادهی و بی‌هوازی جایگزین شده و در کنار تصفیه مطلوب، انرژی الکتریکی (برق) نیز تولید شود. در حال حاضر، در کشورهای مختلف از جمله هلند، ژاپن، امریکا و چین، از این فناوری، تحت عنوان مزرعه پیل سوختی میکروبی، برای تصفیه فاضلاب‌ها در کنار تولید انرژی سبز و پاک بهره می‌برند.
هدف اصلی این طرح تحقیقاتی، دستیابی به بهترین باکتری متناسب با آند و کاتد پیل سوختی میکروبی با راندمان بالا، طراحی مجموعه پیل (اِستک) با چند سِل، دریافت جریان و ذخیره‌سازی آن با هدف تصفیه فاضلاب و تولید انرژی است.
درباره تیم پژوهشی
سوابق عرضه‌کننده فناوری و مسئول اصلی تیم پژوهشی
دکتر احمد نوزاد، مدرس و متخصص در زمینه پیل سوختی و عضو هیأت‌علمی پژوهشگاه علوم و فنون هستند. ایشان دارای درجه دكترا در شیمی تجزیه گرایش انرژی‌های تجدید پذیر می‌باشند و بيش از 150 مقاله در مجلات بین‌المللی به چاپ رسانده‌‌اند.
ضرورت مسئله
نیاز روز افزون به منابع تأمین انرژی از سویی و محدودیت‌ها و مضرات زیست محیطی استفاده از سوخت‌های فسیلی از سوی دیگر، توجه دولت‌ها را بیش از پیش به سمت سایر منابع پاک تأمین انرژی سوق داده است. رسالت این طرح تحقیقاتی، تولید انرژی پاک الکتریکی (برق) و همچنین تصفیه آلاینده‌های زیست محیطی فاضلاب‌های صنعتی، خانگی یا بیمارستانی در راستای خدمت‌رسانی به افراد جامعه و محیط زیست خواهد بود.
هر پیل سوختی میکروبی به طور معمول، شامل دو محفظه کاتدی و آندی می‌باشد که توسط غشای مخصوص تبادلگر پروتون، نظیر نفیون از هم جدا شده‌اند. در بدنه آندی، سوخت توسط میکروارگانیسم‌ها اکسید شده و الکترون و پروتون تولید می‌نماید. الکترون‌های تولیدی از طریق یک مدار خارجی و پروتون‌ها از میان غشاء به بدنه کاتدی منتقل می‌شوند. الکترون‌ها و پروتون‌ها در بدنه کاتدی با اکسیژن ترکیب شده و آب تولید می‌نمایند.
عوامل مختلفی از جمله سرعت تجزیه سوبسترا، سرعت انتقال الکترون از میکروارگانیسم به الکترود، مقاومت مدار و انتقال پروتون در مایع بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تأثیرگذارند. در میان عوامل موثر، سرعت انتقال الکترون از میکروارگانیسم به الکترود در محفظه آندی تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر عملکرد پیل دارد. از آنجایی که سلول‌های باکتریایی اصولاً از نظر الکترو شیمیایی غیرفعال می‌باشند، انتقال سریع الکترون از میکروارگانیسم به الکترود، نیازمند واسطه‌های انتقال الکترون است. در پیل سوختی میکروبی، انتقال الکترون از میکرواٌرگانیسم‌ها به الکترود توسط واسطه‌هایی مانند تیونین، متیل ویولوژن، متیل بلو، هیومیک اسید تسهیل می‌یابدکه معمولاً ترکیباتی سمّی و گران قیمت هستند. بنابراین به کارگیری طولانی مدت پیل سوختی میکروبی با واسطه، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست. اما در پیل‌های سوختی میکروبی بی‌واسطه، میکروارگانیسم‌های مورد استفاده از نظر
الکتروشیمیایی فعال می‌باشند، به عبارت دیگر میکروارگانیسم‌ها قادرند الکترون‌های تولیدی را در غیاب واسطه‌های شیمیایی به سطح الکترود انتقال دهند. میکروارگانیسم‌ها به عنوان بیوکاتالیست در پیل سوختی میکروبی به‌کار گرفته می‌شوند و به صورت خالص یا ترکیبی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنجایی که به‌کارگیری میکروارگانیسم‌ها به صورت خالص از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی‌باشد، می‌توان از مواد تلقیحی ترکیبی استفاده نمود.
در این طرح تحقیقاتی، با توجه تجربه تیم در زمینه ساخت مونوسِل، با دستیابی به استک پیل سوختی میکروبی (مجموعه مونوسل‌ها) با توان مناسب، می‌توان از آن در سطح تجاری و صنعتی برای تولید برق پاک با رویکرد تصفیه فاضلاب بهره برد که در ابتدا لازم است منبع مناسب مولد تولید جریان بیوالکتریسیته انتخاب شود و پس از آن تأثیر پارامترهای مؤثر جهت افزایش توان الکتریسیته مورد بررسی قرار گیرد. اثر پارامترهایی نظیر منبع میکروبی، اثر مقدار ماده تلقیحی و نوع منبع کربنی بر میزان توان الکتریکی مورد مطالعه و بررسی خواهد بود.
