ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ EPPG ve NANO-METAL YÜKLÜ EPPG ELEKTROTLARIN MİKROBİYAL ELEKTROLİZDEKİ ETKİNLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI KİMYA ANABİLİM DALI ADANA, 2012

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EPPG VE NANO-METAL YÜKLÜ EPPG ELEKTROTLARIN MİKROBİYAL ELEKTROLİZDEKİ ETKİNLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI YÜKSEK LİSANS TEZİ KİMYA ANABİLİM DALI Bu Tez / /2012 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. Prof. Dr. Oktay ERBATUR Doç. Dr. Osman GÜLNAZ Yrd.Doç.Dr Sibel IRMAK DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz Kimya Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. M. Rifat ULUSOY Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ EPPG VE NANO-METAL YÜKLÜ EPPG ELEKTROTLARIN MİKROBİYAL ELEKTROLİZDEKİ ETKİNLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA BÖLÜMÜ Danışman : Prof. Dr. Oktay ERBATUR Yıl: 2012, Sayfa: 74 Jüri : Prof. Dr. Oktay ERBATUR : Doç. Dr. Osman GÜLNAZ : Yrd. Doç. Dr. Sibel IRMAK Bu çalışmada, kenar düzlem pirolize grafit (Edge plane pyrolytic graphite, EPPG) materyallerinin Pt ve Ni yüklenmiş farklı kombinasyonları mikrobiyal elektroliz düzeneğinde katot olarak kullanılarak hidrojen gazı çıkışı üzerine etkileri kıyaslanmıştır. Katot olarak kullanılan Pt ve Ni yüklü EPPG elektrotlar elektrolitik kaplama tekniği ile hazırlanmıştır. Hazırlanan elektrotların yüzeyleri deneylerden önce elektrokimyasal olarak karakterize edilmiştir. Shewanella oneidensis MR-1 saf bakteri kültürünün ekzoelektrojenik bakteri olarak kullanıldığı deneylerde, bakteri kültürünün sürdürülebilirliğini sağlayan besi ortamıyla birlikte karbon kaynağı olarak 2,0 g/l glukoz içeren standart elektroliz çözelti kullanılmıştır. Bu standart elektroliz çözeltisinin mikrobiyal elektrolizi, çalışma elektrotu (anot) olarak EPPG nin, karşı elektrot (katot) olarak sırasıyla EPPG, Pt yüklü EPPG ve Ni yüklü EPPG elektrotlar ile kombine edildiği üç ayrı sistemde 0,5V; 0,7V ve 1,0 V uygulama potansiyellerinde gerçekleştirilmiştir. Farklı potansiyellerde elde edilen H 2 gazı miktarları göz önünde bulundurularak her elektrot kombinasyonu için maksimum H 2 gazı miktarları hesaplanmıştır. Deneylerin sonucunda maksimum etkinlik gösteren elektrot kombinasyonu anot olarak EPPG, katot olarak Pt yüklü EPPG nin kullanıldığı kombinasyon olarak belirlenmiştir. Bu kombinasyonun kullanıldığı deneylerde elde edilen H 2 gazı miktarı 0,7V optimum uygulama potansiyelinde 13,4±1,67 mmol ve hidrojen verimi 2,44molH 2 /molglukoz olarak belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Hidrojen, Mikrobiyal Elektroliz (ME), Shewanella oneidensis MR-1 I

4 ABSTRACT MSc THESIS INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF EPPG AND NANO-METAL DOPED EPPG ELECTRODES ON MICROBIAL ELECTROLYSIS ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF CHEMISTRY Supervisor : Prof. Dr. Oktay ERBATUR Year: 2012, Page: 74 Jury : Prof. Dr. Oktay ERBATUR : Assoc. Prof. Dr. Osman GÜLNAZ : Asst. Prof. Dr. Sibel IRMAK In this study different combinations of Pt and Nickel doped EPPG (Edge Plane Pyrolyzed Graphite) and EPPG electrodes were used as cathode in microbial electrolysis cell and effects on hydrogen gas production of each electrode combination were compared. Pt and Ni doped EPPG electrodes were prepared by electrodeposition. Surfaces of the electrodes were characterized electrochemically before the experiments. Shewanella oneidensis MR-1 was used as exoelectogenic bacteria in microbial electrolysis and 2,0 g/l glucose was used as substrate in electrolyte solutions. Microbial electrolysis experiments were performed at 0,5V, 0,7V and 1,0V applied potentials for each electrode combination. Considering the volume of Hydrogen gas produced at the end of the experiments, maximum hydrogen gas amount was calculated for each electrode combination. The combination in which EPPG was used as anode and Pt doped EPPG was used as cathode, was the most effective combination on hydrogen production with a hydrogen amount of 13,4±1,67 mmol at 0,7V applied potential. The hydrogen yield was 2,44molH 2 /molglucose. Keywords: Hydrogen, Microbial Electrolysis (ME), Shewanella oneidensis MR-1 II

5 TEŞEKKÜR Yüksek lisans çalışmam süresince, her konuda bana destek olan, bilgi ve deneyimleri ile beni yönlendiren değerli danışman hocam Prof. Dr. Oktay ERBATUR a sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca fikir ve önerileri ile çalışmamın gelişmesinde son derece önemli destekleri olan değerli hocalarım sayın Yrd. Doç. Dr. Sibel IRMAK ve sayın Doç.Dr. Arif HESENOV a, katkılarından ötürü sayın Doç. Dr. Osman GÜLNAZ a ve her zaman her konuda desteklerini ve yardımlarını benden esirgemeyen sevgili arkadaşlarım Bahar MERYEMOĞLU, Tuğba BAYCAN, Burçak KAYA ve Ezgi CANBOLAT a da teşekkürü bir borç bilirim. Attığım tüm adımların arkasında sonsuz ilgi ve sabırla duran, hayattaki tüm başarılarımı anlamlı kılan sevgili eşim Gökhan ATEŞ e ve aileme sonsuz sevgi ve teşekkürlerimi sunarım. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ I ABSTRACT.... II TEŞEKKÜR III İÇİNDEKİLER IV ÇİZELGELER DİZİNİ VIII ŞEKİLLER DİZİNİ... XII 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOT Materyal Metot Mikrobiyal Elektroliz Hücresinin Dizaynı Elektrotların Dizaynı EPPG Elektrotların Dizaynı Ni Yüklü EPPG Elektrotların Dizaynı Pt Yüklü EPPG Elektrotların Dizaynı Shewanella oneidensis MR-1 Bakteri Kültürünün Geliştirilmesi Standart Elektroliz Çözeltisinin Hazırlanması EPPG ve Nano-Metal Yüklü EPPG Elektrotlar Üzerinden H 2 Gazı Ayrışma Aşırı Gerilimlerinin Belirlenmesi Fermantasyon Deneyleri Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri Mikrobiyal Elektrolizde EPPG Elektrotlara Göre Çalışma Koşullarının Belirlenmesi EPPG ve Nano-Metal Yüklü EPPG Elektrotlarla Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri Gaz Analizleri HPLC Analizleri BULGULAR ve TARTIŞMA. 35 IV

7 4.1. Shewanella oneidensis MR-1 in H 2 Gazı Çıkışı Üzerine Etkisinin EPPG Elektrotlar Üzerinde H 2 Gazı Ayrışma Gerilimleri Belirlenerek Araştırılması Nano-Metal Yüklü EPPG Elektrotların Karakterizasyonu EPPG üzerinde Pt in Dönüşümlü Voltametri Yöntemi ile Karakterizasyonu EPPG üzerinde Ni in Dönüşümlü Voltametri Yöntemi ile Karakterizasyonu Shewanella oneidensis MR-1 İçeren Elektroliz Çözeltisi ile Potansiyel Uygulamaksızın Elde Edilen H 2 Miktarını Belirlemek Amacı ile yapılan Fermantasyon Deneyi Mikrobiyal Elektrolizde EPPG Elektrotlara Göre Çalışma Koşullarının Belirlenmesi EPPG ile Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri Bakteri Yüklü EPPG ile Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri EPPG ve Bakteri Yüklü EPPG Elektrotlar ile Optimum Potansiyellerde Elde Edilen H 2 Gazı miktarlarının Karşılaştırılması Mikrobiyal Elektrolizde Katot Olarak Kullanılacak Metal Yüklü EPPG Elektrotlar Üzerinde H 2 Gazı Ayrışma Aşırı Gerilimlerinin Belirlenmesi Ni Yüklü EPPG Elektrot Üzerinde H 2 Gazı Ayrışma Aşırı Geriliminin Belirlenmesi Pt Yüklü EPPG Elektrot Üzerinde H 2 Gazı Ayrışma Aşırı Geriliminin Belirlenmesi EPPG, Ni Yüklü EPPG ve Pt Yüklü EPPG Elektrotlar Üzerinde H 2 Gazı Ayrışma Aşırı Gerilimlerinin Karşılaştırılması Metal Yüklü EPPG Elektrotlar ile Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri.. 54 V

8 Ni Yüklü EPPG ile Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri Pt Yüklü EPPG ile Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneyleri EPPG ve Metal Yüklü EPPG Elektrotlar ile Yapılan Mikrobiyal Elektroliz Deneylerinde Optimum Koşullarda Elde Edilen H 2 Gazı Miktarlarının Karşılaştırılması SONUÇLAR VE ÖNERİLER 61 KAYNAKLAR 63 ÖZGEÇMİŞ. 73 EKLER 74 VI

