الفهرس 
INTRODUCTIONOnly 14 pages are availabe for public view
 |  | from | 329 |  |  |
| | | from | 329 | | |
Abstract
يوما بعد يوم، يزداد الإحتياج لمصادرالطاقات الجديدة البديلة، وفي الأيام القادمة سيتم تطبيق المصادر البديلة للطاقة في شتى المجالات. تمثل خلايا الوقود الميكروبية شكلاً جديداَ من بدائل الطاقة التى لها القدرة على استخدام الكائنات الحية الدقيقة (البكتريا والطحالب الدقيقة) كعامل مساعد والحصول على طاقة كهربية من المركبات العضوية المختلفة الموجودة في المياه العادمة ومياه المخلفات الصناعية، حيث أنها تعمل على تحويل الطاقة المختزنة في الروابط الكيميائية للمركبات العضوية إلى طاقة كهربية عن طريق التفاعلات البيوكهروكميائية لذا فهي تمثل خطوة واعدة على طريق توليد طاقات مستدامة فى المستقبل القريب.
وتتخلص الرسالة في النقاط الأساسية الآتية:
يعتبرثانيأكسيد المنجنير النانوي من الأكاسيد التي تم اختبار نشاطها الكهروكميائي باستخدام تقنية الفولتامترية الدائرية والتى أثبتت أن لها نشاط كهربي عالي جداً والتي بدورها تُساهم بشكل كبير في اصطياد السلالات الميكروبية التي لها نشاط كهربي أيضا.
أثبتت تقنية الفولتامترية الدائرية و المسح المجهري الإلكتروني أن عينات مياه الصرف الصحي من مرحلتي المعالجة المدخل اللاهوائية والمخرج تحتوي على خليط من سلالات بكتيرية ذات نشاط كهربي عالي كما أن لها القدرة على تكوين فيلم حيوي نشط بالإضافة إلى قدرتها على نقل إلالكترونات الناتجة من تكسير المواد العضوية مباشراًّ إلى سطح الأنود دون الإحتياج إلى وسيط ناقل.
الطاقة الكهربية الناتجة من تشغيل خلية الوقود البكتيرية احادية الردهة المعتمدة على خليط من سلالات بكتيرية من مرحلة معالجة المدخل اللاهوائي وصلت الى 52.8 ميللى وات لكل متر مربع وهي اعلى من الطاقة الناتجة خليط سلالات البكترية من مرحلة معالجة المخرج.
تم استخدام الجلوكوز، اسيتات وزبدات الصوديوم لتقييم قدرة خليط السلالات البكتيرية من مرحلة معالجة المدخل اللاهوائي على التكسير الحيوي، وأوضحت النتائج أن الجلوكوز يعتبر أفضل مصدر كربوني لإنتاج الإلكترونات حيث وصلت الطاقة الناتجة إلى 7.3 ميللى وات لكل متر مربع كانت نسبة ازالة الحمل العضوي 46%.
ومن النتائج الهامة التى أوضحتها الدراسة أن زيادة تركيز الجلوكوز من 5 جرامات للتر إلى 10 جرامات للتر يؤدي إلى إنخفاض فى انتاجية الطاقة الكهربية لما له من دور في تقليل كفاءة السلالات البكتيرية
وبتشغيل خلية الوجود احادية االردهة أوضحت النتائج أن التجمعات البكتيرية على سطح الانود لها دور مهم في كفاءة الخلية
كما تم دراسة الخواص الظاهرية للفيلم الحيوي عن طريق تصويرها بواسطة الميكروسكوب الالكتروني وبتحليل التتابع الجيني للحمض النووي بواسطة 16s RNA تبين انها تنتنمي إلى السلالة البكتيرية Enterobacter cloacae وتم تقييم نشاطها الكهروكيميائي وتبين أن لها القدرة على تكويين فيلم حيوي نشط بالإضافة إلى قدرتها على نقل إلالكترونات الناتجة من تكسير المواد العضوية مباشراًّ إلى سطح الأنود دون الإحتياج إلى وسيط ناقل.
تم دراسة تأثير مجموعة من المتغيرات على كفاءة خلية الوقود البكتيرية لتوليد تيار كهربي دون إضافة مواد مساعد كنواقل ومن العوامل التي لها تأثير معنوي على عمل خلية الوقود البكتيرية:
نوع المواد المُستخدمة في تصنيع الأنود والتي تلعب دورهام جداَ في المساعدة على استقطاب السلالات البكتيرية ذات النشاط الكهربي وتكوين فيلم حيوي نشط، كما تم اختبار النشاط الكهربي باستخدام تقنية الفولتامترية الدائرية لبعض المواد النانوية لإستخدمها كأنود مثل أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران , خليط أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران مع ثاني أكسيد المنجنيرالنانوي، أكسيد الجرافين المختزل, خليط أكسيد الجرافين المختزل مع ثاني أكسيد المنجنيرالنانوي وخليط من اكسيد الجرافين المختزل مع أكسيد ألألومنيوم. وأثبت المسح المجهري الإلكتروني تكوين فيلم حيوي نشط على سطح الأنود المُصنع من خليط أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران مع جسيمات أكسيد المنجنيرالنانوية، كما أنه أثبت كفاءة عند استخدامه كأنود فى خلية الوقود البكتيرية أحادية الردهة وتم انتاج طاقة كهربية قدرها 56.6 ميللي وات لكل متر مربع.
