ارزیابی اثر متیل رد و لاکتات به عنوان واسطه انتقال الکترون و منبع کربن ساده بر عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی میکروبی رسوب دریاچه ارومیه

مقدمه: بحران انرژی به‌علت مصرف روزافزون سوخت‌های فسیلی موضوع بسیار مهمی است؛ ازاین‌رو، منابع انرژی جایگزین دارای اهمیت فوق‌العاده‌ای هستند. از میان منابع انرژی تجدیدپذیر، فناوری پیل‌های سوختی میکروبی رسوبی بسیار مهم است؛ در این پیل‌ها با عملکرد کاتالیزوری باکتری‌های مناسب (اگزوالکتروژن) انرژی شیمیایی مواد آلی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. مواد و روش‏‏ها: در مطالعۀ حاضر، از ظروف شیشه‌ای یک لیتری به‌عنوان راکتور استفاده شد. نصف ظرف با لجن دریاچۀ ارومیه (بخش آندی) و بخش بالایی ظرف با آب دریاچۀ ارومیه (بخش کاتدی) تعبیه شد. صفحه‌های گرافیتی با مساحت سطح کاربردی 4×4 سانتی‌مترمربع (الکترود انتخابی) به سیم‌های مسی اتصال یافتند و دو بخش متاثر از مقاومت بیرونی 2.2 کیلواهم به‌ هم متصل شدند. عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌های سوختی با استفاده از ولت‌‌متر دیجیتالی ارزیابی شد. تاثیر متیل‌رد (واسطۀ انتقال الکترون) و لاکتات (منبع سادۀ کربنی) پس‌از تعیین غلظت بهینه در سه بازۀ 15‌روزه بررسی شد. نتایج: نتایج نشان دادند عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی میکروبی رسوبی دارای متیل‌رد با دانسیتۀ توان 7.54 میلی‌وات بر متر‌مربع سطح کاربردی الکترود آندی اختلاف معناداری با پیل سوختی بدون واسطه با دانسیتۀ توان 0.46 میلی‌وات بر متر‌مربع دارد. در مقابل، پیل حاوی متیل‌رد و لاکتات دانسیتۀ توان 1.41±4.44 میلی‌وات بر متر‌مربع را نشان داد. بحث و نتیجه‏گیری: کنسرسیوم میکروبی رسوبات الکترون‌های تولیدشده از تجزیۀ منابع آلی را به‌طور مستقیم در قالب تشکیل بیوفیلم روی الکترود آندی و یا به کمک واسطه‌های سنتتیک به الکترود آندی منتقل می‌کنند. نتایج نشان دادند افزودن واسطۀ سنتتیک خارجی متیل‌رد باعث افزایش عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی می‌شود. انتظار می‌رفت پیل سوختی عملکرد بهتری در حضور منبع کربن خارجی و متیل‌رد داشته باشد، اما پیل سوختی در نبود لاکتات عملکرد بهتری نشان داد.

Evaluation of Methyl Red and Lactate as a Mediator and a Simple Carbon Source on Electrochemical Performance of Urmia lake Sediment Microbial Fuel Cell

Introduction: The energy crisis is an urgent issue due to the increased consumption of fossil fuels. Therefor alternative energy sources are, of critical importance. Sediment Microbial fuel cells (SMFCs) are more important among other renewable energy sources in which chemical energy in organic compounds is converted to electrical energy due to proper bacteria (exoelectrogens) catalytic activity.Materials and methods: In this study, one liter glassy reactor was used, half of it was filled with Urmia lake sediment, where microbial consortium are present, as anodic part and upper half was filled with lake water as cathodic part. Copper wires attached to graphite electrodes 4×4 cm² (choice electrode) and via an external resistance 2/2 kΩ two sections related to each other. Electrochemical performance was evaluated by a digital voltimeter. The effectiveness of methyl red as mediator and lactate after determination of optimum concentration which is added every 15 days was evaluated. All fuel cells were studied for over 45 days of experiment.Results: The results demonstrated the mediator SMFC with power density of 7/54 mW/m² has a distinct difference with mediatorless SMFC with power density of 0.46 mW/m². The recorded power density of SMFC with lactate and mediator was 4/44 ± 1/44 mW/m².Discussion and conclusion: Sediment microbial consortia degrade available organic compounds and transfer to the anode electrode by using synthetic mediators. The results showed, in addition to external synthetic mediator, methyl red increases fuel cell electrochemical performance. While it was expected that fuel cell performs well in the presence of mediator and external carbon source, we witnessed better electrochemical performance in the absence of lactate.