وبلاگ

خوردگی[1] از مهم‌ترین مشکلاتی است که در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی مقابله با آن هزینه زیادی را به خود اختصاص می‌دهد. خوردگی می‌تواند بر روی عمر تجهیزات، بهره‌برداری از آن‌ ها، بازگشت سرمایه، کیفیت محصولات تولیدی و . . . مؤثر باشد.
خوردگی به شکل‌های گوناگون در زندگی روزمره به چشم می‌خورد. نقاط و حفره‌های قرمز مایل به نارنجی در تجهیزات نشتی مخازن آب، آب تیره خروجی از داخل شیرها، همچنین میخ­ها، چنگک‌‌ها، لوله‌‌ها، کانال‌ها، ظروف آشپزخانه و قوطی­های حلبی خورده شده نمونه‌های متداولی از خوردگی هستند. خوردگی با دید غیر تخصصی اغلب بر کهنگی تجهیزات دلالت داشته و قابل چشم پوشی است. در‌صورتی‌که خوردگی بیانگر کاهشی قابل توجه در ارزش یک جسم جامد است که در معرض یک برخورد شیمیایی مستقیم قرار گرفته است.
خوردگی محدود به فلز نبوده بلکه شامل مواد غیر فلزی مانند پلیمرها، مواد نسوز، مواد مرکب و مواد دیگر نیز می‌شود. از نظر ترمودینامیکی خوردگی یک فرایند خود‌ به ‌خودی است که در جهت کاهش انرژی آزاد[2]حرکت می­ کند.
مهندسی خوردگی کاربرد دانش و فن یا هنر جلوگیری یا کنترل خسارت ناشی از خوردگی به روش اقتصادی و مطمئن می‌باشد. برای اینکه مهندس خوردگی به خوبی از عهده وظایف خود برآید بایستی با اصول و عملیات مبارزه با آن، خواص شیمیایی، متالورژیکی، فیزیکی و مکانیکی مواد، آزمایش‌های خوردگی، ماهیت محیط‌های خورنده، قیمت مواد اولیه و . . . آشنا باشد. همچنین در حل مسئله خوردگی بایستی روشی را انتخاب نماید که بیشترین بهره را در بر داشته باشد.
2-1- تعریف خوردگی
خوردگی را تخریب یا فاسد شدن یک ماده در اثر واكنش با محیطی كه در‌آن قرار دارد تعریف می‌‌‌كنند. بعضی‌ها اصرار دارند كه این تعریف بایستی محدود به فلزات باشد، ولی غالباً مهندس خوردگی بایستی برای حل یک مسئله هم فلزات و هم غیر فلزات را در نظر بگیرد. مثلاً، تخریب رنگ و لاستیک بوسیله نور خورشید یا مواد شیمیایی، خورده شدن جداره كوره فولاد‌سازی، و خورده‌ شدن یک فلز جامد بوسیله مذاب یک فلز دیگر تماماً خوردگی نامیده می‌شوند. خوردگی می‌تواند سریع یا كند صورت گیرد ]1[.
خوردگی فلزات را همانطور كه در شكل 1-1 نشان داده‌ شده ‌است می‌توان برعكس متالورژی استخراجی[1] در نظرگرفت. در متالورژی استخراجی، هدف عمدتاً بدست آوردن فلز از سنگ معدن و تصفیه یا آلیاژ‌سازی آن برای مصارف مختلف می‌باشد. اكثر سنگ معدن‌های آهن حاوی اكسیدهای آهن هستند و زنگ‌زدن فولاد بوسیله آب و اكسیژن منجر به تشكیل اكسید آهن هیدراته[2] می‌گردد. اگر چه اكثر فلزات موقعی كه خورده می‌شوند تشكیل اكسیدهایشان را می‌دهند ولی لغت زنگ زدن فقط در مورد آهن و فولاد بكار برده می‌شود.
به طور كلی خوردگی را می‌توان به سه صورت ذیل تعریف نمود:
1- تخریب و انهدام توسط عوامل غیر مكانیكی.
2- تخریب و انهدام توسط واكنشهای شیمیایی و الكترو شیمیایی فلز و محیط.
3- عکس استخراج.
3-1- هزینه های خوردگی
تخمین­ هزینه­ های سالانه خوردگی در ایالات متحده بین 8 میلیارد دلار تا 126 میلیارد دلار می‌با‌‌شد] 1[. مهندسان معتقدند كه 30 میلیارد دلار واقعی‌ترین رقم باشد. به هر ترتیب، خوردگی از لحاظ اقتصادی بسیار زیان آور است و برای كاهش‌دادن آن كارهای زیادی می‌توان انجام داد. اگر این نكته را در نظر بگیریم كه هرجا فلز و مواد دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند خوردگی با درجه و شدت‌های متفاوتی واقع می‌گردد، این رقم‌های بزرگ دلاری چندان غیر منتظره نخواهند بود. علاوه بر زیان­های مستقیم خوردگی، هزینه‌های غیر

 مستقیم خوردگی حاصل از توقف فرایند[1] تولید صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، پایین آمدن بازده تجهیزات و خارج شدن از شرایط بهره برداری مطابق طراحی، نیز هزینه‌‌هایی است که باید در نظر گرفته شود. عدم تولید در هنگام توقف در یک واحد نفت، گاز و پتروشیمی جهت تعمیرات می‌تواند تا میلیونها دلار در روز زیان وارد سازد. نشتی‌ها در خطوط لوله و مخازن منجر به عدم تولید بهینه می‌گردد. این نشتی‌ها می‌تواند باعث بروز آلودگی آب‌های زیرزمینی شده و مشكلات زیست محیطی را نیز ایجاد نماید كه هزینه‌های مورد نیاز برای حل چنین مشكلاتی سرسام آوراست. در حقیقت اگر خوردگی وجود نداشت اقتصاد جامعه ما به شدت تغییر می‌كرد. مثلاً اتومبیل‌ها، كشتی‌ها، خطوط لوله‌های زیرزمینی و وسایل خانگی احتیاج به پوشش نداشتند، صنایع فولاد زنگ نزن[2] از بین می‌رفتند و مس فقط برای مقاصد الكتریكی بكار می‌رفت. اكثر كارخانجات و محصولاتی كه از فلز پوشش‌دار ساخته می‌شوند از فولاد یا چدن ساخته می‌شدند] 1[.