9 VII

10 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 4.1. Shewanella oneidensis MR-1 bakteri kültürünün eklendiği ve eklenmediği standart elektroliz çözeltilerinde 0/-2V potansiyelleri arasında elde edilen akım yoğunluğu-potansiyel eğrilerinden hesaplanan H 2 gazı deneysel ayrışma potansiyelleri ve aşırı gerilimler 37 Çizelge 4.2. Bakteri ve glukoz içeren standart elektroliz çözeltisinden potansiyel uygulanmaksızın elde edilen toplam gaz miktarı, gaz bileşimi ve oluşan gazların mol sayıları.. 42 Çizelge 4.3. Yüzey alanı 24,88 cm 2 olan EPPG nin anot olarak kullanıldığı, bakteri ve glukoz içeren standart elektroliz çözeltilerinin farklı potansiyellerde elektrolizi sonucunda elde edilen toplam gaz miktarları, gazların bileşimleri ve mol sayıları 43 Çizelge 4.4. EPPG nin anot olarak kullanıldığı, bakteri ve glukoz içeren elektroliz çözeltilerinde, farklı uygulama potansiyellerinde elektroliz sonrasında oluşan ürünler ve bileşimleri Çizelge 4.5. Bakteri yükleme işlemine tabi tutulan EPPG nin anot olarak kullanıldığı bakteri ve glukoz içeren standart elektroliz çözeltilerinin farklı potansiyellerde elektrolizi sonucunda elde edilen toplam gaz miktarları, gazların bileşimleri ve mol sayıları 45 Çizelge 4.6. Bakteri yükleme işlemine tabi tutulan EPPG nin anot olarak kullanıldığı bakteri ve glukoz içeren elektroliz çözeltilerinde, farklı uygulama potansiyellerinde elektroliz sonrasında oluşan ürünler ve bileşimleri. 45 Çizelge 4.7. EPPG ve bakteri yüklü EPPG Elektrotlar ile optimum uygulama potansiyellerinde, elde edilen H 2 gazı toplam mol sayıları VIII

11 Çizelge 4.8. Ni yüklü EPPG elektrot ile 0/-2V uygulama potansiyelleri arasında doğrusal taramalı voltametri yöntemi ile alınan akım-potansiyel eğrisinden hesaplanan H 2 gazı deneysel ayrışma potansiyeli ve ayrışma aşırı gerilimi 50 Çizelge 4.9. Pt yüklü EPPG elektot ile 0/-2V uygulama potansiyelleri arasında doğrusal taramalı voltametri yöntemi ile alınan akım-potansiyel eğrisinden hesaplanan H 2 gazı deneysel ayrışma potansiyeli ve ayrışma aşırı gerilimi 52 Çizelge EPPG, Pt yüklü EPPG ve Ni yüklü EPPG elektrotlar üzeride deneysel H 2 gazı ayrışma potansiyelleri ve ayrışma aşırı gerilimlerinin karşılaştırılması Çizelge Nikel yüklü EPPG'nin katot olarak kullanıldığı, bakteri ve glukoz içeren standart elektroliz çözeltilerinin farklı potansiyellerde elektrolizi sonucunda elde edilen toplam gaz miktarları, gazların bileşimleri ve mol sayıları.. 55 Çizelge Ni yüklü EPPG nin katot olarak kullanıldığı bakteri ve glukoz içeren elektroliz çözeltilerinde, farklı uygulama potansiyellerinde elektroliz sonrasında oluşan ürünler ve bileşimleri.. 56 Çizelge Pt yüklü EPPG'nin katot olarak kullanıldığı bakteri ve glukoz içeren standart elektroliz çözeltilerinin farklı potansiyellerde elektrolizi sonucunda elde edilen toplam gaz miktarları, gazların bileşimleri ve mol sayıları 57 Çizelge 4.14 Pt yüklü EPPG nin katot olarak kullanıldığı bakteri ve glukoz içeren elektroliz çözeltilerinde, farklı uygulama potansiyellerinde elektroliz sonrasında oluşan ürünler ve bileşimleri.. 57 Çizelge EPPG, Ni yüklü EPPG ve Pt yüklü EPPG nin katot olarak kullanıldığı mikrobiyal elektroliz deneylerinde optimum potansiyellerde elde edilen maksimum H 2 gazı miktarları 58 IX

12 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Direkt biyofotoliz yöntemi ile hidrojen gazı üretiminin şematik gösterimi 4 Şekil 1.2. Karanlık fermantasyon ile hidrojen gazı üretiminin şematik gösterimi 7 Şekil 1.3. Glukozun substrat olarak kullanıldığı bir mikrobiyal yakıt pilinde gerçekleşen olayların şematik gösterimi... 9 Şekil 1.4. Ekzoelektrojenik bakterilerin elektron transfer mekanizmasının şematik gösterimi Şekil 3.1. Deneylerde kullanılan mikrobiyal elektroliz hücresi Şekil 3.2. Asıl yüzey (basal plane) ve kenar yüzey (edge plane) pirolize grafit elektrotun şematik gösterimi Şekil 4.1. Shewanella oneidensis MR-1 bakteri kültürünün eklendiği ve eklenmediği glukoz içeren standart elektrolizleri çözeltisi içerisinde Ag/AgCl (doy.kcl) referans elektrota karşı 0/-2V potansiyelleri arasında doğrusal taramalı voltametri yöntemi ile elde edilen akım yoğunluğu- potansiyel eğrileri 36 Şekil 4.2. Pt levha çalışma elektrotun Ag/AgCl (doy. KCl) referans elektrotuna karşı -0,8V/1,4V potansiyelleri arasında H 2 SO 4 içerisinde alınan dönüşümlü voltamogramı Şekil 4.3. EPPG çalışma elektrotunun Ag/AgCl (doy. KCl) referans elektrotuna karşı -0,8V/1,4V potansiyelleri arasında H 2 SO 4 içerisinde alınan dönüşümlü voltamogramı Şekil 4.4. Pt yüklü EPPG çalışma elektrotun Ag/AgCl (doy.kcl) referans elektrotuna karşı -0,4V/1,4V potansiyelleri arasında H 2 SO 4 içerisinde alınan dönüşümlü voltamogramı Şekil 4.5. Ni Yüklü EPPG çalışma elektrotunun Ag/AgCl (doy.kcl) referans elektrotuna karşı -1,0/1,0 potansiyelleri arasında H 2 SO 4 içerisinde alınan dönüşümlü voltamogramı X

13 Şekil 4.6. Nikel yüklü EPPG elektrot ile bakteri ve glukoz içeren elektroliz çözeltisi içerisinde 0/-2V uygulama potansiyelleri arasında doğrusal taramalı voltametri yöntemi ile elde edilen 49 akım-potansiyel eğrisi... Şekil 4.7. Ni yüklü EPPG elektrot ve EPPG elektrotun akımpotansiyel eğrilerinin karşılaştırılması Şekil 4.8. Pt yüklü EPPG elektrot ile bakteri ve glukoz içeren elektroliz çözeltisi içerisinde 0/-2V uygulama potansiyelleri arasında doğrusal taramalı voltametri yöntemi ile elde edilen akım-potansiyel eğrisi Şekil 4.9. Pt yüklü EPPG elektrot ve EPPG elektrotun akım-potansiyel eğrilerinin karşılaştırılması Şekil Pt yüklü EPPG elektrot ve Ni yüklü EPPG elektrotun akımpotansiyel eğrilerinin karşılaştırılması XI

14 1. GİRİŞ 1. GİRİŞ İçinde bulunduğumuz yüzyılda, nüfus artışına paralel olarak dünyanın enerji ihtiyacı her geçen gün artmaktadır. Bu artış beraberinde petrol rezervlerinin kullanımını da arttırmakta, dolayısı ile dünyanın ulaşılabilir petrol kaynaklarının git gide tükenmesine sebep olmaktadır. Petrol rezervlerinin tükenmesinin yanı sıra, fosil yakıtların, yeryüzünün geleceği için çok büyük bir tehdit olduğu ön görülen küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının salınımına olan katkısı, nitelikli bilimsel araştırmalarla kanıtlanmış ve tüm bilimsel otoriteler tarafından kabul görmüş bir gerçekliktir. Bahsi geçen bu sorunlar, enerji kaynağı olarak fosil yakıtların kullanıldığı her alanda alternatif olabilecek, çevre dostu, sürdürülebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu zorunluluğun uluslar arası kamuoyunda dile getirilmeye başlandığı ilk adım 1977 yılında Kyoto Protokolü ile atılmıştır. Bu protokolü imzalayan ülkeler, karbon dioksit ve sera etkisine neden olan diğer beş gazın salınımını azaltmaya veya bunu yapamıyorlarsa salınım ticareti yoluyla haklarını arttırmaya söz vermişlerdir. Protokol, ülkelerin atmosfere saldıkları karbon miktarını 1990 yılındaki düzeylere düşürmelerini gerekli kılmaktadır. 1997'de imzalanan protokol, 2005'te yürürlüğe girebilmiştir. Bunun yanı sıra, Birleşmiş Milletler tarafından konunun dünya gündemine taşınması amacı ile 1992 yılında Rio de Janerio da Çevre ve Kalkınma Konferansı düzenlenmiş ve İklim Değişimi Çerçeve Anlaşması (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) imzaya açılmıştır. Sözleşme; insan kaynaklı çevresel kirliliklerin iklim üzerinde tehlikeli etkileri olduğunu kabul ederek atmosferdeki sera gazı oranlarını düşürmeyi ve bu gazların olumsuz etkilerini en aza indirerek belli bir seviyede tutmayı amaçlamaktadır. Bu doğrultuda genel ilkeler, eylem stratejileri ve ülkelerin yükümlülüklerini düzenlemektedir. Sözleşme; hükümetler arası düzeyde iklim değişikliğine yönelik ilk çevre mutabakatı olmasıyla önemli olsa da yaptırım gücü zayıftır, taraf ülkeler iyi niyet düzeyinde sözleşmeyi desteklemişlerdir. Bu sözleşme kapsamında 1997 yılında imzalanan Kyoto Protokolü daha somut hedefler içermektedir. Tüm bu ve benzeri anlaşma ve sözleşmelerin getirdiği zorunluluklar, ve küresel ısınma gerçeğinin kamuoyunda yarattığı farkındalıklar, gelişmiş ve 1

