Micro/nano technologies for achieving sustainable microbial electrochemical cell systems
Sürdürülebilir mikrobiyal elektrokimyasal hücre sistemlerine ulaşmak için mikro/nano teknolojiler
- Tez No: 987790
- Danışmanlar: PROF. DR. ARUM HAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Texas A&m Unıversıty
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Mikrobiyal elektrokimyasal hücre sistemleri (MECS'ler) — mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC'ler) ve mikrobiyal elektroliz hücreleri (MEC'ler) gibi — umut vadeden temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. MFC'ler, atık sudaki organik maddeyi elektriğe dönüştürmek için ekzoelektrojenik bakterileri kullanır; MEC'lerde ise elektrik uygulanarak organik maddeden biyogaz (hidrojen, metan) üretilir. Bu gelişmekte olan teknolojinin pratik uygulamaya taşınabilmesi için, malzeme maliyetini düşürürken performansının artırılması gerekmektedir. Bu nedenle, bu araştırmanın temel odakları; güç üretimini artırmak amacıyla nanomalzeme tabanlı anotların üretilmesi ve MECS'lerin gerçek zamanlı performansını analiz etmek için mikro cihazların geliştirilmesidir. Mikroorganizmalar ile anot arasındaki fiziksel ve elektrokimyasal etkileşimler performans açısından kritiktir. Karbon nanotüplerin (CNT'ler) farklı uzunluklarının, paketlenme yoğunluklarının ve yüzey koşullarının MFC güç çıktısını nasıl etkilediğine ilişkin sistematik çalışmalar, amorf karbon içermeyen uzun ve gevşek paketlenmiş CNT'lerin en yüksek güç üretim performansını sağladığını göstermiştir. Ayrıca, birbirine bağlı CNT'lerden oluşan üretilmiş 3B süngerlerin, ticari olarak temin edilebilen karbon keçe anoda kıyasla daha iyi performans sergilediği görülmüştür. Yapılandırma nedeniyle, makro ölçekli MFC'lerde biyofilm gelişiminin izlenmesi zordur. Bu yüzden, Shewanella oneidensis MR-1'in optik ve elektrokimyasal aktivitesini yerinde (in situ) gerçek zamanlı izlemek amacıyla, parmaklı (interdigitated) anoda sahip mikroakışkan laminer akışlı bir MFC üretilmiştir. Biyofilm gelişimi ile zaman içinde biyofilmin güç üretimi arasındaki ilişkiyi anlamak için güç yoğunluğu ve empedans ölçümleri yapılmıştır. MEC'lerde üretilen biyogazı analiz etmek için genellikle gaz kromatografisi gibi pahalı ve emek yoğun ekipmanlar kullanılmaktadır. Başka pahalı ekipmanlara ihtiyaç duymadan H₂ derişimini gerçek zamanlı ölçmek için ZnO nanotel tabanlı bir gaz sensörü üretilmiştir. MFC'lerin düşük güç ve düşük voltaj çıktısı, çoğu elektriksel uygulamayı beslemelerine izin vermez. Önerilen güç yönetim sistemleri (PMS'ler), MFC çıkış voltajını yükselterek ve zamanla oluşan güç/voltaj dalgalanmalarına rağmen gücü maksimum verimlilikle yöneterek bu sınırlamayı aşabilir. Genel olarak, MECS teknolojisinin sınırlamaları belirlenmiş ve bu sürdürülebilir yenilenebilir enerji kaynağının genel performansını artırmaya yönelik olası çözümler önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
Microbial electrochemical cell systems (MECSs), such as microbial fuel cells (MFCs) and microbial electrolysis cells (MECs), are promising clean and renewable energy sources. MFCs employ exoelectrogenic bacteria to convert organic matter in wastewater into electricity, and biogas (hydrogen, methane) is generated from organic matter by applying electricity in MECs. This emerging technology requires better performance by decreasing the material cost to bring it into practical application. Therefore, the main focuses of this research are fabricating nanomaterial based anode to improve the power production and developing micro devices to analyze real-time performance of MECSs. Physical and electrochemical interactions between microbes and anode are critical to performance. Systematic studies on how different lengths, packing densities, and surface conditions of carbon nanotubes (CNTs) affect MFC power output revealed that long and loosely packed CNTs without any amorphous carbon show the highest power production performance. Furthermore, fabricated 3D sponges composed of interconnected CNTs showed better performance compared to commercially available carbon felt anode. Due to the configuration, monitoring of biofilm development is hard in macro-sized MFCs. Microfluidic laminar flow MFC with interdigitated anode was fabricated to monitor the real-time optical and electrochemical activity of Shewanella oneidensis MR-1 in situ. Power density and impedance were measured to understand the relation between biofilm development and power production of biofilm over time. Expensive and labor intensive equipment such as gas chromatography is commonly used to analyze the biogas produced in MECs. A ZnO nanowires based gas sensor was fabricated to measure H2 concentration in real-time without using any other expensive equipment. Low power and low voltage output of MFCs do not allow them to power most electrical applications. Proposed power management systems (PMSs) can overcome this limitation by boosting the MFC output voltage and managing the power for maximum efficiency, regardless of the power and voltage fluctuations from MFCs over time. Overall, the limitations of the MECSs technology have been identified and possible solutions have been proposed to improve the overall performance of this sustainable renewable energy source.
Benzer Tezler
- Developing 3D-printable high performance polymer composites for thermal management applications
3B-basılabılır yüksek performanslı polimer kompozitlerin termal yönetim sistemleri için geliştirilmesi
YUNUS EMRE BOZKURT
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Uzay araçlarında kullanılan malzemelerde temas basıncının ısıl dirence etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical examination of the effect of contact pressure on thermal resistance i̇n materials used i̇n space vehicles
SEZAİ KOLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEDİM SÖZBİR
- Frequency-selective remote actuation via continuous beam spans
Sürekli kiriş dizileri yardımıyla frekans-seçici uzaktan tahrik
JABER SALAMAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Implementation of strong light-matter interaction for fabrication and light management of thin crystal silicon solar cells
İnce kristal silisyum güneş hücrelerinde üretim ve ışık yönetimi için yoğun ışık-madde etkileşimi uygulaması
MONA ZOLFAGHARI BORRA
Doktora
İngilizce
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. ALPAN BEK