اگرچه خوردگی اجتناب ناپذیر است، ولی هزینه آن را به مقدار زیادی می‌توان كاهش داد. مثلاً یک آند ارزان قیمت منیزیم می‌تواند عمر تانك آب گرم خانگی را دو برابر كند. شستشوی اتومبیل برای زدودن نمك‌هایی كه برای یخ بندان روی جاده می‌پاشند مفید است. انتخاب صحیح مواد و طراحی خوب، هزینه‌های خوردگی را كاهش می‌دهد. یک برنامه صحیح تعمیرات و نگهداری وارد صحنه می‌شود و می‌تواند موثر باشد و ماموریت اصلی آن مبارزه با خوردگی است.
جدا از مخارج مستقیم دلاری، خوردگی یک مشكل جدی است زیرا بطور روشنی باعث تمام شدن منابع طبیعی ما می‌گردد. مثلاً فولاد از سنگ آهن بدست می‌آید و میزان تولید داخلی سنگ آهن پر‌عیار كه مستقیماً قابل استفاده باشند، به شدت كاهش یافته است. توسعه صنعتی سریع بسیاری از كشورها نشان می‌دهد كه رقابت برای  قیمت منابع فلزی افزایش خواهد یافت.
4-1- خسارات ناشی از خوردگی
در این قسمت بعضی اثرات زیان بار خوردگی تشریح خواهد شد:
1-4-1- ظاهر
سطوح زنگ‌زده خوشایند نیستند. تجهیزات زنگ‌زده یا به شدت خورده شده در یک كارخانه تاثیر بدی روی بیننده خواهد گذاشت. به همین دلیل بدنه ماشین‌ها را رنگ کرده و یا در سازه‌های خارجی ساختمان‌ها از فولاد زنگ نزن، آلومینیوم، یا مس استفاده می‌شود.
2-4-1- مخارج تعمیرات و نگهداری و بهره برداری
بازسازی سطوح خورده‌شده و تعمیر آن‌ ها بسیار پر هزینه است. به كاربردن مواد مقاوم در برابر خوردگی نیز مخارج زیادی را در بر دارد. بنابراین برای محافظت از این سطوح هزینه هنگفتی صرف می‌شود.
3-4-1- تعطیلی کارخانه
غالباً بخاطر انهدام غیر منتظره ناشی از خوردگی، واحدی را متوقف ‌می‌سازند یا قسمتی از یک سیستم را می‌خوابانند. و این خود منجر به توقف تولید و یا کند شدن روند آن شده و در برخی موارد افرادی را بیکار می‌کند.
4-4-1- آلوده شدن محصول
در اكثر موارد قیمت یک محصول در بازار به خلوص و كیفیت آن بستگی دارد. عاری بودن از آلودگی‌های جزئی فاكتور حیاتی در تولید و حمل و نقل پلاستیك‌‌های شفاف، رنگ‌ها، مواد غذایی، داروها و نیمه هادی‌ها[1]ست. در بعضی موارد مقدار كمی خوردگی كه باعث وارد شدن یون‌های فلزی به داخل محلول می‌گردد ممكن است باعث تجزیه كاتالیزوری[2] یک محصول گردد. از جمله این موارد تولید و انتقال پراكسید هیدروژن[3] غلیظ و یا هیدرازین[4] می‌باشد. درمواردی كه با آلودگی و تجزیه محصول مواجه هستیم عمر قطعه فاكتور مهمی نخواهد بود با وجود اینكه فولاد معمولی ممكن است سال‌ها دوام بیاورد، ولی فلز گرانتری بكار برده می‌شود تا از آلودگی محصول به محصولات خوردگی ناشی از فولاد معمولی اجتناب گردد.
5-4-1- نشت یا از بین رفتن محصولات با ارزش
نشت جزئی سولفوریك‌اسید به فاضلاب نگرانی حادی ایجاد نمی‌كند، زیرا سولفوریك‌اسید ماده ارزان قیمتی است. اما، نشت یا از بین رفتن ماده‌ای كه گالنی چند صد دلار ارزش دارد بایستی به سرعت متوقف گردد. نشت جزئی تركیبات یا محلول‌های اورانیم خطرناك است و می‌تواند خیلی گران تمام شود. در چنین مواردی استفاده از طراحی مناسب‌تر و مواد بهتر برای ساخت تجهیزات بخوبی قابل توجیه هستند.
6-4-1- اثرات بر امنیت و قابلیت اعتماد
كاركردن با مواد خطرناك مثل گازهای سمی، كلریدریك‌اسید،‌ سولفوریك‌اسید و نیتریك‌اسید غلیظ، مواد منفجره و قابل اشتعال، مواد رادیواكتیو، و مواد شیمیایی در دماها و فشارهای بالا مستلزم استفاده از نوعی مواد ساختمانی است كه خطر انهدام خوردگی را به حداقل برساند. صرفه‌جویی در مواد ساختمانی در مواردی كه امنیت به خطر می‌افتد، مطلوب نیست. ملاحظات بهداشتی نیز می‌توانند مهم باشد مثل آلودگی آب آشامیدنی، محصولات خوردگی می‌توانند باعث شوند كه ضد عفونی كردن تجهیزات مشكل‌تر گردد.
[1] Semi Conductor
[2] Catalytic Decomposition
[3] Hydrogen Proxide
[4] Hydrazine
[1] Process
[2] Stanless Steel
[1] Decipherment
[2] Iron(ΙΙΙ) Hydroxide or Fe(OH)3
[1] Corrosion
2 Thermodynamic Free Energy

یکی از روش­های تولید پوشش ­های نانوساختاری، روش آبکاری الکتریکی است که ذرات در اثر اعمال جریان الکتریکی در پوشش قرار می­گیرند[1]. فرایند آبکاری الکتریکی روشی است که در آن نمونه­ موردنظر به­وسیله­ لایه ­های چسبیده و نازک از فلز دیگر پوشش داده می­ شود تا ظاهر و یا خواص موردنظر آن بهتر شود. این فرایند که شامل پوشش دادن یک فلز، آلیاژ و یا کامپوزیت بر روی فلزی دیگر با بهره گرفتن از جریان برق است، از بیش از صد سال پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است و هدف ایجاد پوششی با ویژگی­های خاص از فلز است. با بهره گرفتن از این روش می­توان لایه ­های نازک از مرتبه­ی چند نانومتر هم تولید نمود[2].

 