15 1. GİRİŞ gelişmekte olan bir çok ülkenin yenilenebilir enerji kaynakları alanına yönelmesine sebep olmakta ve bu alanda kullanılabilecek yeni teknolojilerin üretilebilmesi için itici güç olmaktadır. Uluslararası enerji ajansının tanımına göre yenilenebilir enerji; sürekli olarak yenilenen doğal süreçlerden elde edilir. Çeşitli biçimlerinde, doğrudan güneşten ya da dünyanın derinliklerinde oluşan ısıdan elde edilir. Tanımına güneş, rüzgar, okyanus, hidrogüç, biyokütle, jeotermal kaynaklardan elde edilen elektrik ve ısı ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyo-yakıtlar ve hidrojen de dâhil edilir. Bu kaynaklarlar arasında, gaz, sıvı ve hatta metal hidrür şeklinde katı halde bulunan hidrojen, fosil yakıtların kullanıldığı birçok alanda kullanılabilecek en olası aday olarak öne çıkmaktadır. Hidrojen yenilenebilir kaynaklardan elde edilebildiği takdirde hem fosil yakıt tüketimine olan ihtiyacı azaltarak var olan enerji ihtiyacını sürdürülebilir olarak karşılayabilecek, hem de sera gazları ve diğer kirletici gazların atmosfere salınımınını azaltacaktır. Hidrojen doğada serbest gaz halinde değil, diğer elementlere bağlı halde bulunur. Dolayısıyla, bağlı hidrojenin serbest moleküler hale getirilmesi için teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. Hidrojen gazının çeşitli yöntemlerle elde edilmesi mümkündür (Riis ve ark., 2006). Bugün dünyada üretilen hidrojenin hemen hemen tümü bir fosil yakıt olan doğal gazdan (metan) elde edilmektedir. Doğal gazdan H 2 gazı elde etmek amacı ile doğalgazın buhar reformasyonu, doğalgazın parçalı oksidasyonu ve termal olarak parçalanması vb. teknikler kullanılmaktadır. Bu teknikler ile hidrojen üretimi sırasında ya doğaya küresel ısınmanın başlıca sorumlusu olan bir sera gazı olan karbondioksit salınmakta ya da proseslerin çok yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir olması nedeni ile enerji verimi çok düşük olmaktadır. Rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir kaynaklardan kazanılan enerji kullanılarak suyun ayrıştırılması ile hidrojen eldesi en çevreci hidrojen üretimidir. Ancak, ilgili teknolojilerin ve bu teknolojiler ile üretilen hidrojenin maliyetleri henüz çok yüksektir. Bazı algler ve fotosentetik bakteriler, sudan ototropik olarak hidrojen gazı üretmek için güneş ışığını kullanabilirler. Fakat etkinlikleri düşük ve proses için 2

16 1. GİRİŞ büyük alanlara gereksinim olduğundan ekonomik boyutlarda hidrojen üretiminde önemli zorluklar söz konusudur (Hallenbeck ve Benemann, 2002). Fermantasyon sonucu çeşitli çözülebilir organik yan ürünler oluşur. Bu yan ürünlerin hidrojenin kullanışlı miktarlarına dönüşümü endotermik reaksiyonlar gerektirir ve bundan dolayı bu ürünlerden dışarıdan bir enerji girişi olmadan hidrojen üretimi mümkün değildir. Hidrojenin biyokütleden üretimi karbondioksit salınımı açısından nötr olması nedeniyle sudan elde edilen kadar olmasa da çevreci bir diğer yaklaşımdır. Ancak biyokütle olarak yenilebilir yağlar vb. gıda maddelerinin değil, gıda tüketimi ve sanayi artığı organikler ve lignoselülozik tarımsal artıklar ile çabuk büyüyen ve fazla su gereksinimi göstermeyen enerji bitkileri bu amaçla kullanılmalıdır. Glukoz gibi monosakkaritler ve nişasta bakteriler aracılığı ile günde 2,5 m 3 /m 3 ortalama hızlarda hidrojen gazı oluşturmak üzere fermente edilebilmektedirler. Ancak hidrojen eşdeğeri, stokiyometrik olarak 6 mol H 2 /mol heksozdur ve pratikte verim genellikle 0,57-2,2 mol H 2 /mol heksoz aralığında değişir (Hawkes ve ark., 2007). Biyokütle, kimyasal bağlarda depolanan yenilenebilir enerji içerdiği için kimyasal ve yakıt üretimi için en çok tercih edilen yenilenebilir kaynaktır. Biyokütleden enerji üretimi için kullanılan çeşitli kaynaklar bulunmaktadır ve bu kaynaklardan hidrojen üretim prosesleri iki ana grupta incelenebilir: termokimyasal ve biyolojik prosesler Biyokütleden Biyolojik Hidrojen Üretimi Direkt Biyofotoliz Bu proseste güneş enerjisi suyu fotosentetik reaksiyonlar ile direkt olarak hidrojen iyonu ve oksijene ayırır. Üretilen hidrojen iyonları daha sonra hidrojenaz enzimi kullanılarak hidrojen gazına dönüştürülür. Bu proses için kullanılan mikro algler, hem ökaryotik hem de prokaryotik hidrojenaz enzimine sahip olduklarından uygun şartlar altında hidrojen üretebilirler. Yeşil alg ile suyun hidrojene dönüşüm reaksiyonu aşağıdaki gibidir; 3

17 1. GİRİŞ 2H 2 O + ışık enerjisi 2H 2 + O 2 Şekil 1.1 Direkt biyofotoliz yöntemi ile hidrojen gazı üretiminin şematik gösterimi Hidrojen üretiminde kullanılan bu proses suyun ucuz ve son derece ulaşılabilir bir yenilenebilir enerji kaynağı olmasından ötürü kullanılabilmesi muhtemel bir yöntem olarak düşünülebilir fakat bu yöntemin bazı sınırlamaları mevcuttur. Örneğin yukarıda verilen reaksiyon sonucu açığa çıkan oksijen miktarının hidrojen üretim mekanizmasında kullanılan hidrojenaz enziminin aktivitesi üzerinde sınırlayıcı etkileri bulunmaktadır. Bu etkinin varlığı direkt biyofotoliz ile hidrojen üretimi prosesinin etkinliği düşük ve yavaş bir proses olarak değerlendirilmesine sebep olmuştur İndirekt Biyofotoliz İndirkekt biyofotoliz sırasıyla, fotosentez ile algler yardımı ile glukoz üretilmesi, aerobik karanlık fermantasyon ile alg hücrelerinde üretilen 1 mol glukozun 2 mol asetat ve 4 mol hidrojene dönüştürülmesi ve en son olarak 2 mol asetatın hidrojene dönüştürülmesi basamaklarını içeren bir prosestir (Meng Ni ve ark. 2004). Bu basamaklar içerisinde yer alan reaksiyonlar sırasıyla aşağıdaki gibidir; 4

18 1. GİRİŞ 6CO H 2 O + ışık enerjisi C 6 H 12 O 6 + 6O 2 C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 4H 2 + 2CH 3 COOH + 2CO 2 2CH 3 COOH + 4H 2 O + ışık enerjisi 8 H 2 + 4CO Foto-Fermantasyon ile Hidrojen Üretimi Fotosentetik bakteriler sahip oldukları nitrojenaz enzimleri sayesinde güneş enerjisi kullanarak organik asitlerden ve biyokütleden oksijensiz ortamda hidrojen üretebilmektedirler. Oksijen varlığı direkt ve indirekt biyofotoliz yöntemlerinde anlatıldığı üzere enzim aktivitesini sınırlayan ve hidrojen üretimini negatif yönde etkileyen bir parametredir. Foto-fermantasyon proseslerinde kullanılan mikroorganizmalar oksijensiz ortamda hidrojen üretebildiklerinden, oksijenin hidrojen üretim mekanizmasında etkin rol oynayan enzimler üzerindeki aktiviteyi azaltıcı yöndeki etkisi foto-fermantasyon ile hidrojen üretiminde bir probleme yol açmaz. Fakat bu yönteme ait bazı sınırlamalar da yok değildir. Fotosentetik bakteriler ile hidrojen üretim hızını etkileyen faktörler arasında üretime katılan enzimler ve çevresel faktörlerin etkin olduğu görülmüştür. Örneğin ışık yoğunluğu foto-fermantasyon ile hidrojen üretimi için önemli bir etkendir ve ışık yoğunluğu veya ışık dağılımda meydana gelen bazı değişikler foto-fermantasyon prosesi ile hidrojen üretimi mekanizmasında etkilemektedir. Ayrıca prosesin gerçekleştiği ortamın sıcaklığı, ph sı, ortam bileşiminin de üretilen hidrojen gazı miktarı üzerinde etkileri vardır. Foto-fermantasyon proseslerinde üretim mekanizmasının parçası olan tüm bu parametreler henüz optimize edilemediğinden, foto-fermantasyon yöntemi ile hidrojen gazı eldesi, elde edilen hidrojen gazı veriminin düşük olması nedeni ile tercih edilebilir durumda değildir Karanlık Fermantasyon İle Hidrojen Üretimi Karanlık fermantasyon ile hidrojen üretimi foto-fermantasyon ile hidrojen üretimine kıyasla daha kararlı ve daha hızlı bir prosestir. Bu yöntem ile H 2 üretimi karanlıkta büyüyen anaerobik bakteriler ile gerçekleştirilir. Karanlık fermantasyon 5

