1. Mục tiêu nghiên cứu: Tạo ra một nguồn điện mới sử dụng nguyên liệu sẵn có trong thực tế đời sống thường ngày để góp phần tiết kiệm nhiên liệu trong thời kì thiếu hụt và cạn kiệt. Áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế nhằm giúp đời sống phát triển và nâng cao, ngoài ra còn tăng tính sang tạo và mở rộng tầm hiểu biết của bản thân. Góp phần cho việc bảo vệ môi trường, qua đó góp phần hạn chế được những tác hại của việc ô nhiễm môi trường gây ra cho con người như làm giảm các nguy cơ về các bệnh ung thư, tim mạch,..Không những thế, nó còn tạo cho con người quen với việc sử dụng các năng lượng tái chế, năng lượng sạch. Sử dụng một dạng năng lượng mới giúp hạn chế sử dụng nhiên liệu. Nâng cao và phát triển ngành điện sinh học tại Việt Nam → một ngành khoa học mới và cần được phát triển. 2. Cách thức thu thập dữ liệu: Quan sát thu thập thông tin về việc sử dụng các loại pin hiện nay đang sử dụng Trình bày ý tưởng, thảo luận giải pháp và khả năng thực hiện đề tài. Thiết kế bản vẽ, mạch điện, cấu tạo Tính toán số liệu kĩ thuật và chuẩn bị dụng cụ, vật liệu và kinh phí thực hiện Thiết kế sản phẩm mô hình và cho sản phẩm hoạt động thử nghiệm để kiểm tra đối chứng ý tưởng so với kết quả 4. Kết luận ban đầu (do quá trình nghiên cứu tài liệu) Loại pin sinh học sử dụng năng lượng chuyển hóa glucose đã có những chuyển biến tích cực khi đã tạo ra dòng điện một chiều với hiệu điện thế tối đa là 5V và ứng dụng tương tự như pin tiểu: có thể làm sáng bóng đèn dây tóc, làm hoạt động các thiết bị điện sử dụng dòng điện một chiều (cánh quạt nhỏ, quạt máy tính,…), có thể áp dụng cho việc sử dụng nguồn điện trong các phòng thiết bị vật lí trong các thí nghiệm với nguồn điện một chiều. Pin sinh học đang trong quá trình nghiên cứu mở rộng và thương mại hóa sản phẩm pin thân thiện với môi trường này. Ngoài ra pin sinh học không thải chất độc hại ra môi trường, nên rất thân thiện với môi trường và dễ sử dụng.
Cuộc thi sáng tạo Khoa học – Kĩ thuật dành cho học sinh Trung học Tênđề tài PIN SINH HỌC – NGUỒN ĐIỆN MỘT CHIỀU ỔN ĐỊNH MỤC LỤC TÊN ĐỀ TÀI trang1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI trang I MỤC LỤC trang I TỔNG QUAN trang Lý chọn đề tài trang Mục tiêu nghiên cứu trang 3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .trang 4 Giới hạn phạm vi nghiên cứu trang 4-5 II CƠ SỞ LÝ LUẬN trang III DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP CỨU trang Bản vẽ ban đầu .trang Dụng cụ, vật liệu thiết bị chuẩn bị trang Sơ đồ quy trình vận hành trang Số liệu minh chứng trang IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU trang Ưu điểm trang9 Khuyết điểm trang9 V.THẢO LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU trang 10 Thực trạng trang 10 Thảo luận trang 10 VI HÌNH ẢNH SẢN PHẨM TRONG QUÁTRÌNH THỰC HIỆN trang 10 VII KẾT LUẬN .trang11 VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO .trang 11 BẢN TÓM TẮT ĐỀ TÀI DỰ THI Cuộc thi “Khoa học Kỹ thuật dành cho học sinh trung học’’ Tên sản phẩm : PIN SINH HỌC Mục tiêu nghiên cứu: - Tạo nguồn điện sử dụng nguyên liệu sẵn có thực tế đời sống thường ngày để góp phần tiết kiệm nhiên liệu thời kì thiếu hụt cạn kiệt - Áp dụng kiến thức học vào thực tế nhằm giúp đời sống phát triển nâng cao, ngồi cịn tăng tính sang tạo mở rộng tầm hiểu biết thân - Góp phần cho việc bảo vệ mơi trường, qua góp phần hạn chế tác hại việc ô nhiễm môi trường gây cho người làm giảm nguy bệnh ung thư, tim mạch, Khơng thế, tạo cho người quen với việc sử dụng lượng tái chế, lượng - Sử dụng dạng lượng giúp hạn chế sử dụng nhiên liệu - Nâng cao phát triển ngành điện sinh học Việt Nam → ngành khoa học cần phát triển