     لایه­نشانی یک فلز یا آلیاژ به وسیله­ جریان الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی اعمالی به­عنوان الکترولیز مغناطیسی[1] (ME) یا لایه­نشانی الکترولیتی مغناطیسی[2] شناخته می­ شود[3]. در حال حاضر بررسی فصل مشترک بین خواص مغناطیسی مواد و الکتروشیمی یکی از زمینه ­های جذاب مورد مطالعه در علوم بین رشته­ای است و با مطالعه­ اثرات هر یک از این دو موضوع بر دیگری، می­توان به نتایج سودمندی دست یافت. به عنوان مثال در حین فرایند آبکاری، میدان مغناطیسی می ­تواند برای افزایش نرخ لایه­نشانی گونه­ های مغناطیسی و غیرمغناطیسی به­کارگرفته شود[4]. هنگامی که میدان مغناطیسی به­ طور موازی با سطح الکترودها بر یک پیل الکتروشیمیایی وارد می­ شود، نیرویی به نام نیروی لورنتس عمود بر چگالی جریان و میدان مغناطیسی بر تمامی ذرات بارداری که در محلول الکترولیت حرکت می­ کنند وارد می­ شود و بر خواص لایه ­های ساخته­شده اثر می­گذارد. تأثیر نیروی اعمالی بر مواد مختلف متفاوت است و بسته به این­که فلز آبکاری شده مغناطیسی و یا غیرمغناطیسی باشد، نتایج متفاوتی از اعمال میدان می­توان به­دست آورد[3،4]. ازجمله ویژگی­های بررسی شده نیز می­توان به ریخت­شناسی سطح، ساختار بلوری و هم­چنین جوانه­زنی در حضور میدان مغناطیسی اشاره­کرد. میدان مغناطیسی خارجی هم­چنین می ­تواند بر فرایند آبکاری الکتریکی آلیاژها نیز اثرگذار باشد[6]. به­ طور مثال برای آلیاژ نیکل-آهن ترکیب آلیاژ با تغییر چگالی شار مغناطیسی تغییر می­ کند[7]. هم­چنین ریخت­شناسی، زبری، جهت کریستالوگرافی لایه ­های پوشش داده­شده[7] و خواص مغناطیسی این آلیاژ[5] نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد. با این وجود ویژگی­های بسیاری از جمله خواص مغناطیسی لایه ­های نازک مغناطیسی و غیرمغناطیسی تولیدشده در ابعاد نانویی با بهره گرفتن از این روش هنوز به­ طور کامل مشخص نیست که این امر باعث ایجاد انگیزه در محققان و دانشمندان رشته­های فیزیک، شیمی و علم و مهندسی مواد برای مطالعه در این زمینه شده است.

 

     فرایندهای الکتروشیمیایی به خاطر توانایی قابل توجهشان نسبت به سایر روش­ها از قبیل پوشش­دهی از بخار فیزیکی (PVD) و پوشش­دهی از بخار شیمیایی (CVD) در ایجاد ساختارهای یکنواخت و بدون حفره، برای تولید پوشش مس استفاده می­شوند. در اکثر موارد مشاهده شده است که ریزساختار پوشش ­های مس به­راحتی در دمای اتاق تبلور مجدد می­یابند که منجر به ایجاد مشکلات اساسی در ارتباط با خواص الکترونیکی این پوشش­ها می­ شود. تولید و ایجاد میدان مغناطیسی می ­تواند یک روش امیدبخش برای کنترل منحصربه­فرد میکروساختار سطح باشد[8]. با انجام آبکاری در حضور میدان مغناطیسی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی[3] در محلول الکترولیت به­وسیله­ برهم­کنش الکترومغناطیسی  که   جریان فارادی و  میدان مغناطیسی است القا می­ شود. محققان زیادی به بررسی تأثیر جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی بر خواص میکروساختاری سطح پوشش ­های مس آبکاری­شده و واکنش الکتروشیمیایی پرداخته­اند که از آن­جمله می­توان به تحقیقات هیندز[4] و همکاران[9] اشاره کرد که نشان دادند در حضور میدان مغناطیسی کوچک­تر از 0.5 تسلا تغیر قابل­توجهی چه در ریخت­شناسی سطح و چه در بافت پوشش ایجاد نمی­ شود. هم­چنین با افزایش میدان مغناطیسی تا میزان 0.6 تسلا تأثیر میدان مغناطیسی بر فرایند آبکاری الکتریکی مستقل از جهت میدان و نحوه­ قرارگیری الکترود است. با این حال آبکاری الکتریکی مس در حضور میدان مغناطیسی به­ طور سیستماتیک بررسی نشده­است که دلیل آن می ­تواند به پذیرفتاری مغناطیسی بسیار کوچک مولی   برگردد. لذا پتانسیل مغناطیسی در یک میدان ثابت)    که c غلظت،  نفوذپذیری مغناطیسی مولی یونی و  نفوذپذیری فضای آزاد است( بسیار کوچک و قابل چشم­پوشی در مقایسه با اثر هیدرودینامیکی مغناطیسی است.

 

     تعدادی تحقیق نیز در مورد تأثیر میدان مغناطیسی بر آبکاری الکتریکی نیکل وجود دارد. بر اساس مطالعات مربوط به  بازتاب الکترون­های تفرق یافته پرانرژی (RHEED) نیکل، آهن و کبالت یانگ[5] گزارش داد که یک میدان مغناطیسی اعمالی اثر ناچیزی بر جهت اصلی الکترون­ها دارد. اما افزایش در زبری سطح در اثر اعمال میدان عمود بر سطح الکترودها مشاهده شد[10]. بریلاس[6] و همکاران[11] بیان کردند که اعمال میدان مغناطیسی درحین فرایند آبکاری الکتریکی نیکل چه به­صورت موازی و چه عمود بر سطح الکترودها، منجر به افزایش تراکم دانه­ های نیکل و رشد با اندازه­ و شکل هندسی منظم­تر می­ شود و نتیجه گرفتند که ریخت­شناسی سطح به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می­گیرد.

 

     اخیراً باند و همکاران[12] تأثیر میدان مغناطیسی عمود بر رفتار الکتروشیمی مس و نیکل را بررسی کردند. افزایش چگالی جریان حدی با میدان بر اساس افزایش در جریان همرفت ایجاد شده به وسیله­ جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی توضیح داده شد. مشاهده شد که مواد با دانه­ های ریزتر در حضور میدان مغناطیسی برای نیکل آبکاری شده ایجاد می­ شود که این عامل به افزایش در جریان همرفتی که

 منجر به افزایش در نرخ لایه­نشانی می­ شود نسبت داده­شد.

 

     مطالعات مربوط به تأثیر میدان مغناطیسی بر فرایندهای الکتروشیمیایی معمولا با میدان موازی با سطح الکترودها انجام می­ شود. در این حالت نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی حداکثر است. اگر هدف محدود کردن جریان همرفتی بر اثر نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی و مطالعه­ نیروهای پارامغناطیس و اثرات گرادیان میدان باشد، میدان مغناطیسی به­صورت عمود بر سطح الکترودها اعمال می­ شود.

 

     در این تحقیق با بهره گرفتن از فرایند آبکاری الکتریکی ضربانی، پوشش نانوساختاری از فلزات نیکل و مس تهیه گردید و خواص ریزساختار، مغناطیسی و ریخت­شناسی این فلزات در دو حالت بدون اعمال میدان مغناطیسی و اعمال میدان حین انجام فرایند آبکاری الکتریکی ضربانی با یکدیگر مقایسه شد.