19 1. GİRİŞ için en uygun materyaller karbonhidratça zengin hammaddelerdir (Hawkes ve ark., 2002). Karanlık fermantasyonda en çok çalışılan model substrat glukozdur. Glukozun tamamının hidrojen gazına dönüşümüne ait reaksiyon aşağıdaki gibidir. C 6 H 12 O H 2 O 12H 2 + 6HCO H + Gº= +3kj/mol Reaksiyonda görüldüğü üzere 1 mol glukozdan teorik olarak 12 mol H 2 elde edilmektedir. Reaksiyon için Gibbs serbest enerjisi yalnızca çok düşük kısmi H 2 basınçlarında negatif değer almakta olduğundan karanlık fermantasyon proseslerinde hidrojen gazı kısmi basıncı önemli bir faktördür. Fermantasyon süresince ortamda oluşan hidrojen gazı hidrojen basıncını arttırırken üretimini azaltmaktadır. Bu nedenle ortamda bulunan hidrojen gazı kısmi basıncının çok düşük tutulması gerekmektedir. Fakat, mikroorganizmaların ATP üretimi için kullanılabilir yeterli Gibbs Enerjisi yok iken, reaksiyon sonucu oluşan hidrojen birikimi koşulları, mikrobiyal yaşamın devamı için elverişsizdir (Thauer ve ark., 1977). Tüm bu durumlar göz önünde bulundurulduğunda karanlık fermantasyon ile hidrojen gazı üretimi prosesinde bazı biyolojik ve termokimyasal sınırlamalar olduğu görülmektedir. Bu sınırlamalar göz önünde bulundurularak yapılan araştırmalar göstermiştir ki mikroorganizmalar için ATP üretimi açısından en uygun koşullar 1mol glukozdan öncelikle 2 mol asetat ve 4 mol H 2 nin üretildiği koşullardır (Thauer ve ark., 1977). İlgili reaksiyon aşağıdaki gibidir; C 6 H 12 O 6 + 4H 2 O 4H 2 + 2HCO CH 3 COOH+ 4H + Gº= -206kj/mol Karanlık fermantasyon prosesinde H 2 gazının yanı sıra CO 2, CH 4, CO ve H 2 S te üretilmektedir. Karanlık fermantasyon ile H 2 gazı üretiminde metan gazı oluşumu H 2 gazı oluşumunu etkileyen bir faktördür. Oluşan H 2 gazı miktarını olumsuz yönde etkilememesi için proses süresince metan oluşumunu da minimize etmek gerekmektedir. Ayrıca fermantasyon süreci esnasında asetik asit, bütürik asit 6

20 1. GİRİŞ ve diğer bazı organik asitler de üretilebilmektedir. Bu asitler organik kimyasal üretimi yönündeki metabolik akışı yönlendirerek hidrojen verimini baskılayabilir. Tüm bu sınırlamalar sonucunda yapılan karanlık fermantasyon çalışmalarında pratikte 1 mol glukozdan maksimum 2,5 mol H 2 elde edilebilmiştir (Hawkes ve ark., 2007). Şekil 1.2. Karanlık fermantasyon ile hidrojen gazı üretiminin şematik gösterimi Yenilenebilir enerji kaynaklarından biyolojik hidrojen eldesi için yukarıda bahsi geçtiği gibi çeşitli yöntemler mevcuttur. Fakat bu noktada, alternatif enerji kaynağı hidrojen elde edilirken, kullanılan yöntemin enerji tüketimi ve maliyet açısından verimli olmaması halinde yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçların kullanılabilirliği mevcut koşullarda pek mümkün değildir. Yapılan araştırmalar, bakterilerin, mikrobiyal yakıt pili (Microbial Fuel Cell, MFC) bazlı, elektroliz tipi bir yöntemle hidrojen gazı üretiminde kullanılabileceğini kanıtlamıştır. (Liu ve ark., 2005; Rozendal ve ark., 2006; Rozendal ve Buisman, 2005). 7

21 1. GİRİŞ 1.3. Mikrobiyal Yakıt Hücresi (Microbial Fuel Cell, MFC) Mikrobiyal yakıt pili (MFC), biyolojik olarak dönüştürülebilir bir substrattaki mevcut kimyasal enerjiyi doğrudan doğruya elektriğe dönüştürür. Burada, bakteriler substratı elektronlara dönüştürmek için bir katalizör olarak kullanılırlar. Bakteriler, organik bileşiklerin büyük bir çoğunluğunu CO 2, su ve enerjiye dönüştürebilen çok küçük (yaklaşık boyutları 1 μm) organizmalardır. Mikroorganizmalar, gelişmek ve metabolizmanın sürekliliğini sağlamak için üretilen enerjiyi kullanırlar. Ancak mikrobiyal yakıt pilleri, elektrik oluşumunda, bu mikrobiyal enerjinin bir bölümünü saklamak amacıyla kullanılırlar. Bir mikrobiyal yakıt hücresinin donanımında anot, katot, proton, katyon değiştirici membran ve elektrik devresi bulunmaktadır. Bu mikrobiyal yakıt hücresi tasarımında, anot bölümünde bakteriler oksidatif dönüşümlere neden olurken, katot bölümünde kimyasal ve mikrobiyal indirgeme prosesleri gerçekleşmektedir. Bakteriler anotta yaşarlar ve glukoz, asetat ve aynı zamanda atık su gibi bir substratı (karbon kaynağı) karbondioksit, proton ve elektronlara dönüştürürler. Aerobik koşullar altında, mikrobiyal yakıt hücresinin anodunda oksijen mevcut değildir ve bakteriler, mikrobiyal yakıt hücresi anodu gibi, doğal elektron alıcılardan çözünmez bir alıcıya dönüşmeye ihtiyaç duyarlar. Bakterilerin çözünmez bir elektron alıcısına elektronları transfer etmedeki yeteneğinden dolayı, mikrobiyal metabolizmadan meydana getirilen elektronları toplamak için mikrobiyal yakıt hücresi kullanılabilir. Elektron transferi ya membran-bağlı elektron taşıyıcıları, çözünür elektron aktarıcılar veya nano teller ile gerçekleşebilir. Anot, ortamda üretilen elektronların alıcısı veya taşıyıcısı görevini görür. Daha sonra elektronlar katotta bir yük veya dirençle bir elektrik devresinden akar. Elektron akışı ile birlikte anot ve katot arasındaki potansiyel fark, elektrik gücünün oluşumu ile sonuçlanır. Protonlar, katotta, proton veya katyon değiştirici membran aracılığıyla akarlar. Katotta, bir elektron alıcısı kimyasal olarak indirgenir. İdeal olarak, oksijen suya indirgenir. Örneğin, glukozun substrat olarak kullanıldığı bir mikrobiyal yakıt hücresinde gerçekleşen olaylar için anot ve katotta gerçekleşen reaksiyonlar aşağıda gösterilmiştir: 8

22 1. GİRİŞ Anot: C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO H e - Katot: 24H e - + 6O 2 12H 2 O Bu sistemde bir biyokütle (glukoz) anot bölümünde bakteriler tarafından karbondioksite yükseltgenmektedir. Burada oluşan protonlar anottan katoda bir katyon değiştirici membran aracılığıyla taşınırken, elektronlar elektriksel bir devre aracılığı ile taşınmaktadır. Katotta da O 2 suya indirgenmektedir. Glukozun substrat olarak kullanıldığı bir mikrobiyal yakıt pilinde gerçekleşen olaylar şekilde özetlenmiştir. Şekil 1.3. Glukozun substrat olarak kullanıldığı bir mikrobiyal yakıt pilinde gerçekleşen olayların şematik gösterimi Organik maddeleri parçalamak için elektrokimyasal olarak aktif bakterilerin kullanımı ile yüksek verimde hidrojen gazı üretilebilir. Katot bölmesi oksijenden yalıtılarak modifiye edilmiş bir mikrobiyal yakıt hücresinde bakteriler kullanılarak elektroliz tipi bir uygulama ile organik substratlardan hidrojen gazı üretilebileceği ilk olarak birbirinden bağımsız çalışan iki ayrı araştırma grubu tarafından 2005 yılında gösterilmiştir (Liu, H. ve ark., 2005; Rozendal ve Buisman, 2005; Rozendal ve ark., 9