Cách thức thu thập liệu: - Quan sát thu thập thông tin việc sử dụng loại pin sử dụng - Trình bày ý tưởng, thảo luận giải pháp khả thực đề tài - Thiết kế vẽ, mạch điện, cấu tạo - Tính toán số liệu kĩ thuật chuẩn bị dụng cụ, vật liệu kinh phí thực - Thiết kế sản phẩm mơ hình cho sản phẩm hoạt động thử nghiệm để kiểm tra đối chứng ý tưởng so với kết Kết luận ban đầu (do trình nghiên cứu tài liệu) Loại pin sinh học sử dụng lượng chuyển hóa glucose có chuyển biến tích cực tạo dịng điện chiều với hiệu điện tối đa 5V ứng dụng tương tự pin tiểu: làm sáng bóng đèn dây tóc, làm hoạt động thiết bị điện sử dụng dòng điện chiều (cánh quạt nhỏ, quạt máy tính,…), áp dụng cho việc sử dụng nguồn điện phòng thiết bị vật lí thí nghiệm với nguồn điện chiều Pin sinh học trình nghiên cứu mở rộng thương mại hóa sản phẩm pin thân thiện với mơi trường Ngồi pin sinh học khơng thải chất độc hại môi trường, nên thân thiện với môi trường dễ sử dụng I TỔNG QUAN Lý chọn đề tài; Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đề tài nóng bỏng xã hội Mơi trường ngày bị hủy hoại q trình cơng nghiệp hóa đại hóa tác động xấu đến sức khỏe người Nhất việc khơng khí, đất nước bị nhiễm kim loại ngày tăng cao, điều ảnh hưởng tiêu cực đến việc thay đổi hậu người Ơ nhiễm mơi trường gây nên nhiều loại bệnh viêm phổi, viêm đường hô hấp… hay bệnh mắt viêm giác mạc,đau mắt đỏ hay nặng bệnh ung thư, môi trường ô nhiễm kim loại cịn gây bệnh đột biến gene… Chính mà việc nhiễm mơi trường ảnh hường xấu đến người, môi trường ngày bị hủy hoại trầm trọng hoạt động sống người Không thế, trình cơng nghiệp hóa dẫn đến việc thiếu hụt lượng, làm cho giá thành điện tăng cao, nên việc sử dụng tiết kiệm lượng quan trọng.Thiếu hụt nguồn nhiên liệu mối quan tâm Thế giới nguồn tài nguyên bị giảm sút cách trầm trọng Như biết rằng, phải triệu năm, lượng khống sản nhiên liệu có khả tái tạo lại được, nhưng, người sử dụng ngày khai thác cách khơng khoa học Chính mà việc sừ dụng nguồn lượng giải pháp quốc gia khuyến khích Pin tiểu có giá thành rẻ sử dụng rộng rãi khắp Thế giới Thành phần loại pin tiểu kẽm-mangan, mangan kiềm, mangan, mangan lithium… loại pin tiểu tối ưu pin Lithium thân thiện với môi trường, không gây độc hại q trình xử lí Thế nhưng, việc sử dụng q mức loại pin tiểu đặt vấn đề xử lí lượng khổng lồ pin tiểu, điều nhiều ảnh hưởng đến mơi trường sống người Việc tạo dạng lượng có khả thay loại pin tiểu việc làm cần thiết Nó khơng góp phần bảo vệ mơi trường sống mà cịn giúp bảo vệ sức khỏe người sử dụng Tất điều làm cho em nảy ý tưởng thực nghiên cứu “Pin sinh học” Mục tiêu nghiên cứu: - Tạo nguồn điện sử dụng nguyên liệu sẵn có thực tế đời sống thường ngày để góp phần tiết kiệm nhiên liệu thời kì thiếu hụt cạn kiệt - Áp dụng kiến thức học vào thực tế nhằm giúp đời sống phát triển nâng cao, ngồi cịn tăng tính sang tạo mở rộng tầm hiểu biết thân - Góp phần cho việc bảo vệ mơi trường, qua góp phần hạn chế tác hại việc ô nhiễm môi trường gây cho người làm giảm nguy bệnh ung thư, tim mạch, Khơng thế, cịn tạo cho người quen với việc sử dụng lượng tái chế, lượng - Sử dụng dạng lượng giúp hạn chế sử dụng nhiên liệu mà ngun liệu từ nguồn thức ăn có chứa glucose hay giấy vụn ngâm enzyme Amylase → dễ tìm thấy tự nhiên - Nâng cao phát triển ngành điện sinh học Việt Nam → ngành khoa học cần phát triển Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Hiện người sử dụng loại pin hóa học – hay cịn gọi pin tiểu với giá thành rẻ dễ sử dụng Thế thành phần loại pin kim loại (kẽm-mangan, mangan kiềm, mangan, mangan lithium… )cùng với carbon hoạt tính nên phần gây hại đến người dung tiếp xúc nhiều với Khơng thế, người dùng loại pin ngàng