 

 

 

1-1- تقسیم بندی مواد از لحاظ خاصیت مغناطیسی

 

از لحاظ خواص مغناطیسی و با توجه به چگونگی پاسخ به میدان مغناطیسی، مواد به دسته­های مختلفی تقسیم ­بندی می­شوند که در زیر آمده است:

 

الف) مواد پارامغناطیس

 

ب) مواد دیامغناطیس

 

ج)مواد فرومغناطیس

 

د)مواد پادفرومغناطیس

 

ه) مواد فری­مغناطیس

 

1-1-1- مواد پارامغناطیس

 

 در مواد پارامغناطیس، قابلیت مغناطیسی شدن ماده یا همان پذیرفتاری مغناطیسی( ) دارای مقدار مثبت کوچکی است. مقدار  برای این مواد در دمای اتاق بین  تا    می­باشد. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزاء سازنده صفر نیست بلکه طرز قرار گرفتن این اجزاء طوری است که گشتاور مغناطیسی کل ماده صفر می­ شود. در حین اعمال میدان مغناطیسی تنها تعدادی از گشتاورهای مغناطیسی با جهت میدان هم­راستا می­شوند. در دماهای معمولی  وابستگی اندکی به شدت میدان اعمال شده دارد. در حوالی صفر مطلق، مواد پارامغناطیس می­توانند به اشباع مغناطیسی برسند[13]. در جدول 2-1 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس ذکر گردیده است.

 

جدول ‏2‑1 تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس[13]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ماده	تأثیرپذیری مغناطیسی     (10-6 emu mol-1Oe-1)
آلومینیوم	165
کروم	180
سولفات کروم	11800
سولفات مس(CuS	12660
کلرید کبالت (Co )	1460
سولفات گادولونیوم     (Gd2 )	511200
اکسیژن ( )	20.8

1-1-2- مواد دیامغناطیس

 

در مواد دیامغناطیس  دارای مقدار منفی بوده و اندازه­ آن از مرتبه­ی  است. الکترون­ها به صورت جفت بوده و گشتاور خالص اجزای سازنده­ی این مواد (اتم­ها، مولکول­ها یا یون­ها) صفر است. در این حالت  تقریبا مستقل از دما و شدت میدان اعمال شده به جسم است. علت منفی بودن  در این مواد به این علت است که تغییرات گشتاور مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی خارجی فقط ناشی از قانون لنز است. بر اساس این قانون، نیروی محرکه­ی القایی حاصل از تغییر شار مغناطیسی دارای قطب­هایی است که میدان مغناطیسی القایی حاصل از جریان آن با تغییر شار مغناطیسی اصلی مخالفت می­ کند. بنابراین با افزایش یا کاهش میدان اعمالی سرعت حرکت الکترون­ها به­گونه­ای است که اثر میدان خارجی را تقلیل دهد[13]. در جدول 2-2 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس ذکرگردیده است.

 

 جدول ‏2‑2: تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس[14]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ماده	تأثیرپذیری مغناطیسی     (10-6 emu mol-1Oe-1)
آرگون	-19.6
کربنات کلسیم	-280
کربن (الماس)	-38.2
کربن (گرافیت)	-5.9
مس	-6.0
طلا	-5.46
هلیوم	-28
سرب	-1.66
جیوه	-23

1-1-3- مواد فرومغناطیس

 

مواد فرومغناطیس حتی در غیاب میدان خارجی سعی در موازی کردن گشتاور مغناطیسی اتم­های مجاور داشته و یک نظم مغناطیسی موسوم به نظم فرومغناطیسی به­وجود می­آورند. این نظم ناشی از نیروهای تبادلی بین اسپین الکترون­های اتم­های مجاور است. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزای سازنده صفر نیست و با اعمال میدان مغناطیسی گشتاورهای مغناطیسی آن­ها در جهت اعمال­شده هم­راستا می­ شود. در مواد فرومغناطیس مقدار  عددی مثبت و از مرتبه چند صد تا چند میلیون است.  به دما وابسته است. با افزایش درجه حرارت خواص مغناطیسی ضعیف شده و سرانجام بسته به جنس ماده فرومغناطیسی در یک درجه حرارت معین موسوم به دمای کوری[1] خواص مغناطیسی از بین رفته و رفتار آن از لحاظ مغناطیسی مشابه رفتار مواد پارامغناطیسی می­ شود. از مهم­ترین مواد فرومغناطیس می­توان به آهن، نیکل، کبالت و فلزات قلیایی خاکی اشاره کرد[13].

 

1-1-4- مواد پاد فرومغناطیس

 

در مواد پادفرومغناطیس اجزاء مغناطیسی دارای گشتاور مغناطیسی خالص مثبت هستند ولی این گشتاورها خلاف جهت هم بوده و یکدیگر را خنثی می­ کنند. پادفرومغناطیس­ها در دمایی موسوم به دمای نیل[2] که آن را با  نشان می­دهند، در اثر آشفتگی حرارتی رفتار پارامغناطیس دارند. در دماهای پایین­تر از دمای نیل با افزایش دما قابلیت مغناطیسی آن­ها افزایش می­یابد. دمای نیل دمایی است که در آن خواص مغناطیس­زدا در جسم به حداقل رسیده ­اند. در این مواد  عددی مثبت و بین  تا  است.  به طرز خاصی به دما وابسته است. با افزایش دما از صفر مطلق،  به­ طور یکنواخت زیاد می­ شود.  در دمای نیل به حداکثر مقدار خود می­رسد. با افرایش دما از دمای نیل مقدار  از قانون کوری پیروی کرده و کاهش می­یابد. در این مواد معمولاً دو شبکه فری­مغناطیس وجود دارد به قسمی که گشتاور مغناطیسی حوزه های متعلق به هرکدام از دو شبکه مزبور پادموازی بوده و اثر مغناطیس هم را از بین می­برند[13].

­ی کتاب، اطلاعات بسیار مهم و جالب­توجهی درباره جغرافیای تاریخی این شهر ارائه شده است. در اینجا ذکر این نکته ضرورت دارد که ابونعیم تقریباً تمامی مطالب کتاب خود را از کتاب­های دو نویسنده­ی معاصر خود یعنی «ابومحمد عبدالله ابن حیان اصفهانی» معروف به «ابوالشیخ انصاری» مؤلف کتاب «طبقات المحدثین باصبهانِ و الواردین علیها» و نیز «حمزه اصفهانی» مؤلف کتاب «اصبهان و اخبارها» اقتباس کرده است[1]؛ به طوری که در موارد متعدد، مطالب را صریحاً به نقل از این دو نویسنده بیان کرده است (اشرف­صادقی، 1369). در کتاب ابونعیم، از برخی از قدیمی­ترین محلات اصفهان نام برده شده است.

 

کتاب «محاسن اصفهان» یکی دیگر از آثار ارزشمندی است که در قرن پنجم ه.ق توسط «مفضل بن سعد مافرّوخی اصفهانی» درباره تاریخ اصفهان نگاشته شده است. این اثر در حقیقت کتابچه­ای است به زبان عربی در وصف اصفهان و ذکر پار­ه­ای از محاسن تاریخی و جغرافیایی و ادبی زادگاه نویسنده که توسط «حسین بن محمد بن ابی­الرضا آوی» در نیمه­ی اول قرن هشتم هجری به زبان فارسی ترجمه شده است. آوی با اعمال جرح و تعدیل­های فراوان در متن اصلی کتاب، مطالب را به دلخواه خود در طی هشت باب مرتب کرده و ارائه نموده است. در هر حال،

 در کتاب مذکور در راستای وصف ستایش­آمیز از اصفهان و ویژگی­های آن، به محلات اصفهان نیز اشاره شده است.