23 1. GİRİŞ 2006). Sonraları mikrobiyal elektroliz olarak adlandırılan bu yöntem kullanılarak ekzoelektrojenik bakterilerin bulunduğu ortamda suda çözünmüş organik maddeleri elektrokimyasal olarak parçalayarak yüksek verimde hidrojen gazı elde edilebileceği kanıtlanmıştır Mikrobiyal Elektroliz Hücresi (Microbial Electroysis Cell, MEC) Bu yöntemde az bir potansiyel uygulanması ile hidrojen üretimi mümkün olmakla birlikte, yüksek verim için uygulanan potansiyel 1V a kadar arttırılabilir. Bazı çalışmalarda organik substrattaki hidrojenin hidrojen gazına dönüşümünde %100 e yaklaşan verimler elde edilmiş olup, mikrobiyal elektrolizde üretilen birim hidrojen başına kullanılan elektrik enerjisi, suyun konvansiyonel elektrolizinde kullanılandan çok daha azdır (Logan ve ark., 2008). Mikrobiyal elektroliz yöntemi temelde mikrobiyal yakıt pili yapısını baz alır, fakat aralarında bazı önemli farklılıklar vardır. Mikrobiyal yakıt pili prosesinde, suda çözünmüş halde bulunan organik substrat, anotta, ekzoelektrojenik bakterilerin katalitik etkisi ile yükseltgenip parçalanırken çözelti içerisinde CO 2, protonlar ve diğer küçük organik yapılar oluşur ve elektronlar bir dış elektrik devresi aracılığıyla anottan katota doğru aktarılırken protonlar katotta oksijen ile reaksiyona girerek suya dönüşürler. Sistemin serbest enerjisi ile kendiliğinden gerçekleşen bu olay esnasında elektrik üretilir. (Logan ve ark., 2006). Ortamda oksijen olmadığı taktirde akım oluşumu kendiliğinden gerçekleşmez ve mikrobiyal yakıt bili çalışmaz. Fakat bu durumda, anot ve katot arasına pratikte 0,2 V un üzerinde bir potansiyel uygulandığında, katotta protonların indirgenmesi sonucu hidrojen gazı açığa çıkar. Bu uygulama mikrobiyal elektroliz, kullanılan reaktör de mikrobiyal elektroliz hücresi (MEC) olarak isimlendirilmiştir. Mikrobiyal yakıt pili ve mikrobiyal elektroliz hücrelerinde kullanılan bakteriler ise ekzoelektrojenik olarak isimlendirilmiştir (Rozendal ve ark., 2008 ; Call ve Logan, 2008; Cheng ve Logan, 2007; Logan 2008). 10

24 1. GİRİŞ Mikrobiyal Elektroliz Hücresinde Kullanılan Mikroorganizmalar Mikrobiyal elektroliz hücrelerinde kullanılan mikroorganizmalar hakkında sahip olunan bilgi şimdilik, mikrobiyal yakıt hücrelerinde kullanılanlara nazaran daha azdır. Şimdiye kadar yapılan mikrobiyal elektroliz çalışmalarında rastlanan iki tür Shewanella oneidensis ve Pseudomanas spp. türleridir. MFC sistemlerindeki katot bölmelerinde hava bulunmasının anot bölmesine doğru bir oksijen difüzyonuna sebep olmasına karşın hem MFC hem de MEC ekzoelektrojenik bakteri kültürlerinin gelişimini destekleyecek yapıdadır. Fakat MFC de anot bölmesinde var olan oksijenin varlığı zorunlu anaerob olan bazı bakteri türlerinin gelişmesini engeller. Mikrobiyal elektroliz hücrelerinde ise tamamen oksijensiz ortamda çalışılması, MFC lerin aksine zorunlu anaerob mikroorganizmaların gelişmesine olumlu katkıda bulunur. Bu nedenle mikrobiyal elektroliz hücrelerinde ve mikrobiyal yakıt pillerinde kullanılan mikroorganizmalar da farklılıklar görülebilir. Atık sular yüksek derişimde ve farklı türde mikroorganizmalar içermektedir ve bir çok mikrobiyal elektroliz hücresinde aşılama çözeltisi olarak kullanılırlar (Liu ve ark., 2005; Rozendal ve ark., 2006). Örneğin bir mikrobiyal elektroliz çalışmasında anot üzerinde yer alan bakterilerin çoğaltılması için, bir mikrobiyal yakıt hücresi içerisinde kullanılan elektrot materyali üzerinde ekzoelektrojenik bakterilerin seçimli olarak gelişmesi sağlanmış ve bu şekilde üzerinde bir biyofilm oluşturulan bu elektrot materyali daha sonra bir mikrobiyal elektroliz hücresine transfer edilerek bir biyo-anot olarak kullanılmıştır (Liu ve ark., 2005; Call ve Logan, 2008). Ekzoelektrojenik bakteriler bu şekilde mikrobiyal elektroliz hücresine biyofilm olarak transfer edildikleri gibi, direkt olarak da kullanılabilirler. Mikrobiyal elektroliz hücrelerinde ekzoelektrojenik bakterilerin biyofilm olarak veya direkt eklenmesinin avantaj ve dezavantajları şu ana kadar yapılmış olan çalışmalarda henüz ortaya konabilmiş değildir. Mikrobiyal elektroliz hücrelerinde metan oluşumuna sebep olan ekzoelektrojenik bakteri türlerinin bulunması hidrojen gazı oluşumunu azaltıcı etki yapar ve bu durum mikrobiyal elektroliz hücrelerinde sık karşılaşılan bir problemdir. Yüksek konsantrasyonda hidrojen gazı, hidrojen gazı oluşumunu azaltan ve oluşan 11

25 1. GİRİŞ gazı metan oluşumu ile kirleten metanojen mikroorganizmaların oluşumuna sebebiyet verebilir. Mikrobiyal elektroliz hücrelerinde oluşan metanojenlerin gelişimini kontrol etmek amacı ile ph yı düşürmek, aşılama çözeltisinin yüksek ısı ile şoklanması ve kısa alıkonma zamanlarında çalışılması gibi yöntemler kullanılabilmektedir (Hawkes ve ark., 2007) Mikrobiyal Elektroliz Sisteminde kullanılan Ekzoelektrojenik Mikroorganizmalar ile Hücre Dışı Elektron Transferi Gerçekleşme Mekanizması Mikrobiyal elektroliz sistemlerinde kullanılan ekzoelektrojenik mikroorganizmalar ile elektrotlar arasında gerçekleşen elektron transfer mekanizmasının anlaşılması bu sistemlerin optimize edilebilmesi açısından son derece önemlidir. Bu mekanizma hem elektrot materyalinin seçimini kolaylaştırır hem de kullanılacak elektrotların yüzeylerinin elektron transfer mekanizmasını iyileştirebilecek şekilde dizayn edilebilmesini mümkün kılar (Lovely ve Nevin,2008). Hücre dışı elektron transferi mekanizması henüz tam olarak aydınlatılmamış olsa da, bu mekanizma için önerilen üç yöntem bulunmaktadır; 1) harici elektron taşıyıcılar aracılığı ile uzun vadeli elektron transferi, 2) dış yüzey c-tipi sitokromlar üzerinden direkt elektron transferi, 3) mikrobiyal nano-teller aracılığı ile uzun-vadeli elektron transferi Bazı mikroorganizmalar hücrelerden çözünür olmayan maddelere difüzyon yolu ile elektron alışverişi gerçekleştiren çözünür harici elektron taşıyıcıları üretebilirler. Bu durum ilk olarak mutant bir tür olan Shewanella putrifaciens te ve MFC sistemlerinde kullanılan Shewanella oneidensis MR-1 türünde fark edilmiştir. Bu elektron transfer sistemi, mikroorganizmalar ve çözünür elektron taşıyıcıları arasındaki redoks döngüsünü içerir. Bu döngü sırasında elektron taşıyıcılar mikroorganizmalar tarafından sürekli olarak indirgenir ve akabinde çözünmeyen elektron alıcılar tarafından oksitlenirler. Harici elektron taşıyıcılar aracılığı ile yapılan dolaylı elektron transferinin yanı sıra, hücre ile anot arasında dış çeperli c-tipi sitokromlar üzerinden direkt bir 12

26 1. GİRİŞ elektron alış verişi de söz konusu olabilir. Lanthier ve ark. tarafından 2008 yılında yapılmış olan bir çalışmada Shewanella oneidensis bakteri türünün bir kısmının anot yüzeyine tutunmuş olduğu gözlenmiştir. Bu sonuç aynı bakteri türlerinde birden fazla elektron transfer mekanizması olabileceğini göstermektedir. Pilus (Latince kirpik anlamına gelir; çoğul hali pili de kullanılır), bakteri hücrelerinin (özellikle gram-negatif olanlarının) yüzeyinde olan, saç benzeri bir yapıdır. Mikrobiyal nano-teller, mikroorganizmalar üzerinde yer alan bu yapının modifiye dış elektron alıcılar ile bağlantı oluşturacak şekilde modifiye edilmiş biçimleridir. Geobakter sulfurreducens tipi mikroorganizmalar bu nano-telleri Fe(III)oksit gibi hücre dışı elektron alıcılarına transfer etmek amacı ile kullanabilirler. Buna ek olarak, nano-teller ince biyofilm tabakaları arasında uzunvadeli elektron transferi gerçekleştirebilmektedirler. Şekil 1.4. Ekzoelektrojenik bakterilerin elektron transfer mekanizmasının şematik gösterimi 13