مسئله اصلی تحقیق
در کل یک پیل سوختی از موارد ذیل تشکیل شده است:
1) الکترود آند 2) الکترود کاتد 3) غشاء 4) میکروارگانیسم‌ها
الکترودها؛ الکترودهای پیل‌های سوختی میکروبی، شامل الکترودهای برس گرافیتی با سطح مخصوص زیاد هستند که می‌توانند به ترتیب (اول آندها و سپس کاتدها) یا بصورت نامنظم در همان مخزن قرار گیرند. گروه‌های آند و کاتد با تعداد زیادی الکترود که در داخل یک مخزن یا مدول منفرد قرار گرفته‌اند، یک (آند-کاتد) واحد را تشکیل می‌دهند.
میکرو ارگانیسم‌ها؛ در داخل یک پیل، میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را تجزیه (اکسید) نموده و الکترون تولید می‌کنند که از میان یک سری آنزیم‌های تنفسی در داخل سلول، عبور نموده و برای سلول انرژی تولید می‌کنند. سپس الکترون‌ها به طرف یک پذیرنده نهایی الکترون رها می‌شوند. این پذیرنده، الکترون‌ها را می‌گیرد و احیا می‌شود. مثلاً اکسیژن می‌تواند با واکنش کاتالیستی، الکترون‌ها و پروتون‌ها را به آب تبدیل کند. بسیاری از پذیرنده‌های نهایی الکترون مانند اکسیژن، نیترات، سولفات و دیگر مواد به آسانی در داخل سلول پخش می‌شوند، الکترون‌ها را دریافت می‌کنند و محصولاتی تشکیل می‌دهند که می‌توانند به خارج از سلول نفوذ کنند. بعضی از باکتری‌ها می‌توانند الکترون‌ها را به خارج از سلول به یک پذیرنده نهایی الکترون مانند یک اکسید فلزی (مثل اکسید آهن) منتقل کنند. در حقیقت این باکتری‌ها هستند که می‌توانند الکترون‌ها را انتقال دهند و این می‌تواند به تولید توان در یک پیل سوختی میکروبی منجر شود. به این باکتری‌ها اصطلاحاً اگزوسولار گفته می‌شود.
غشاء و بدنه؛ جهت ساخت بدنه اصلی پیل سوختی میکروبی در مقیاس آزمایشگاهی، از ورقه‌های به ضخامت 5/2 سانتی متر استفاده خواهد شد. حجم مفید پلکسی در ضخامت‌های محفظه فاضلاب و محفظه مربوط به بافر کاتولیت با در نظر گرفتن ضخامت واشرهای آب‌بندی و همچنین قرارگرفتن الکترود و سایر تجهیزات در داخل محفظه، به ترتیب برابر با 40 و 20 میلی‌لیتر مکعب تعیین شده است. یک غشای تبادل یونی کاتیونی مدل
Nafion-1700 جهت جداسازی محفظه کاتد از محفظه فاضلاب مورداستفاده قرار می‌گیرد. الکترود آند از جنس گرافیت مسطح وگرمادیده در دمای 450 درجه سانتی گراد خواهد بود.
همچنین به‌منظور عبوردادن الکترون‌های تولیدی از الکترود آند به سمت کاتد از سیم تیتانیوم استفاده گردید و جهت اندازه‌گیری میزان ولتاژ خروجی از پیل سوختی میکروبی با کاتد هوایی از یک دستگاه ثبت داده‌ها استفاده شد. باتوجه به اینکه ثبت تغییرات ولتاژ در بازه‌های زمانی کوتاه مد نظر است، لذا در نرم‌افزار طراحی شده برای دستگاه، ثبت ولتاژهای ورودی در فاصله‌های زمانی یک دقیقه تعریف می‌شود. لذا در مقیاس آزمایشگاهی، تصفیه کامل در مورد فاضلاب‌های صنعتی آلوده همراه با فلزات سنگین پاسخگو است. کلیه مواد و قطعات ساخت پیل‌های سوختی میکروبی هم در مقیاس آزمایشگاهی و هم در مقیاس پایلوت در داخل کشور مهیا و قابل ساخت است.لازم به ذکر است ظرفیت پیشنهادی جهت ساخت پایلوت 10 متر مکعب می‌باشد.