 

از دیگر آثار ارزشمند مربوط به تاریخ اصفهان، کتاب «جغرافیای اصفهان» نوشته­ی «میرزا حسین­خان تحویلدار اصفهانی» است که در اواخر قرن سیزدهم هجری قمری به رشته تحریر درآمده است. تحویلدار در کتاب خود در کنار پرداختن به جغرافیای طبیعی، به جغرافیای انسانی نیز پرداخته است؛ چنان­که در حقیقت بیشتر نیروی نویسنده، صرف جمع­آوری مطالب مربوط به جغرافیای انسانی از جمله معرفی طبقات و اصناف مختلف اصفهان شده است. کتاب مذکور نگاه دقیق­تری نسبت به موضوع تعداد محلات و وضعیت آن­ها از لحاظ آبادانی یا ویرانی دارد. مضاف بر این، نویسنده ضمن توصیف موضوعاتی از قبیل میدان­ها، حصارها­، قبرستان­ها و دروازه­های شهر، از برخی از محلات نیز یاد می­ کند.

 

به نقل از مدرسی طباطبایی، کتاب «جغرافیای دارالسلطنه­ی اصفهان و بلوکات و توابع» تألیف «میرزا سلیمان­خان رکن­الملک» با کتاب تحویلدار مشابهت­های بسیاری دارد؛ اما از لحاظ تأکید بر جمع­آوری دقیق نفوس و اماکن شهر اصفهان و بلوکات و توابع آن بسیار مهم­تر است؛ هم­چنان که کتاب تحویلدار از لحاظ وصف اوضاع اجتماعی بر این برتری دارد. میرزا سلیمان­خان در کتاب خود، محلات شهر را با ارائه­ آمار تفصیلی سکنه­ی هر یک از ذکور و اناث و تبعه­ی ادیان مختلف و خانه­ها و بناهای موجود در هر یک معرفی  می­ کند (مدرسی طباطبایی، 1353).

1-1: تعریف پلاستیکها
واژه پلاستیک دارای ریشه یونانی و مشتق از واژه  Plastikos به معنی “شکل‌دادن یا جای‌دادن درون قالب برای قالبگیری” می‌باشد. انجمن صنعت پلاستیک SPI یک توضیح بسیار دقیق‌تر و مشخص‌‌تر به صورت زیر را ارائه نموده است:
پلاستیکها گروهی از مواد بوده که به طور کامل یا در بخشی از ساختار شیمیایی خود شامل ترکیباتی از کربن با اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و یا سایر عناصر آلی و معدنی می‌باشند. این مواد و در حالت نهایی خود، به حالت جامد تبدیل می‌شوند. در چند مرحله از فرایند ساخت و تولید خود نیز، شکل مایع به خود گرفته و درنتیجه قادر به تشکیل اجسامی سه‌بعدی در شکل‌های گوناگون می‌باشند. فرایند شکل‌دادن آنها با بهره گرفتن از حرارت و فشار می‌باشد.
در حقیقت پلاستیک‌ها موادی جامد و پایدار با منشاء نفت و گاز بوده که امروزه جایگزین بسیار مناسبی برای چوب و فلز و شیشه وسرامیک‌ها می‌باشند. پلاستیک‌ها بخشی از خانواده‌ای بزرگتر از مواد به نام پلیمرها هستند.
 ۲-۱: پلیمرها
ساختار پلیمرها متشکل از مولکول‌های بزرگی بوده که از به هم چسبیدن تعداد زیادی مولکول کوچکتر تشکیل یافته‌اند. این مولکول‌های کوچکتر را مونومر و عمل اتصال و پیوند آنها را پلیمر شدن یا جایگیری مونومرها monomer insertion می‌گویند.
 چنانچه واحدهای سازندۀ یک پلیمر (مونومر) از یک نوع باشند، آن را هموپلیمر (homopolymer) و اگر مونومرهای تشکیل دهندۀ یک پلیمر متفاوت باشند به آن کوپلیمر (copolymer) گفته می‌شود.

 

 

 

 

شکل 1-1 کهرباAmber) ). به شیره فسیل شده درخت گفته می‌شود که معمولاً به خاطر رنگ زیبایش دارای ارزش است. معمولاً ازاین ماده برای ساخت اشیاء تزئینی و جواهر استفاده می‌شود.

۱-۲-۱: دسته بندی پلیمر‌ها
در مهمترین تقسیم بندی پلیمرها به دو گروه تقسیم می‌شوند:

 