27 1. GİRİŞ Shewanella oneidensis MR-1 Shewanella oneidensis MR-1 bakteri türü çoğunlukla deniz derinliklerinde anaerob ve aerob yaşam sürebilen gram negatif ve metal indirgen bir bakteri türüdür. Tormann ve ark. tarafından 2004 yılında yapılan bir araştırmada Shewanella oneidensis MR-1 in cam yüzeyler üzerinde biyofilm oluşturma mekanizması incelenmiştir. Bu çalışmada mikroorganizmaların öncelikle yüzeye tutunduğu daha sonra kendilerine yeterli alanı sağlayıncaya kadar yanlamasına çoğaldıkları ve en sonunda yüzeye dikey bir biçimde çoğalarak kule tipi bir biyofilm tabakası oluşturdukları gözlenmiştir Metal indirgeme işlemi, mikroorganizmayı metal yüzeyine tutunduran biyofilmin oluşmasının ardından, bakterilerin hücrelerindeki elektronları solunum amacı ile metala transfer etmesi ile gerçekleşmektedir. Bu transfer mekanizmasının ana unsuru ise sitokrom adı verilen elektron transferi gerçekleştirici proteinlerdir. Doğada çeşitli sitokrom tipleri bulunmaktadır. Shewanella oneidensis MR-1 in metabolizmasında en az 42 sitokrom c molekülü olduğu rapor edilmiştir (Meyer ve ark., 2004). Bu elektron alıcı konsantrasyonlarının düşük olması durumda ise, pilus adı verilen mikrobiyal nano-tel yapılarını oluşturarak farklı bir elektron transfer mekanizması da geliştirebilmektedirler. Bu elektron transfer mekanizması sanılanın aksine mikroorganizmaların sürekli metal yüzeyinde tutunması şeklinde gerçekleşmez. Bu mikroorganizmalar sürekli metal yüzeyine tutunmak yerine, kısa bir süre metal yüzeyine temas eder, ihtiyacı olan elektrokimyasal enerjiyi elde eder ve ardından şiddetli ve keskin bir yüzme sergiler. Bu süreç yüzme sürecinin ardından mikroorganizmanın metal yüzeyine yeniden teması ile sürekli olarak tekrarlanır. Ayrıca mikroorganizmaların tutunduğu materyal yüzeyinin kalabalık olmaması gerekmektedir. Eğer bu durum söz konusu olursa, mikroorganizmalar ortamda çözünmüş halde bulunan besine ulaşmakta zorluk yaşayabilirler. Nitekim Logan ve ark. tarafından 2006 yılında yapılan bir araştırmada, Shewanella oneidennsis MR-1 bakterilerinin kullanıldığı bir mikrobiyal yakıt pili düzeneğinde yaşayan bakterilerin tam olarak anotun üzerinde yer almadığı, bunun yerine anottan birkaç mikron uzakta yaşamlarını sürdürdüğünü taramalı elektron mikroskopları aracılığı ile kanıtlanmıştır. 14

28 1. GİRİŞ Çalışmada direkt olarak anot üzernide varlığı tespit edilen bakterilerin yaşamadığı, dolayısı ile anot ile bir elektron alış verişinde bulunmadığından ötürü anot üzerinde tutulu bir şekilde kaldıkları gözlenmiştir Mikrobiyal Elektrolizde Kullanılan Elektrotlar Mikrobiyal elektroliz deneylerinde anot materyali olarak bu güne kadar, karbon örtü (Liu ve ark., 2005), karbon kağıt (Ditzig ve ark., 2007), grafit keçe (Rozendal ve ark., 2007), grafit granüller (Cheng ve Logan, 2007) ve grafit fırçalar (Call ve Logan, 2008) kullanılmıştır. Anot performansını arttırmak için elektrotlar üzerinde mikroorganizmaların tutunması için daha elverişli bir yüzey oluşturabilmek amacı ile, yüksek sıcaklıkta amonyak gazına tabi tutarak kimyasal olarak modifiye etmek gibi bazı ön işlemlere de başvurulabilmektedir (Cheng ve Logan, 2007). Mikrobiyal elektroliz sistemlerinde H 2 gazı çıkışının katot üzerinden gerçekleşir. Bu nedenle seçilecek olan katot materyali üzerinde H 2 gazı çıkış reaksiyonunun hızlı gerçekleşmesi ve H 2 gazı ayrışma aşırı geriliminin düşük olması gerekmektedir. Düz karbon elektrotlar üzerinde Hidrojen gazı oluşum reaksiyonu olduıkça yavaş ve aşırı potansiyel oldukça yüksektir. Bu aşırı potansiyeli düşürmek için platin katalizörler kullanılabilir, fakat platin katalizörlerin kullanılması maliyetinin yüksek olması gibi dezavantajları mevcuttur. Son dönemlerde Rozendal ve ark. tarafından yapılan bir çalışmada üzerinde hidrojen üretimi için aktif mikroorganizmaların yer aldığı bir biyokatot elde edilmiştir. Mikrobiyal elektroliz düzeneklerinde maliyeti düşürecek olan biyokatotların kullanılması üzerinde araştırmalar devam etmektedir Mikrobiyal Elektroliz sisteminde Elektrokimyasal Sınırlamalar Mikrobiyal elektroliz sistemleri normal elektrokimyasal sistemlere nazaran çok daha karmaşıktır. Elektronların üretim ve anota transferinin kapsamı sistem performansını oldukça fazla etkiler (Wrana ve ark., 2010). Bunların yanı sıra aşırı 15

29 1. GİRİŞ gerilimler ve ohmik dirençlerin de sistemin toplam etkinliği üzerinde etkileri bulunmaktadır Mikrobiyal Elektrolizin Termodinamiği Mikrobiyal elektroliz ile Hidrojen üretimi reaksiyonu spontane bir reaksiyon değildir. Bu sistemde elektrotlarda gerçekleşen reaksiyonları ve sistem dahilindeki potansiyel kayıpların üstesinden gelebilmek için sisteme ek bir enerji uygulaması gerekmektedir. Anot ve katot potansiyellerini arasındaki potansiyel farkı ölçerek, elektromotor kuvveti (electromotive force, emf,) olarak ifade edilen toplam pil potansiyelini hesaplamak mümkündür: E emf = E K E A Mikrobiyal elektroliz pil sistemlerindeki üst limitler elektrotlardaki yarı reaksiyonlar tarafından belirlenir. Bu değerler, anot ve katottaki indirgenme denge potansiyellerini ifade eden Nernst Denklemi ile hesaplanabilir. E elekrot = E 0 elektrot RT nf ln [ red] r [ oks] p R, ideal gaz sabiti, Jmol -1 K -1 ; T, mutlak sıcaklık; n, reaksiyon süresince transfer edilen elektron sayısı; F, Faraday sabiti, Cmol -1. Standart indirgenme potansiyeli; E 0 elektrot (V), standart koşullar altında (298K, 1bar, 1M) 0.000V olan normal hidrojen elektrot (NHE) referans alınarak kullanılır. Fakat mikrobiyal elektroliz sistemi biyolojik bir sistem olduğundan, NHE potansiyelinin ph 7 ye göre düzeltilmesi gerekmektedir. Düzeltilmiş NHE potansiyeli aşağıdaki gibi hesaplanır; 2H + + 2e - H 2 16

30 1. GİRİŞ E E 0 + ( H 2 / H ) 0 ( = E 0 RT nf ln H 2 + [ H ] H / H ) = ln = 0, 414V [ 10 ] Bir reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşebilmesi için reaksiyonun Gibbs serbest enerjisinin (ΔGr) negatif olması gerekmektedir. Bir elektrotkimyasal reaksiyona ait elektromotor kuvveti (emf) reaksiyonun Gibbs serbest enerjisi ile aşağıdaki gibi ilişkilendirilir: - ΔGr = QE emf = nfe emf Bir çok organik maddenin hidrojene dönüşüm reaksiyonuna ait ΔGr değeri pozitiftir. Örneğin standart biyolojik koşullarda (T=25ºC; P=1bar; ph=7) asetat oksidasyonuna ait Gibbs serbest enerjisi +104,6 kj/mol dür. Dolayısı ile asetatın hidrojene dönüşümü reaksiyonu kendiliğinden gerçekleşen bir reaksiyon değildir. Bu reaksiyona ait ΔGr değerinden faydalanılarak asetatın substrat olarak kullanıldığı bir elektroliz sisteminde standart biyolojik koşullarda asetattan hidrojen üretimi için gerekli olan minimum denge potansiyeli aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Asetatın hidrojene dönüşümüne ait reaksiyon; CH 3 COO - + 4H 2 O 2HCO H + + 4H 2 ( ΔGr = +104,6 kj mol) E 0 G = nf 104,6x10 = 8x r denge = 0, 14 V Sonucun negatif oluşu reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşmeyeceğini, gerçekleşebilmesi için sisteme potansiyel uygulanması gerektiğini göstermektedir. Bu reaksiyona ait Edenge ifadesi elektrokimyasal sistemde anot ve katotta gerçekleşecek olan yarı reaksiyonların teorik denge potansiyelleri hesaba katılarak da 17

31 1. GİRİŞ yapılabilir. Örneğin asetatın mikrobiyal elektroliz sisteminde anotta bakteriler tarafından oksitlenmesine ait reaksiyon aşağıdaki gibidir; CH 3 COO - + 4H 2 O 2HCO H + +8e - Bu reaksiyon göz önünde bulundurularak asetatın oksidasyonua ait anot potansiyeli aşağıdaki gibi hesaplanır; E an = E 0 an [ CH ] 3COO [ HCO ] [ ] 3 RT ln 8F H 0 Ean değerinin 0,0187V olduğu bu ifadenin değeri standart biyolojik koşullarda -0,279V olarak hesaplanır. Söz konusu elektrokimyasal sistemde katotta gerçekleşen reaksiyon ise aşağıdaki gibidir ve bu reaksiyon göz önünde bulundurularak Nernst denkleminden, daha önce eşitlik de de hesaplanan katot potansiyeli -0,414V dur. 2H + + 2e - H 2 Buna göre hesaplanan hücre denge potansiyeli aşağıdaki gibidir; Edenge = EK E A = ( 0,414V ) ( 0,219V ) = 0, 14V Bu hesaplamalara göre asetatın substrat olarak kullanıldığı bir mikrobiyal elektroliz sisteminde hücreye uygulanması gereken minimum potansiyel 0,14V olarak belirlenmiştir. Fakat mikrobiyal elektroliz sisteminin oldukça kompleks bir sistem olması, sistemde uygulanması gereken potansiyelin pratikte teorik potansiyelden daha yüksek olmasını gerektirmektedir Mikrobiyal Elektroliz Sisteminde Enerji Kayıpları Mikrobiyal elektroliz sistemleri oldukça karmaşık sistemler olduğundan pratikte sisteme uygulanması gereken potansiyel anot ve katottaki aşırı potansiyeller ve ohmik kayıplar nedeni ile daha fazladır. 18