نوع اللقاح البكتيري المستخدم كمحفز حيوي فى خلية الوقود البكتيرية. تم الاعتماد على ثلاثة أنواع من اللقاح البكتيري لتشغيل خلية الوقود البكتيرية احادية الردهة. اوضحت النتائج أن خلية الوقود البكتيرية التى أعتمدت فى تشغيلها على خليط من مجتمع بكتيري من سلالات Enterobacter cloacae. أظهرت كفاءة فى أنتاج كهربية طاقةكهربية قدرها 157ميللي وات لكل متر مربع والتى كانت أعلى من الطاقة الناتجة من خلايا الوقود البكتيرية التى تم تشغيلها باستخدام مجتمع بكتيري خام من مياه الصرف أو سلالة بكتيرية منEnterobacter cloacae بصورة نقية.
كما أوضحت النتائج أن نوع نوع اللقاح البكتيري المستخدم كمحفز حيوي فى خلية الوقود البكتيرية يلعب دورا مهم فى التخلص من الحمل العضوي الموجود بالمياه العادمة المنزلية حيث أن خلية الوقود البكتيرية احادية الردهة التى أعتمدت فى تشغيلها علىمجتمع بكتيري خام من مياه الصرف كمحفز حيوي حققت أعلى نسبة إزالة للحمل العضوي والتي وصلت إلى 59% بينما حققت خلية الوقود البكتيرية احادية الردهة المعتمدة على سلالة بكتيرية من Enterobacter cloacae بصورة نقية أقل نسبة إزالة للحمل العضوي والتى وصلت إلى 26%.
تركيز خليط المواد النانومترية المستخدمة فى تصنيع الأنود، حيث تتحسن انتاجية خلية الوقود البكتيرية عند زيادة نسبة خليط أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران مع جسيمات أكسيد المنجنيرالنانوية إلى 50% حيث تصل الطاقة الكهربية الناتجة إلى 372ميللي وات لكل متر مربع. ولكن بزيادة نسبة هذا الخليط فى الأنود إلى 75% انخفضت نسبة الطاقة الكهربية الناتجة إلى 248 ميللي وات لكل متر مربع.
نوع الموادالمُستخدمة في تصنيع الكاثود والتي لها دور فعال فى تعجيل تفاعل الأكسدة والإختزال الذي يتم عند الكاثود. تم توليف بعض المواد النانوية واختبار نشاطها الكهربي باستخدام تقنية الفولتامترية الدائرية ككاثود مقارنة بالبلاتين. تم استخدام المجهر الإلكتروني النافذ لتصوير الخصائص الظاهرية للمواد المستخدمة وهي البلاتين, خليط من البلاتين مع اكسيد الجرافين المختزل (1%)، ألواح أكسيد الجرافين المختزل النانوية(1%)، جسيمات أكسيد المنجنيز النانوية(1%)، بالإضافة إلى خليط من اكسيد المجنيز مع أكسيد الجرافين المختزل (1%). كما اثبت خليط البلاتين مع اكسيد الجرافين المختزل (1%) كفاءة عند استخدامه ككاثود فى خلية الوقود البكتيرية أحادية الردهة وتم انتاج طاقة كهربية قدرها 160 ميللي وات لكل متر مربع والتي كانت تنخفض بنسبة ضئيلة تصل إلى 5.8% عن الطاقة الكهربية التي نتجت بواسطة خلية الوقود البكتيرية احادية الردهة التى اعتمدت على البلاتين فقط ككاثود (كانت الطاقة الكهربية الناتجة 170 ميللي وات لكل متر مربع).
وبعد التوصل إلى أفضل المواد النانوية التى حققت أعلى كفاءة تشغيل كأنود وكاثود، تم تطبيقهم معاَ فى خلية وقود بكتيرية أحادية الردهة واختبار كفاءة الخلية فى توليد طاقة كهربية ومعالجة مياه الصرف معاً. وأوضحت النتائج ان خلية الوقود البكتيرية المكونة من خليط أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران مع جسيمات أكسيد المنجنيرالنانوية(50%) كأنود مع البلاتين مع اكسيد الجرافين المختزل (1%) ككاثود والتى اعتمدت فى تشغيلها على خليط من مجتمع بكتيري من سلالات Enterobacter cloacaeكمحفز عضوي حققتطاقة كهربية تصل إلى 326 ميللى وات لكل متر مربع مع إزالة الحمل العضوي من المياه العادمة المنزلية من محطة زنين بالجيزة بنسبة تصل إلى 49%.
