Mikrobiyal yakıt hücrelerinde membran ve işletme şartlarındaki değişimin güç üretimine etkisi
Effect of changing membrane and operational conditions on power production of microbial fuel cells
Yazar: ELİF ÖZCAN
Danışman: DOÇ. DR. SELİM LATİF SANİN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde (MYH) anot ve katot bölmelerini ayırmak ve protonların anottan katoda geçmesini sağlamak için sıklıkla kullanılan proton ve katyon değişim membranlarının (KDM), MYH'lerde bazı işletimsel problemlere neden olduğu önceki çalışmalarda gösterilmiştir. 
Tez çalışmasında, alternatif iyon değişim membranları ile katyon değişim membranı kullanılmamasının bir MYH'nin performansına etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla üç farklı iyon değişim membranı kullanılmıştır, bunlar: i) CMI-7000S, ii) Selemion CMF ve iii) Selemion HSF'dir. KDM'siz MYH için bölmeler arasında ayırıcı olarak basit karbon kağıdı kullanılmıştır. Dört farklı ayırıcı kullanılarak çalıştırılan iki bölmeli H tip MYH'ler, sistemde oluşan iç dirençler ve elde edilen maksimum güç yoğunlukları açısından sıralandığında en düşük iç direnç ve en yüksek maksimum güç yoğunluğu HSF-MYH'de (234 mW/m2 - iç direnç 631 ohm), elde edilmiş olup, bunu KDM'siz (karbon kağıdı) MYH (192 mW/m2 - iç direnç 766 ohm), CMF-MYH (116 mW/m2 - iç direnç 1177 ohm) ve CMI-MYH (74 mW/m2 - iç direnç 1558 ohm) izlemiştir. Bu dört farklı ayırıcı, katot bölmesinin pH'sındaki artışı önleyebilme kabiliyetine göre yüksekten düşüğe sıralandığında ise sıralama CMF, HSF, KDM'siz MYH (karbon kağıdı) ve CMI membran şeklinde olmuştur. Elde edilen sonuçlar, MYH sistemlerinde çeşitli membranların ve ayırıcıların kullanımının mümkün olduğunu ve maliyet ve performans dikkate alındığında HSF membranın en iyi seçenek olduğunu ortaya koymuştur.
Ayrıca, katot bölmesinde farklı pH'ya sahip katot çözeltileri kullanıldığında, MYH'nin anot ve katot bölmeleri arasındaki pH farklılığı arttıkça protonların membrandan transfer direncinin azaldığı ve membrandan transfer edilen protonların akış hızının arttığı görülmüştür. Buna bağlı olarak asidik pH'da sistemdeki iç direnç azalarak güç üretiminde nötr pH'ya göre CMI membranda % 25 ve CMF membranda % 30 oranında iyileşme sağlanmıştır.
Diğer taraftan, elektron verici olarak sodyum asetatın kullanıldığı bir H-MYH'deki abiyotik bir katotta nitratın elektron alıcısı olarak kullanılması ve farklı nitrat konsantrasyonlarının MYH'nin güç üretimine olan etkisinin de araştırıldığı bu çalışmada, nitratın havalandırmaya gerek duyulmadan güç üretmek için bir oksidant olarak başarıyla kullanılabileceği ortaya konulmuştur. Katot çözeltisindeki nitrat konsantrasyonunun, nitratın giderim oranını, güç ve akım üretimini ve buna bağlı coulomb verimini önemli ölçüde etkilediği görülmüştür. Katot bölmesindeki başlangıç nitrat azot konsantrasyonunun, 310 mg/L'den 12 mg/L'ye düşürülmesi ile nitrat giderim oranında en fazla % 96 oranında bir azalma ve buna bağlı olarak akım üretiminde % 59 ve coulomb veriminde % 50 oranında azalma olmuştur.

Anahtar Kelimeler: Mikrobiyal Yakıt Hücresi (MYH), CMI 7000S, Selemion HSF-CMF 
membran, karbon, nitrat giderimi, asetat, güç üretimi, pH

Abstract:
Proton and cation exchange membranes (CEM) in Microbial Fuel Cells (MFCs), which are widely used in separation of anode and cathode chambers and transfer of protons from anode to cathode, have been shown in previous studies to cause some operational problems in MFCs.
In this thesis, performance of a MFC system with alternative ion exchange membranes and without a CEM  is investigated. For this purpose three different ion exchange membranes were used, which are namely: i) CMI-7000S, ii) Selemion CMF and iii) Selemion HSF. For non-CEM MFC a simple carbon sheet was used as a separator between the chambers. When the MFCs' performances with different separators are listed according to their power density and internal resistance; the highest maximum power density and the lowest internal resistance was observed in HSF-MFC (234 mW/m2 - internal resistance 631 ohm) which was followed by non-CEM (carbon sheet) MFC (192 mW/m2 - internal resistance 766 ohm), CMF-MFC (116 mW/m2 - internal resistance 1177 ohm) and CMI-MFC (74 mW/m2 - internal resistance 1558 ohm). When these four separators were arranged by their capability to prevent pH increase in the cathode chamber, these results from high to low were CMF, HSF, non-CEM (carbon sheet) MFC and CMI. These results showed the possibility of using various membranes in MFC systems and indicated HSF membrane as the best option.   
Also; when different pH solutions were used in the cathode chamber; since the pH difference between anode and cathode chambers was increased, a decrease in proton transport resistance and an increase in proton transport rate across the membrane was observed. Accordingly, reducing the internal resistance in the system (low pH) improved the power production by %25 in CMI membrane and %30 in CMF membrane compared to neutral pH. 
On the other hand, use of nitrate as the electron acceptor in an abiotic cathode in a MFC where sodium acetate was the electron donor, was investigated. Various nitrate concentrations on MFC's power production were used to produce power successfully without the need for aeration. It was observed that concentration of nitrate in the cathode solution has a significant impact on the removal rate of nitrate, power and current production and coulomb efficiency. By reducing the initial nitrate concentration in the cathode chamber from 310 mg/L to 12 mg/L, a maximum of %96 of decrease in the nitrate removal rate and based upon this a decrease of %59 in current production and a decrease of %50 in coulomb efficiency was observed.

Key Words: Microbial Fuel Cell (MFC), CMI 7000S, Selemion HSF-CMF membrane, 
carbon, nitrate removal, acetate , power production, pH