الف) پلیمرهای طبیعی: که حاصل فعل و انفعالات طبیعی هستند. مانند نشاسته، سلولز، کائوچوی طبیعی‌ (لاتکس)، پروتئین‌ها (مانند نخ ابریشم) و انواع صمغ‌ها و رزین‌های طبیعی مثل کهربا(شکل1-1)، سقز،کتیرا، مواد نفتی مثل قیر یا پلی‌ساکارید‌ها مثل قند.
   ب)پلیمرهای مصنوعی (سنتزی): یعنی ترکیباتی که توسط انسان به وجود آمده است. مثل الاستومرها، پلاستیک و الیاف مصنوعی، پوشش‌ها و چسب‌ها و …
4-۱: انواع پلاستیك‌ها
پلاستیك‌ها به دو گروه عمده گرماسخت یا ترموست (Thermoset) و گرمانرم یا ترموپلاست (Thermoplastic) تقسیم می‌شوند. پلاستیك‌های ترموست یا گرماسخت با واكنش شمیایی و عملیات حرارتی یا شیمیایی سخت شده، به شكل دائمی درآمده و نمی‌توان آنها را مجددا” نرم نمود. ترموست‌ها دارای سختی بالا، سفتی، مقاومت در برابر حرارت و حلال­های شیمیایی و مقاومت الکتریکی بالایی هستند. ترموست‌ها بر خلاف ترموپلاست‌ها از لحاظ شیمیایی پایدار نبوده و فعالند و با گذشت زمان در آنها اتصالات عرضی ایجاد می‌شود. معمولا به ترموست ها مواد افزودنی از جمله : خاک اره، خاک رس، خاک چینی و الیاف پنبه اضافه می‌کنند. ترموست ها معمولا شکننده هستند اما لاستیک با آنکه یک ترموست می باشد به علت وجود اتصالات عرضی در مولکول های زنجیره ای که به آن “ولگانیزه” می‌گویند و عامل ایجاد اتصال آن گوگرد است؛ شکننده نبوده و توانایی حرکت داشته و کاملا ارتجاعی است. در حقیقت مهمترین خصوصیات آن قابلیت کشش، انعطاف پذیری و برگشت به حالت اولیه می‌باشد برای تهیۀ لاستیک مخلوطی از کائوچو (طبیعی یا مصنوعی) را با گوگرد حرارت داده تا گوگرد در محل اتصال‌های دو گانه با کائوچو ترکیب شده و خواص ویژه و بسیار مهمی را در کائوچو ایجاد می‌کند؛ مانند: مقاومت به حرارت، مقاومت در برابر عوامل جوی و شیمیایی و سایش و خاصیت ارتجاعی. همچنین علاوه بر گوگرد که مهمترین افزودنی است، نرم کننده (پارافین) و دانه های رنگین (پیگمنت) و تقویت کننده (دوده) و پرکننده ها مثل پودر تالک را هم به لاستیک اضافه می‌کنند.
 پلاستیكهای ترموپلاست یا گرمانرم موادی بوده كه در هنگام سردسازی، سخت شده و با حرارت دادن دوباره می‌توان آنها را نرم و قالب‌گیری نمود.
1-5: اصلاح خواص در پلاستیک‌ها
 از قابلیت‌های دیگر پلاستیک‌ها این است که می توان خواص آنها را بهبود بخشید. این عمل با بهره گرفتن از افزودنی‌ها و انجام عملیات حرارتی امکان‌پذیر می‌باشد.
1-5-1: افزودنی‌ها
 به كمك مواد افزودنی، ‌عمر مواد و قطعات، افزایش یافته، ویژگی‌های فیزیكی و مكانیكی آنها اصلاح شده، فرایند آنها به میزان قابل توجه آسان گردیده، افت کیفیت آنها كنترل شده، و از آسیب‌پذیری مواد در برابر امواج گوناگون جلوگیری به عمل می‌آید. همچنین می‌توان به نسبت موارد مورد نیاز،‌ آنها را به الكتریسیته و حرارت، رسانا یا نارسانا نمود و آنها را از حملات میكروبیولوژیكی مصون داشت. این مواد عبارت از پایداركننده‌ها، پركننده‌ها، رنگدانه‌ها، مواد رهاكننده از قالب، مواد ضد میكروب، مواد اصلاح كننده ضربه پذیری، كمك فرایندها، مواد ضد الكتریسیته ساكن، مواد ضد آتش و دود، پراكسیدهای آلی، ضد اكسیدكننده‌ها، نرم كننده‌ها، مواد اسفنجی كننده، مواد فعال كننده سطحی، پایدار كننده‌ها بوده که هرکدام جهت ایجاد خصوصیات مطلوب به پلاستیکها اضافه می‌شود.
1-5-2: عملیات حرارتی
یکی دیگر از روش‌های بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک‌ها، استفاده از عملیات حرارتی می‌باشد. در عملیات قالب‌گیری، ماشینكاری، پرداخت‌كاری و دیگر عملیات تولیدی كه بر روی پلاستیك‌ها و كامپوزیت‌ها انجام می‌شود، تنش‌های داخلی در آنها به وجود می‌آید. استفاده از مواد شیمیایی(مثل چسب­ها) در این عملیات نیز باعث حساس شدن و ترك خوردن قطعات خواهد‌شد.
سرد شدن سریع قطعات پلاستیكی قالب‌گیری شده پس از خروج از قالب یا پس از انجام عملیات بازپخت (در تولید قطعات از مواد ترموست) نیز در آنها تنش‌های داخلی به وجود می‌آورد. زیرا پس از اتمام این عملیات هنوز واكنش‌های شیمیایی پلیمریزاسیون ادامه دارد. قطعات كامپوزیتی را معمولا” پس از فرم دادن، درون قالب با جیگ مخصوص قرار می‌دهند تا كلیه عملیات بازپخت بر روی آنها انجام شده و واكنش‌های شیمیایی درون آنها به اتمام برسد و با محیط هم دما شوند.

:
با پشت سر گذاشتن عصر صنعتی و ورود به عصر اطلاعات، استفاده بی رویه بشر از منابع سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر در توسعه و پیشرفت صنعت طی دهه های اخیر، زندگی انسان های امروزی را با تهدیدات جدی زیست محیطی مواجه ساخته است به طوریکه تغییرات اقلیمی نه به عنوان یک چالش منطقه ای بلکه به عنوان یک مسئله جهانی مطرح است. تشکیل مجماع، کُمیسیون ها و تشکل های جهانی و تصویب قوانین، کنوانسیون ها و پروتوکل های مختلف در سطح جهانی مثل پیمان کیوتو و کنوانسیون بازل و همچنین تعریف پروژه هایی مثل پروژه های مکانیسم توسعه پاک (CDM) همگی گواه بر اهمیت این موضوع می باشند. علاوه بر این، خبر رو به پایان بودن منابع نفتی دنیا تا 30 الی 40 سال آینده، کشورهای مختلف را بر این داشته است که به طور جدی به دنبال منابع تجدید پذیر و جایگزین باشند تا بتوانند امنیت انرژی خود را در آینده تامین نمایند.
پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند.
در حال حاضر، تکنولوژی MFC ها به دلیل راندمان پایین هنوز به تولید تجاری و انبوه نرسیده است. با تجاری شدن این صنعت، موضوع فاضلاب شهری نه تنها به عنوان یک مشکل بلکه به عنوان یک منبع تامین انرژی پاک مطرح خواهد بود به این دلیل که فاضلاب شهری منبع غنی میکروارگانیسم های مورد استفاده در پیل های سوختی میکروبیولوژیکی می باشد.
مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبی این امکان را فراهم می سازد که محققین با تغییر پارامترهای تاثیرگذار بر راندمان پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و بدون انجام آزمایشات متعدد و زمان بر بتوانند تغییرات حاصل در توان تولید شده را پیش بینی نموده و به اصلاح طرح خود بپردازند. در این تحقیق سعی شده است مدلی مناسب برای پیش بینی چنین تغییراتی ارائه شود.
فصل اول: درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی
1-1- مفاهیم
پیل سوختی میکروبی به راکتوری اطلاق می شود که انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنش های کاتالیستی میکروارگانیسم ها و تحت شرایط بی هوازی به انرژی الکتریکی تبدیل کند. سالهاست که دانشمندان به این موضوع پی برده اند که می توان مستقیما” و با بهره گرفتن از باکتری ها، مواد آلی را تجزیه کرد و الکتریسیته تولید نمود. در تصفیه فاضلاب نیز می توان از MFC ها برای تجزیه مواد آلی استفاده نمود. علاوه براین، طی مقالاتی سعی شده که از MFC ها به عنوان سنسورهای بیولوژیکی از قبیل سنسورهای نمایشگر BOD استفاده شود. توان خروجی و بازدهی کلمب در MFC ها تحت تاثیر عواملی نظیر: نوع میکروبهای موجود در سلول آند، پیکربندی MFC و شرایط عملیاتی می باشد. در حال حاضر کاربرد های عملی MFC ها محدود می باشد زیرا میزان توان خروجی آنها پایین و در حد چند هزار میلی وات بر مترمربع (mW/m2) می باشد. دانشمندان در تلاشند تا عملکرد MFC ها را بهبود بخشیده و هزینه های ساخت و عملیاتی آنها را کاهش دهند. مقاله حاضر در تلاش است تا مروری کلی بر پیشرفت های اخیر در مطالعه و پیشبرد MFC ها داشته و بیشتر، پیکربندی و بازدهی MFC ها تشریح شده است.
افزایش روزافزون استفاده بی رویه از سوخت های فسیلی، جهان را با بحران انرژی ماجه ساخته است. انرژی تجدیدپذیر بیولوژیکی یکی از گزینه های مناسب برای جبران بخشی لز نیاز جوامع بشری به انرژی می باشد. اخیرا”، مطالعات زیادی برای توسعه روش های مختلف تولید انرژی انجام می گردد. در این میان، تولید الکتریسیته از منابع تجدیدپذیر که دی اکسیدکربن به محیط انتشار نمی کند بیش از هر روش دیگری مورد توجه است (Lovley، 2006، Davis و Hingson، 2007). اخیرا”، تکنولوژی پیل های سوختی میکروبی، MFCها، که انرژی ذخیره شده در پیوندهای ترکیبات آلی را از طریق واکنشهای کاتالیستی توسط میکروارگانیسم ها به انرژی الکتریکی تبدیل می کند مورد توجه ویژه ای واقع شده است (Allen و Bennetto، 1993؛ Gil و همکارانش، 2003؛ Moon و همکارانش، 2006؛ Choi و همکارانش، 2003).
باکتری های مورد استفاده در MFC ها قادر به تولید الکتریسیته می باشند و این در حالیست که همزمان، پساب و مواد آلی را به روش های بیولوژیکی تجزیه می کنند (Park و Zeikus، 2000؛ Oh و logan، 2005). شکل 1-1 نمای شماتیک یک MFC را نمایش می دهد که به منظور تولید الکتریسیته به کار برده شده است.
همانطوریکه از شکل پیداست، یک MFC شامل سلول های آند و کاتد می باشد که توسط یک غشای تبادل پروتون (PEM) از هم جدا شده اند (Wilkinson،2000؛ Gil و همکارانش، 2003).
میکروب های موجود در سلول آند، مواد آلی درون سلول آند را اکسید می کنند. طی این فرایند، الکترون و پروتون تولید می گردد. دی اکسید کربن نیز به عنوان یک محصول حاصل از اکسایش تولید می گردد. اما، در کل، در این فرایند هیچ دی اکسید کربنی آزاد نمی شود. جرا که دی اکسید کربن موجود در توده بیولوژیکی، در اصل طی فرایند فتوسنتز، از هوای محیط وارد شده است. برخلاف فرایند احتراق مستقیم، الکترون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها توسط آند جذب شده و از طریق

 یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها با عبور از غشای تبادل پروتون، PEM، یا یک پل نمکی، وارد سلول کاتد شده و با اکسیژن موجود در سلول کاتد واکنش داده و آب تولید می شود. میکروب های موجود در سلول آند، الکترون ها و پروتون ها را با اکسید کردن مواد آلی و طی فرایندهایی مجزا و نامشابه، از مواد آلی درون سلول آند استخراج می کنند (Rabaey و Verstraete، 2005). تولید جریان الکتریسیته تنها زمانی مقدور می باشد که میکروب ها از اکسیژن یا هر ماده الکترون گیرنده دیگری غیر از آنچه که در سلول آند موجود است، جدا نگهداشته شده باشند که این خود گویای ایجاد شرایط بی هوازی برای محفظه آند می باشد.

طی سالهای اخیر، پیشرفت هاای سریع و چشمگیری در زمینه تحقیق و پژوهش MFC ها صورت گرفته است و تعداد مقالات و ژورنال های مربوط به تکنولوژی MFC ها طی سه سال اخیر و با پیوستن محققان بیشتر به جمع پژوهشگران MFC به طور چشمگیری افزایش یافته است. تعداد زیادی مقاله در زمینه بررسی MFC ها موجود می باشد که هر کدام بر بخشهای متفاوتی از MFC ها متمرکز بوده اند. Logan و همکارانش (2006) طرح MFC ها، خصوصیات و عملکرد MFC ها را بررسی کردند. بررسی متابولیسم در MFC ها توسط Rabaey و Verstraete (2005) انجام شد. Lovley (2006) عمدتا” به بررسی سیستم های BUG ( Benthic Unattended Generators) برای تامین توان تجهیزات سنسور-از-راه دور یا ابزارهای نمایشگرف از بُعد فیزیولوژی میکروبی پرداخت. Pham و همکارانش (2006) مزایا و معایب MFC ها را در مقایسه با تکنولوژی هضم غیرهوازی برای تولید بیوگاز به عنوان انرژی تجدیدپذیر گردآوری نمود. Chang و همکارانش (2006) به بحث در زمینه باکتری های فعال از بعد الکتروشیمی که در MFC های بدون واسط استفاده می شوند و نیز عوامل محدود کننده سرعت انتقال الکترون پرداخت. Bullen و همکارانش (2006) نتایج تجربی زیادی که اخیرا” در مورد MFC ها گزارش شده بود را جمع بندی کرد.
2-1- مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها
کاهیده شدن موثر واسط، تحت تاثیر قدرت کاهندگی سلولها اهمیت بیشتری در مقایسه با سایر مزیت ها دارد. با وجود اینکه واسطی که کمترین توان کاهندگی را دارد از نظر تئوری کمترین کاهش آندی را نتیجه می دهد که حاصل آن بیشینه شدن اختلاف قدرت کاهندگی آند و کاتد می باشد ( که بیشترین اختلاف ولتاژ جاصل می گردد) لزوما” موثرترین عامل در جدا کردن الکترون ها از سیستم کاهنده بین سلولی (NADH، NADPH و یا سیتوکرومهای کاهیده شده) درون میکروب ها نمی باشد. یک واسط با E0 کاهنده بیشتر، توان کل تولیدی بیشتری نسبت به یک واسط با کمترین قدرت کاهش خواهد داشت (Ieropoulos و همکارانش، a2005). واسط های سنتز شده برون سلولی شامل رنگها و ارگانیک های فلزی مانند قرمز خنثی (NR)، آبی متیلن (MB)، تیونین (thionine)، آبی ملودا (MelB)، 2-هیدروکسی 1و4-نفتوکونیون (HNQ) و Fe(III)EDTA می باشد (Park و Zeikus، 2000؛ Tokuji و Kenji، 2003؛ Veg و Fernandez، 1987؛ Allen و Bennetto، 1993؛ Ieropoulos و همکارانش a2005). متاسفانه  سمی بودن و ناپایداری واسط های سنتز شده، کاربرد آنها را در MFC ها محدود می کند. برخی از میکروبها می توانند از ترکیباتی که به طور طبیعی شکل می گیرند و شامل متابولیت های میکروبی (Endogenous mediators) می باشد به عنوان واسط استفاده نمایند. اسیدهای هیومیک (Humic Acids)، آنتراکوینون (Anthraquinone)، اکسیانیون های سولفور (Oxyanions of Sulphur) (سولفات و تیوسولفات) همگی توانایی انتقال الکترون از درون غشاء سلول به آند را دارند (Lovley، 1993). چندی پیش میکروب هایی یافت شدند که مستقیما” الکترونها را به آند منتقل می کنند (Kim و همکارانش، a1999؛ Chaudhuri و Lovley، 2003). این میکروب ها از نظر شرایط عملیاتی پایدار بوده و بازدهی کلمب ( columbic efficiency) ایجاد می کنند (Chaudhuri و Lovley، 2003؛ Scholz و Schroder، 2003). Shewanella putrefaciens (Kim و همکارانش، 2002)، Geobacteracea Sulferreducens (Bond و Lovley، 2003)، Geobacter metallireducens (Min و همکارانش a2005)، Rhodoferax ferrireducens (Chaudhuri و Lovley، 2003) همگی از نظر بیوشیمیایی فعال بوده و می توانند روی سطح آند بیوفیلم (biofilm) تشکیل داده و الکترونها را مستقیما” از طریق رسانایی الکتریکی از درون غشاء انتقال دهند. هرگاه از آنها در انتقال الکترون استفاده شود، آند به عنوان آخرین الکترون گیرنده در زنجیره انتقال الکترون در بیوفیلم خواهد بود. بیوفیلم هایی که روی سطح کاتد شکل می گیرند نیز می توانند نقش موثری در انتقال الکترون ها بین میکروبها و الکترودها ایفا کنند. کاتد نیز می تواند نقش الکترون دهنده به Thiobacillus ferrooxidans ها را داشته باشد که در یک کاتالیت به شکل سوسپانسیون حضور دارند (Prasad و همکارانش، 2006). مورد مذکور در یک سیستم MFC وجود خواهد داشت که در هر دو محفظه کاتد و آند حاوی میکروب باشد.
G.metallireducens، G.sulfurreducens (Gregory و همکارانش، 2004) و یا سایر بیوفیلم های دریایی (Bergel و همکارانش، 2005) می توانند آخرین الکترون گیرنده هایی باشند که  الکترون ها را از کاتد، که نقش الکترون دهنده را دارد، بگیرند. MFC های بدون واسط (mediator-less MFCs) در تصفیه فاضلاب و تولید توان بسیار مناسب می باشند چرا که در این MFC ها هزینه واسط حذف شده است (Ieropoulos و همکارانش، a2005).
3-1- میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند
خیلی از میکرو ارگانیسم ها توانایی انتقال الکترون های حاصل از متابولیسم مواد آلی به آند را دارند. یک لیست از این دسته از میکروب ها و سوبسترا (substrate) مربوطه در جدول 1-1 آمده است.
رسوبات دریایی، خاک، فاضلاب، رسوب موجود در آب تازه و لجن فعال همگی منابع غنی از این میکروارگانیسم ها می باشند (Niessen و همکارانش، 2006؛ Zhang و همکارانش، 2006). تعدادی از مقالاتی که اخیرا” منتشر شده اند به بحث در مورد چگونگی جداسازی و شناسایی میکروبها و نحوه شکل دهی مجموعه ای از کروموزوم ها برای میکروارگانیسم هایی که قادر به تولید الکتریسیته از تجزیه مواد آلی می باشند پرداخته اند (Logan و همکارانش، 2005؛ Holmes و همکارانش، 2004؛ Back وهمکارانش، 2004). مکانیسم انتقال الکترون در محفظه آند یک عامل کلیدی در درک تئوری چگونگی عملکرد MFC ها می باشد. همانطور که در بالا ذکر شد میکروبها الکترون ها را از طریق یک سیستم انتقال الکترون به آند منتقل می کنند که خود شامل یک سری از ترکیبات در ماتریس باکتریایی برون سلولی بوده و یا همراه شاتل های الکترون (Electron shuttles) می باشد که در محلول حل شده اند. Geobacter به گروه میکروارگانیسم های کاهنده فلزی تعلق دارد که انرژی به شکل ATP تولید می کند که از نظر بیولوژیکی مفید بوده و طی کاهش اکسیدهای فلزی تحت شرایط غیرهوازی در خاک و رسوبات حاصل می شود. الکترونها به الکترون گیرنده نهایی مانند Fe2O3 منتقل می شوند که عمدتا” از طریق تماس مستقیم اکسیدهای معدنی و میکروارگانیسم های کاهنده فلز صورت می گیرد (Lovley و همکارانش، 2004؛ Vargas و همکارانش، 1998). واکنش آندی در یک MFC بدون واسط که از یک باکتری کاهنده فلزی تشکیل شده و عمدتا” به خانواده های Shewanella، Rhodoferax و Geobacter تعلق دارد مشابه همین فرایند می باشد. چرا که آند به عنوان آخرین الکترون گیرنده نقش ایفا می کند و این درست مثل اکسیدهای فلزی جامد است. شکل 1-2 ترکیبات شیمیایی را نشان می دهد که در انتقال الکترون از حمل کننده های الکترون (Electron carriers) در ماتریس میان سلولی به الکترون گیرنده نهایی جامد (آند) در میکروارگانیسم های کاهنده آهن درگیر می باشند (Lovley و همکارانش، 2004؛ Vargas و همکارانش، 1998؛ Holmes و همکارانش، 2004).
S.putrefaciens، G.sulferreducens، G.metallireducens و R.ferrireducens با بهره گرفتن از این سیستم الکترونها را به الکترود جامد (آند) منتقل می کنند. با وجود اینکه اغلب MFC های بدون واسط واقعی با میکروارگانیسم های کاهنده فلزی عمل می کنند اما یک مورد استثنایی با Clostridiumbutyricum (Oh و Logan، 2006؛ Park و همکارانش، 2001) گزارش شد. واسط هایی نظیر مولکول های رنگ و مواد هیومیک (humic substances) نیز بر MFC های بدون واسط تاثیر بسزایی دارند. حتی با وجود اینکه آندوفیل ها (Anodophiles) قادر به انتقال مستقیم الکترون ها به آند خصوصا” در مراحل اولیه تشکیل بیوفیلم می باشند، واسط های الکترون مانند Mn4+ و یا قرمز خنثی (NR) که در ارتباط با آند عمل می کنند با بهره گرفتن از آندوفیل S.putrefaciens کارایی MFC ها را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهند (Park و Zeikus، 2002). واسط ها نقشی مهم برای میکروب هایی که قادر به انتقال الکترون به آند نیستند ایفا می کنند. شکل 1-3 فرایندهای بنیادی را نشان می دهد (Lovley و همکارانش، 1996؛ Ieropoulos و همکارانش، a2005).