32 1. GİRİŞ Mikrobiyal elektroliz sistemleri için gereken gerçek enerji ihtiyacı aşağıdaki ifade ile değerlendirilir; E hücre ( η + η + IRΩ) = Edenge a k η a ve η k, anot ve katottaki toplam aşırı potansiyeller; IR Ω ise sistem içerisindeki toplam ohmik kayıplar olarak ifade edilmektedir (1). Ohmik Kayıplar Bir elektrokimyasal pil sisteminde elektrik akımı iletimi elektronik veya iyonik olarak gerçekleşmektedir (Bagotsky, 2005). Bir mikrobiyal elektroliz sistemindeki ohmik voltaj kayıpları, elektotlar ve dış elektrik devresi arasındaki elektron akışına gösterilen direnç olarak tanımlanır (Logan ve ark.,2006). Ohm kanununa göre ohmik kayıplar akımdan bağımsızdır. Bu durumda bir mikrobiyal eletroliz sistemindeki ohmik kayıpları minimize etmek için elektrot yüzeyindeki boşlukları azaltmak, direnci düşük bir elektrot materyali azaltmak gibi yollara başvurularak mikrobiyal elektroliz sisteminin performansını arttırmak mümkün olabilir (2). Elektrot Aşırı Gerilimleri Bir elektrokimyasal pile uygulanması gereken minimum hücre potansiyeli sınırsız direnç ve sıfır akımın olduğu açık hücre koşullarında elde edilir. Devreden geçen akım uygulanması gereken bu minimum potansiyeli denge değerinden uzaklaştıran bir aşırı potansiyel oluşmasına sebep olur. Elektrokimyasal sistemdeki herhangi bir elektrotun polarizasyonu akım yoğunluğu ve gerçekleşen reaksiyona bağlıdır fakat diğer elektrodun durumuna bağlı değildir. Bu nedenle elektroliz sistemlerinde çalışılacak olan elektrotlar değerlendirilirken kendi başlarına değerlendirilmelidirler. Mikrobiyal elektroliz sistemlerindeki aşırı potansiyeller 19

33 1. GİRİŞ aktivasyon kayıpları, kolombik kayıplar ve konsantrasyon kayıpları olmak üzere üç ana başlık altında incelenir (Logan ve ark., 2006). Bir redoks reaksiyonunda aktivasyon enerjisini aşabilmek için denge ekstra enerji uygulanması gerekmektedir. Elektrot yüzeyinde reaksiyona giren bir maddeden elektron alışverişi gerçekleşirken aktivasyon kayıpları meydana gelmektedir. Anotta gerçekleşen reaksiyonlar için aktivasyon aşırı potansiyelleri çoğunlukla mikroorganizma ve elektrot arasında meydana gelen transfer mekanizmasından kaynaklanır. Tüm bu durumlar göz önünde bulundurulduğunda, mikrobiyal elektroliz hücresinde çalışılacak olan elektrotların yüzey alanının geniş tutulması vb. yöntemlerle modifiye edilerek elektrotların aşırı potansiyellerinin minimize edilmesi gerekmektedir (Logan ve ark.., 2006; Clauwaert ve ark., 2008; Logan, 2008). Bakteriyel metabolik kayıpların kolombik kayıplar üzerinde anlamlı etkileri bulunmaktadır. Bakterilerin büyümesi için kullanılacak enerji substrat ve elektrot arasında meydana gelen potansiyel fark ile ayarlanabilir. Bu potansiyelin azaltılması hem hidrojen üretimi için gerekli olan enerjiyi hem de bakterinin süreç boyunca büyümek için kazanacağı enerjiyi azaltacaktır. Mikrobiyal elektroliz sistemlerinde optimum performansı yakalamak için bakterinin enerji kullanımı ve elektrot potansiyelleri arasında bir dengenin kurulmasını gerektirmektedir. MEC yeni bir teknolojidir ve bu nedenle, pek çok araştırmacı bu reaktörlerin yapımına ve performansını etkileyen faktörlere yabancı olabilir. Dolayısıyla, prosesin mekanizmasının anlaşılması ve ilgili teknolojinin geliştirilmesi için yapılacak çok şey vardır. 20

34 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Rozendal ve arkadaşlarının 2006 yılında yaptıkları çalışmada asetatı model bileşik olarak kullandıkları bir takım mikrobiyal elektroliz deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Anot olarak disk şeklinde karbon keçe, katot olarak 50 g/m 2 Pt yüklü disk şeklinde titanyum elektrotların kullanıldığı mikrobiyal elektroliz sistemi anot ve katot bölmesi ayrılacak şekilde iki odalı olarak dizayn edilmiştir. 2 mm asetatın karbon kaynağı olarak kullanıldığı deneylerin sonucunda 24 saatlik deney süreleri için %53±3 verimle 0,02m 3 H 2 /m 3 reaktör hidrojen gazı elde edilmiştir. Yapılan gözlemler sonucunda bu performans düşüklüğünün hidrojenin katot bölmesinden anot bölmesine difüzyonundan kaynaklı kaybından ve katot üzerinde gerçekleşen reaksiyonlar sonucu oluşan yüksek aşırı potansiyellerden kaynaklanıyor olabileceğini öngörmüşlerdir. Bu difüzyon kayıpları ve aşırı potansiyeller optimize edildiği taktirde, mikrobiyal elektroliz ile atık sudan hidrojen üretiminin diğer yöntemlere kıyasla etkin bir yöntem olacağı Rozendal ve arkadaşları tarafından 2006 yılında ilk defa ortaya konmuştur. Katyon değiştirici membranların mikrobiyal elektroliz sistemlerinde yarattığı sıkıntıların ortaya konmasının ardından, Rozendal ve arkadaşları 2008 yılında yapmış oldukları çalışmada, mikrobiyal elektroliz sistemlerinde kullanılabilecek alternatif iyon değiştirici membranları araştırmışlardır. Çalışmada katyon değiştirici membran (CEMs), anyon değiştirici membran (AEMs), iki kutuplu membran (bipolar) (BPMs) ve yük mozaği membran (charge mosaic) (CMMs) olmak üzere dört farklı iyon değiştirici membran kullanılmış ve bunların mikrobiyal elektroliz deneylerindeki etkinlikleri AEM >CEM>CMM>BPM şeklinde sıralanmıştır. Mikrobiyal elektrolizde tek odalı hücreler ilk defa Rozendal ve ark. tarafından 2007 yılında kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan tek odalı mikrobiyal elektroliz düzeneği katyon değiştirici membran ve anyon değiştirici membranlar kullanılarak iki farklı konfigürasyonda test edilmiştir. Asetatın model bileşik olarak kullanıldığı İki konfigürasyonda yapılan deneylerde elde edilen hidrojen gazı miktarı, %23 verimle, 1,0V uygulama potansiyelinde 0.3m 3 H 2 /m 3 reaktör olarak belirlenmiş ve bu 21

35 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR iki konfigürasyonun hidrojen verimleri açısından birbirinden çok da farklı olmadığı görülmüştür. Hongqiang ve ark yılında yapmış oldukları mikrobiyal elektroliz çalışmasında, membrandan kaynaklanan potansiyel kayıpları azaltarak sistemin enerji kazanımını arttırabilmek için, tek odaklı ve membransız bir mikrobiyal elektroliz hücresi kullanmışlardır. Ekzoelektrojenik bakteri olarak bir karışık kültür ve bir saf Shewanella oneidensis MR-1 kültürü kullanıldığı bu deneylerde anot olarak A tipi karbon örtü, katot olarak 0,5 mg/cm 2 Pt yüklü B tipi karbon örtü kullanılmıştır. 0,6V uygulama potansiyelinde yapılan elektroliz deneyleri sonucu ph 7 de 0,53 m 3 /gün/m 3 hidrojen üretim hızı ve 14A/m 2 akım yoğunluğuna, ph 5,8 de ise 0,69 m 3 /gün/m 3 hidrojen üretim hızına ulaşılmıştır. Selembo ve ark yılında yaptıkları çalışmada karbon kaynağı olarak gliserol veya glukoz kullandıkları mikrobiyal elektroliz deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Anot olarak amonyak gazı ile muamele edilen karbon fırça, katot olarak ise %10(w) Pt yüklü karbon örtü kullanılmıştır. Gliserolün kullanıldığı deneylerde 0,9V uygulama potansiyelinde 3,9 molh 2 /mol; glukozun kullanıldığı deneylerde ise 0,9V uygulama potansiyelinde 7,2 molh 2 /mol hidrojen üretilmiştir. Bu deneylerde Selembo ve arkadaşları biyodizel yakıt üretiminde yan ürün olarak açığa çıkan gliserolün mikrobiyal elektroliz ile hidrojen üretimi için etkin bir yöntem olabileceğini açığa çıkarmışlardır. Mikrobiyal elektroliz deneylerinde katotta elektrotlarda katalizör olarak genellikle yüksek maliyeti olan Pt kullanılmaktadır. Selembo ve ark yılında yaptıkları bir çalışmada, mikrobiyal elektroliz deneylerinde katot olarak kullandıkları karbon örtü elektrotları 0,5-1 µm boyutlarında Ni powder kullanarak hazırlamışlar ve mikrobiyal elektroliz performanslarını 0,002 µm Pt içeren geleneksel katot elektrotların performansları ile karşılaştırmışlardır. Ekzoelektrojenik bakteri kültürü olarak Geobacter sulfurreducens ve Pelobacter propionicus türlerinin ve Ni ve Pt içeren katot elektrotların kullanıldığı mikrobiyal elektroliz deneylerinde, kolombik etkinlik, hidrojen geri kazanımı ve enerji geri kazanımı açısından performansları benzer nitelik göstermiştir. Fakat Ni içeren elektrotun kullanıldığı mikrobiyal 22

