Endüstriyel atıksuların düşük maliyetli ve yüksek verimli mikrobiyal yakıt hücresi ile arıtımı ve elektrik enerjisi üretimi
Treatment of industrial wastewaters by low-cost and high-efficiency microbial fuel cell and electricity energy production
Yazar: AFŞIN YUSUF ÇETİNKAYA
Danışman: PROF. DR. BESTAMİ ÖZKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda enerji ihtiyaçlarını karşılamak için fosil yakıtların kullanımındaki artış çevresel problemleri hızlandırmış, yenilenebilir enerji kaynaklarına ve teknolojilerine olan talep giderek artmıştır. Bu durum bilim dünyasında yapılan çalışmaları alternatif enerji kaynakları arayışına yönlendirmiştir. Rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına alternatif olarak, biyolojik yolla elde edilen enerji gelecekte en önemli enerji kaynaklarından biri haline gelecektir. Mikrobiyal Yakıt Hücreleri (MYH) yenilenebilir enerji kazanımı için kullanılan yeni bir yöntemdir. MYH sistemleri, atıksu arıtmının yanında eş zamanlı olarak elektrik enerjisinin üretildiği arıtma teknolojisi olarak bilinmekte olup klasik sistemlere nazaran birçok avantajı bulunmaktadır. MYH'nin en temel üstünlükleri; (1) anaerobik bir sistem olduğundan nispeten daha az çamur üretimi, (2) temiz ve yenilenebilir olması, 3) sıfır kirletici olması şeklinde sıralanabilir.
Bu sistemlerin sahip olduğu avantajlara karşın MYH'de üretilen enerji miktarının yeterli düzeylere henüz ulaşmaması ve kullanılan malzeme fiyatlarının yüksek olması büyük ölçekte uygulanabilirliğini kısıtlamaktadır. MYH'nin ticari olarak uygulanabilir olması için daha düşük maliyetli ve daha verimli, elektrot ve ayırıcı maddelerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Elektrot malzemelerinde ihtiyaç duyulan gereksinimler yüksek elektrik iletkenliği, yüksek yüzey alanı/hacim oranı, biyolojik uyumluluk, korozyona karşı direnç ve büyük ölçekli uygulamalara uygunluk olarak belirlenmiştir. Bu ancak malzeme bilimi, elektrokimya, biyomühendislik, mikrobiyoloji, moleküler biyoloji ve atıksu arıtımı gibi bilim dallarının kombinasyonu ve eşzamanlı ilerlemesiyle sağlanabilir. Anot ve katot bölmeleri arasında kullanılan ayırıcıların da iyileştirilmesi gerekmektedir. Ayırıcılar proton transferini desteklemeli ve katottan anota doğru oksijen difüzyonunu engellemelidir.
Bu tez kapsamında MYH'nin katot kısmında kullanılmak üzere Grafen destekli Pt ve ikili Pt-M (M=Co, Mn ve Ni) alaşımları grafen oksit ile metal iyonlarının eş zamanlı NaBH4 ile indirgenmesiyle hazırlanmıştır. Farklı şartlarda hazırlanan elektrotların elektrokimyasal özellikleri, yakıt hücresi testlerinden önce, Döngüsel Voltametri, Döner Disk Elektrot, Lineer Tarama Voltametri ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi yöntemleri ile belirlenmiştir. Fiziksel özellikler ise SEM, TEM, XRD, XPS, TGA ve FT-IR gibi güçlü karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiş ve istenilen özellikleri sağlayan elektrotlar MYH'de katot elektrodu olarak kullanılmıştır. Düşük maliyetli en iyi katot malzeme modifikasyonu ile yakıt hücresi testi yapılmış ve yakıt hücresi verimi test edilmiştir. En iyi malzeme konfigurasyonu ile MYH sisteminde üretilen enerji depolanmıştır.
Tez kapsamında 3 farklı aşı çamuru ve 4 farklı atıksu denenmiş ayrıca, farklı elektrot malzemeleri üzerinde biyofilm büyümesi ve mikrobiyal tür çalışmaları yapılmıştır. Tez sayesinde, elektrik enerjisi üretimi için potansiyel atıksu kaynakları belirlenmiş, bu atıksuların elektrik üretim potansiyelleri test edilerek MYH'lerde bu atıksuların arıtımı için optimum şartlar tespit edilmiştir.

Abstract:
In recent years, the increase in the use of fossil fuels to meet energy demand has increased environmental problems. Therefore, the demand for renewable energy sources and technologies has increased steadily. This has led the searchers to find alternative solutions to meet the energy demand. As an alternative to renewable energy sources such as wind and solar energy, biological energy will become one of the most important energy sources in the future. Microbial Fuel Cells (MFC) is a new method for renewable energy. MFC systems are known as treatment technology where electricity energy is generated simultaneously with wastewater treatment. This system has many advantages over conventional systems. The most fundamental advantages of MFC are; (1) relatively less sludge production like an anaerobic system, (2) it is clean and renewable, and (3) zero pollutant forms.
Despite the advantages of these systems, the amount of energy generated in MFC has not yet reached adequate levels. Furthermore, the high material prices used within the system, restricts the applicability on a full scale. For MFC to be commercially viable, there is a need to develop more cost-effective and more efficient electrodes and separators. The requirements for electrode materials are determined to be high electrical conductivity, high surface area / volume ratio, biocompatibility, corrosion resistance and suitability for full scale applications. This can only be achieved by the combination and simultaneous progress of science branches such as material science, electrochemistry, bioengineering, microbiology, molecular biology and wastewater treatment. Separators used between anode and cathode compartments also need to be improved. The separators must sustain proton transfer but prevent oxygen diffusion from cathode to anode.
In this thesis, Grafen supported Pt and binary Pt-M (M = Co, Mn and Ni) alloys were prepared by simultaneous reduction of graphene oxide and metal ions by NaBH4 to be used in the cathode of the MFC. The electrochemical properties of the electrodes prepared under different conditions were determined before the fuel cell tests by Cyclic Voltammetry, Rotary Disc Electrode, Linear Scanning Voltammetry and Electrochemical Impedance Spectroscopy methods. The physical properties of MFC were investigated by using strong characterization methods such as SEM, TEM, XRD, XPS, TGA and FT-IR. The electrodes providing desired properties were used as cathode electrodes in MFC. Fuel cell test and fuel cell efficiency have been tested with the best cost-effective cathode material modification.The energy produced with the best material configuration was used to store the produced energy.
In the thesis, 3 different inoculation sludge and 4 different wastewaters were tested and biofilm growth and microbial species studies were carried out on different electrode materials. As a result of the thesis, potential wastewater sources for electricity generation have been determined and the optimum production conditions of these wastewaters have been determined in MFCs by testing the electric production potential of these wastewaters.