شرح فرآیند تصفیه فاضلاب به وسیله پیل‌های سوختی میکروبی (MFC):
سیستم باید طوری طراحی شود که باکتری‌ها را از اکسیژن جدا نگاه دارد (یعنی سیستم باید بی هوازی باشد) زیرا اکسیژن در محفظه آند از تولید الکتریسیته جلوگیری می‌کند، که در این مثال کاتولیت یا محلول کاتدی این کار را انجام می‌دهد. باکتری‌ها را می‌توان با یک غشاء (به‌منظور انتقال بار الکتریکی بین الکترودها) از اکسیژن جدا کرد و دو محفظه جداگانه تشکیل داد: یکی محفظه آند که در آن جا باکتری‌ها رشد می‌کنند و دیگری محفظه کاتد که در آن جا الکترون‌ها با کاتولیت واکنش می‌دهند. هوا در کاتد منتشر می‌شود تا اکسیژن محلول را برای واکنش مهیا کند.
در ادامه، مراحل انجام این طرح تحقیقاتی به شرح زیر خواهد بود:
1-در انجام آزمايشات از يك پيل دو قسمتي شامل بخش آند بي هوازي وكاتد هوازي مجزا از هم استفاده می‌گردد. جنس محفظه‌ها از شيشه پلكسي گلاس و ظرفيت هر يك از آن‌ها 800 ميلي ليتر بوده است. دو محفظه توسط يك غشاء عبور دهنده پروتون با (Nafion 117) از جنس نافيون 3در3 سانتی متر ابعاد از هم جدا می‌شوند. به‌منظور زدودن هر گونه ناخالصي و بهبود عملكرد غشاء، در اسید سولفوريك و در آب مقطر در حال جوش قرار خواهد گرفت.
2-روش تحليلي: به‌منظور آناليز داده‌هاي آزمايشگاهي بر حسب ولتاژ و دانسيته جريان، تكنيك قطبيت به كار گرفته شده است. منحني‌هاي قطبيت با استفاده از يك مقاومت بيروني قابل تنظيم به دست می‌آیند. توان و جريان نيز بر اساس معادلات محاسبه می‌شوند.
3-انتخاب منبع ميكروبي: اولين گام در اين تحقيق انتخاب منبع ميكروبي مناسب و به دست آوردن شرايط دمايي بهينه جهت رشد ميكروارگانيسم‌ها بوده است. در انتخاب منبع ميكروبي علاوه بر رشد مناسب منبع مورد نظر در شرايط محيطي، قابليت استفاده از آن به عنوان ماده تلقيحي در محفظه آندي و توليد توان الكتريسيته نيز مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت.
مزایا
- کاهش آلودگی زیست محیطی
- تولید انرژی سبز
- جلوگیری از هدر رفت ضایعات کشاورزی و استفاده بهینه از آن‌ها
کاربردها
- شناسایی و ساماندهی فاضلاب‌های آلاینده زیست محیطی
- تولید سوخت پاک زیست توده از ضایعات کشاورزی، انسانی و حیوانی
- تصفیه فاضلاب‌ها
خروجی‌های مورد انتظار تحقیق
- پیل سوختی میکروبی با توان تولید 10 وات برق از طریق تصفیه فاضلاب
هزینه و زمان اجرای طرح
- هزینه اجرای طرح در بین 400 تا 500 میلیون تومان برآورد می‌شود.
- مدت‌زمان اجرای طرح بین10 تا 12 ماه برآورد می‌شود.
تسهیم مالیک فکری
- مالکیت معنوی: مشارکت‌کننده در مالکیت معنوی ناشی از اجرای تحقیق سـهیم خواهـد بـود و انتشـار مقالـه مشـترک توسـط مجری و مشارکت‌کننده در ژورنال‌های داخلـی و خارجـی، ارائه مقالـه در کنفرانس‌هـا و سـمینارها بـا موافقـت و اشـاره بـه نـام همـه دست‌اندرکاران مجـاز خواهـد بود.
- مالکیـت منافـع مـادی: سهم مشارکت شرکت/شتاب‌دهنده متقاضی حداقل 10 و حداکثر 35 درصد خواهد بود (منافع مالی ناشی از توسعه این فناوری بر اساس توافق طرفین و مشترک خواهد بود و با توجه به سهم آورده نقدی و غیرنقدی توسعه‌دهنده، سهم مالکیت قابل‌مذاکره و توافق است).
ارسال درخواست
- درخواست‌های مشـارکت صرفاً بایـد در چارچوب موردنظر صنـدوق نوآوری و شـکوفایی، تدویـن و حداکثـر تـا تاریـخ 1401/11/30 در سـامانه غـزال صنـدوق نوآوری و شـکوفایی به نشـانی inif.ir ثبت شوند. درخواست‌هایی کـه در چارچوبـی غیرازآن، یـا بـه روش‌های دیگـر بـه دسـت صنـدوق نـوآوری و شـکوفایی برسـند، وارد فراینـد ارزیابـی نخواهنـد شـد.