36 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR elektroliz deneylerinde maksimum hidrojen gazı üretim hızı Pt e göre daha yavaştır. (Ni için 0,6V uygulama potansiyelinde 1,2m 3 H 2 /m 3 gün; Pt için 1,6m 3 H 2 /m 3 gün). Zhang ve ark yılında yapmış oldukları çalışmada, mikrobiyal elektroliz düzeneğinde katot olarak pahalı Pt yerine paslanmaz çelik örgü kullanmışlardır. Paslanmaz çelik örgü platine göre çok daha ucuz bir materyaldir ve bu materyal ile hazırlanan yüksek özellikli yüzey alanına sahip katotların platin katalizörü içeren karbon örtü malzemeden yapılan katotlarla aynı performansı gösterebileceği düşünülmüştür. Zhang ve arkadaşları katot olarak kullandıkları paslanmaz çelik örgü elektrotları farklı yüzey alanlarında hazırlamış ve test etmişlerdir. Yapılan deneylerde en yüksek etkinlik gösteren paslanmaz çelik örgü elektrot, 0,02 cm boyutlarında gözenekleri olan 0,02 cm tel kalınlığına sahip 66 m 2 /m 3 spesifik yüzey alanı olan elektrot olarak belirlenmiştir. Bu elektrot ile yapılan mikrobiyal elektroliz deneylerinde 0,9V uygulama potansiyelinde 2,1±0,3 m 3 H 2 /m 3 gün üretim hızı ile hidrojen üretimi gerçekleşmiştir. Huang ve ark yılında yaptıkları bir çalışmada, katot olarak paladyum kaplanmış karbon kağıt materyali kullanmış ve mikrobiyal elektrolizdeki etkinliğini incelemişlerdir. Çalışmada paladyum ile kaplanmış elektrotun Pt siyahı ile kaplanmış karbon kağıt elektrottan daha düşük bir aşırı gerilim gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca Pd kaplı mikrobiyal elektroliz deneylerinde gözlenen kolombik etkinlik, hidrojen geri kazanımı ve katodik geri kazanımlar Pt kaplı elektrota göre biraz daha fazla olmuştur. Huang ve arkadaşları yaptıkları bu çalışmada paladyum nano parçacıkların katot materyalleri üzerine kaplanarak katodik etkinliği arttırdığı ve bu şekilde hazırlanan katodik katalizörlerin maliyetinin daha düşük olabileceği sonucuna varmışlardır. Jeremiasse ve ark yılında yapmış oldukları çalışmada katot elektrotlar üzerinde Pt katalizörü yerine soy-olmayan metal alaşımların alternatif olarak kullanmış ve etkinliklerini kıyaslamışlardır. Bu çalışmada nikel-molibden, nikeldemir-molibden ve kobalt-molibden kaplı bakır levhaların hidrojen çıkışı üzerine nikel katotlardan çok daha etkin olduğunu kanıtlamışlardır. Çalışmada maksimum hidrojen üretimi 50 m 3 H 2 /m 3 MECgün ile, anyon değiştirici membran içeren bir mikrobiyal elektroliz hücresin kobalt-molibden kaplı katotlar ile elde edilmiştir. 23

37 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Fan ve ark yılında yapmış oldukları çalışmada Au ve Pd ile dekore edilmiş grafit anotlar kullanarak mikrobiyal elektroliz deneyleri gerçekleştirmişlerdir. Shewanella oneidensis MR-1 ekzoelektrojenik bakteri türünün kullanıldığı deneylerde, Au nano parçacıkları ile dekore edilen anotların, normal grafit elektrotlara göre 20 kat fazla akım yoğunluğu ürettiği gözlenmiştir. Pd ile dekore edilen anot elektrotlar ise % daha fazla akım yoğunluğu üretmiştir. Bu çalışma ile Fan ve arkadaşları katot elektrotların yanı sıra anot elektrotların da nanometaller ile dekore edilerek mikrobiyal elektroliz etkinliklerinin arttırabileceği savını ortaya koymuşlardır. 24

38 3.MATERYAL VE METOT 3. MATERYAL VE METOT Materyal Mikroorganizmalar Mikrobiyal elektroliz deneylerinde ekzoelektrojenik Shewanella oneidensis MR-1 saf bakteri kültürü USA dan temin edilmiştir Elektrotlar Mikrobiyal elektroliz hücresinde anot olarak kenar yüzey pirolitik grafit (Edge Plane Pyrolytic Graphite, EPPG), (Momentive PG plate UEK, USA) katot olarak EPPG, Ni yüklü EPPG ve Pt yüklü EPPG kullanılmıştır Metot Mikrobiyal Elektroliz Hücresinin Dizaynı Mikrobiyal elektroliz hücresi deneylerinde tek odalı ve membransız hücre kullanılmıştır. Deneyler süresince sıcaklığın sabit tutulması için ısıtmalı bir su sirkülatörü (Huber Compatible Control CC1) kullanılmıştır. Kapak kısmında 6 adet giriş ve çıkış (ph prob girişi, referans elektrot girişi, 2 adet elektrot girişi, gaz çıkışı, örnekleme girişi) bulunmaktadır. Hücre ile kapak, aralarına sızdırmazlığın sağlanması amacı ile silikon bir O-ring yerleştirildikten sonra paslanmaz çelikten kelepçe ile sıkıştırılarak kapatılmıştır. Kapak kısmındaki giriş çıkışların tamamı uygun bir septumlu kapak ile sıkıca kapatılmıştır. Gaz çıkışına takılan hortumun bir ucu septumlu kapak ile sıkıca kapatılmış ve diğer ucu içi su dolu bir bürete yerleştirilmiştir (Şekil 3.1). Bu büret, su dolu bir kapa açık ucu altta kalacak şekilde daldırılmıştır. Bu şekilde elektroliz esnasında açığa çıkan gaz, su ile yer değiştirerek büretin içerisinde toplanmış ve hacim ölçümü yapılmıştır. 25

39 3.MATERYAL VE METOT Şekil 3.1.Mikrobiyal elektroliz hücresi Elektrotların Dizaynı EPPG Elektrotların Dizaynı Çalışmada anot ve katot olarak kullanılacak EPPG elektrotlar, pirolize grafit levhalar kenar yüzeylerinden (edge plane) kesilerek hazırlanmıştır. Daha sonra bu parçalar 39 x 5 x 5 mm boyutlarında kesilerek, elektriksel devrede elektron aktarımını sağlamak amacı ile 0,2 mm kalınlığında bakır tele bağlandıktan sonra bir cam çubuk içerisine sabitlenmiştir. Çözelti ile temasta olması istenmeyen asıl yüzeyler (basal plane) epoksi ile kaplanmıştır. 24 saatlik kurutma süresinin ardından elektrotlar kullanıma hazır hale gelmiştir. Bu şekilde, kenar yüzeylerin elektroliz çözeltisi ile temas ettirildiği pirolize grafit elektrotlar, kenar yüzeyli pirolize grafit (Edge Plane Pyroltic Graphite, EPPG) olarak adlandırılmaktadır (Şekil 3.2). 26

40 3.MATERYAL VE METOT Şekil 3.2. Asıl yüzey (basal plane) ve kenar yüzey (edge plane) pirolize grafit elektrotun şematik gösterimi (Banks ve Compton, 2006) Ni Yüklü EPPG Elektrotların Dizaynı Çalışmada katot olarak kullanılacak Ni yüklü EPPG elektrotlar, EPPG üzerine elektrolitik olarak Ni çöktürme yöntemi ile hazırlanmıştır. Elektrolitik Ni yükleme işlemi esnasında %30 Ni.SO 4.7H 2 O, %7 NiCl 2.6H 2 O, %1.25 H 3 BO 3 içeren bir çözelti kaplama çözeltisi olarak kullanılmıştır (Solmaz ve ark., 2012) Yüzeyi Ni yüklenecek olan EPPG elektrotun çalışma elektrotu, Pt elektrotun karşı elektrot olarak ve Ag/AgCl (doy. KCl) referans elektrotunun kullanıldığı bir sistemde -20mA akımda EPPG üzerine Ni indirgeme işlemi yapılmıştır. EPPG üzerine çöken Ni miktarı Faraday yasasından faydalanılarak teorik olarak hesaplanmıştır Pt Yüklü EPPG Elektrotların Dizaynı Çalışmada kullanılan Pt yüklü EPPG elektrotlar, EPPG üzerine elektrolitik olarak Pt çöktürme yöntemi ile hazırlanmıştır. Pt ile kaplanacak olan EPPG elektrotlar 39 x 5 x 5 boyutlarında kesilerek bazal yüzeyleri Pt indirgenmesini önlemek amacı ile epoksi ile kapatılmıştır. Çöktürme işlemi %0,8(w/w) KCl, %0,6 (w/w) H 3 BO 3, %0,3 (w/w) NaC 6 H 5 O 7 ve %0,07 H 2 PtCl 6 içeren bir çözeltide, 27