وفى محاولة لزيادة الانتاجية الكهربية لخلاية الوقود البكتيرية حتى يتثني استخدامها فى التطبيقات المختلفة تم توصيل ثلاثة وحدات متشابهة من خلايا الوقود احادية الردهة على التوالى حيث وصلت الطاقة الكهربية الناتجة إلى 510 ميللي وات لكل متر مربع.
وبالإشارة إلى استخدام الطحالب الدقيقة فى خلايا الوقود، تم تقييم النشاط الكهروكيميائي لثلاثة من السلالات الطحلبية المعزولة من نهر النيل:
Chlorella vulgaris,Chroococcus turgidus,Oscillatoria agardhiiمن خلال تقنية الفولتامترية الدائرية وتبين أن لها القدرة على تكوين فيلم حيوي نشط بالإضافة إلى قدرتها على نقل إلالكترونات الناتجة من تكسير المواد العضوية مباشراًّ إلى سطح الأنود دون الإحتياج إلى وسيط ناقل وذلك خلال تحضينها وزراعتها في بيئة مظلمة ولكن عند زراعة الثلاثة سلالات طحلبية في وجود اضاءة لم تُظهر اى نشاط كهروكميائي.
كما اظهر طحلب Oscillatoria أعلي نشاط كيميائي فى الظروف المظلمة مقارنة بالسلالات الأخرى المستخدمة.
اوضحت النتائج ان زراعة طحلب Oscillatoria فى محلول متعادل يحتوي على مصدر كربوني عضوي وفي غياب الضوء والمغذيات الغير عضوية تُعد من أفضل الظروف للحصول على أقل معدل من الأكسجين المنبعث وهي الظروف المُثلى لتشغيل خلية الوقود الميكروبية المعتمدةعلى طحلب Oscillatoria
يعمل الاكسجين المنبعث من عملية البناء الضوئي التي تقوم بها الطحالب كمستقبل شره للالكترونات مما يؤثر على كفاءة خلايا الوقود الميكروبية المعتمدة على الطحالب.
عندما تم استخدام طحلب Oscillatoriaكمحفز حيويعند قطب الانود فى خلية وقود ميكروبية أحادية الردهة حدث انخفاض فى فولت الخلية نتيجة ضخ الهواء لذلك فأن خلية الوقود الميكروبية أحادية الردهة ليست فعالة لتشغيل طحلب Oscillatoria وتم استبدالها بخلية ثنائية الردهة.
عند اختبار قدرة طحلب Oscillatoriaعلى التكسير الحيوي لبعض المواد العضوية باستخدام خلية وقود ثنائية الردهة, أظهر الجلوكوز اعلى انتاجية للطاقة وصلت الى26.8 ميللى وات / متر مربع مقارنة بأنواع السكر الأخرى.
وكان من الواضح أيضا أنه عند رفع تركيز الجلوكوز من 5 جرام /لتر إلى 10 جرام/لتر فإن الطاقة الناتجة من خلية الوقود انخفضت من 26.8 ميللى وات لكل متر مربع إلى0.08ميللى وات / متر مربع . ومع ذلك, عند استخدام واحد جرام /لتر من الجلوكوز كانت الطاقة الناتجة حوالي 9.8 ميللى وات لكل متر مربع.
استخدام الطحالب المجمعة من بحيرات الاكسدة فى محطة الصرف الصحي كمحفز حيوي عند الانود باستخدام خلية وقود ميكروبية احادية الردهة , أدي إلى انتاجية منخفضة من الطاقة وصلت الى 4 ميللي وات/متر مربع وكانت الطاقة مصجوبة بنسبة عالية من ازالة الحمل العضوي الموجود بمياه الصرف وصلت الى 87.2%.
اظهرت النتائج أنه عند استخدام الطحالب المجمعة من بحيرات الاكسدة كمحفز حيوي عند الكاثود أن تشغيل خلية وقود ميكروبية ثنائية الردهة تنتج طاقة تصل الى 250ميللي وات/مترمربع وهي اعلى من الطاقة الناتجة من تشغيل خلية وقود ميكروبية احادية الردهة.
كما اثبتت لنتائج انه عند استخدام الطحالب الجافة المجمعة من بحيرات الأكسدة كمادة عضوية يتم تكسيرها بواسطة خليط من سلالات E. Cloacae البكتيرية فإن أعلى طاقة تم انتاجها بواسطة خلية وقود ميكروبية احادية الردهة كانت 14.1 ميللى وات/متر مربع وكانت ايضا مصحوبة بنسبة ازالة للحمل العضوي لماه الصرف وصلت الى 24.3 % وذلكنتيجة لان انواع الطحالب الموجودة فى بحيرات الأكسدة محاطة بغلاف سميك يصعب تكسيره بواسطة البكتيريا