gia tăng, điều lại vơ tình tạo nên lượng lớn rác thải pin (do tuổi thọ pin khơng cao loại lượng có thời hạn sử dụng Vì mà lượng kim loại pin ngấm vào đất, khơng khí, nước gây nhiễm kim loại trầm trọng Việc phát triển lọa pin giải hạn chế Việc tạo loại pin sinh học bước ngoặt lớn, giúp ngành sinh – hóa – lí nâng lên tầm cao mới, phát triển ứng dụng sinh học vào việc sản xuất lượng – cần thiết Ngồi ra, cịn giúp tiết kiệm nguồn nhiên liệu, khuyến khích đem sản phẩm lượng sinh học không ảnh hưởng môi trường đến cho người sử dụng, góp phần làm tăng ý thức bảo vệ mơi trường người Giới hạn phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu loại pin sinh học dựa nghiên cứu sẵn có việc phát triển loại pin sinh học (pin sinh học SONY 2008) tạo nguồn điện chiều sử dụng thiết bị nhỏ làm quay cánh quạt chạy pin hay làm sáng bóng đèn, tạo nguồn điện chiều có khả áp dụng phịng thí nghiệm vật lí trường học II CƠ SỞ LÝ LUẬN: Tóm tắt vấn đề thực Với tốc độ phát triển kinh tế, tốc độ đô thị hóa ngày gia tăng đem lại nhiều lợi ích cho người Thế điều gây nên tác động tiêu cực đến đời sống người Việc lạm dụng mức nguồn nhiên liệu sẵn có tự nhiên (dầu mỏ khí đốt, loại kim loại,…) tạo nên hệ lụy tương lai Trái Đất, ta thấy rõ hậu mà giới phải gánh chịu thiên tai, nóng lên tồn cầu, nhiễm mơi trường, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng Vì thế, sử dụng sản phẩm sinh học nhằm tiết kiệm nuồn nhiên liệu bị cạn kiệt điều cấp bách Là học sinh, chúng em cần áp dụng kiến thức học để lập nên ý tưởng giúp cải thiện điều kiện sống cho người Đầu tiên theo kiến thức sinh học, em biết lượng sinh học lượng vô tận, không ô nhiễm môi trường nguồn lượng ượng từ chất bột đường mà tiêu biểu đường glucose Do glucose dạng đường đơn (monosaccharide) nên dễ chuyển hóa thành dạng lượng tức thời Với tác dụng enzyme, glucose chuyển hóa thành lượng Áp dụng chế thể, em sang tạo nên loại pin sinh học sử dụng lượng chuyển hóa glucose thể để tạo dịng điện chiều pin Lithium Nước Việt Nam nước có số lượng người tiêu thụ pin Lithium nhiều giới mà tạo nên lượng lớn rác thải kim loại, điều góp phần gây nhiễm mơi trường nặng nề Việc tạo nên loại pin cần thiết Đặc biệt, khoa học kĩ thuật phát triển mạnh mẽ, thị trường xuất loại vật liệu Carbon nanotube (Ống nano carbon), ngồi ra, cơng nghệ sản xuất ống nano carbon phát triển Việt Nam trình áp dụng để thực số vật dụng vỏ máy tính, chip, card hình… Ống nano carbon có tác dụng làm tăng lượng e- q trình chuyển hóa glucose oxi hóa enzyme Vì thế, em sử dụng ống nano carbon tim pin sinh học – giúp tăng hiệu suất truyển tải điện Sử dụng ống carbon cách oxi nhiệt độ 90 độ C 24h trộn với ống nano carbon (nguồn US national library of medicine – National institute of health – 2003) Đó cấu tạo pin phần cực âm Cấu tạo pin chia làm phần: phần cực âm, phần ngăn cách điện cực phần điện dương Phần điện âm có ống nanocarbon thẩm enzyme bị oxi hóa với tác dụng chuyển hóa glucose thành lượng truyền tải e- pin.Glucose chia phía cực dương pin, sản xuất proton (H +) electron (e-) Các proton (H +) chuyển giao cho phía cực âm thơng qua dấu phân cách, điện tử (điện tử) vận chuyển đến phía cực âm thơng qua hòa giải, mà chuyển chúng để mạch điện bên Các cực sử dụng enzym để tạo phản ứng oxy giảm mà cuối tạo nước cách sử dụng hai proton (H +) electron (e-) chuyển từ cực dương Những phản ứng cực dương cực âm tạo lượng điện cách tạo proton (H +) electron (e-) truyền qua cực âm thong qua phần trung gian.Phần phần ngăn cách cực âm cực dương, với tác dụng truyền e- xuống cực âm.Và phần cuối phần cực dương, cực dương có chứa enzyme có tác dụng cho phép dịng điện từ ngồi vào Chính pin phải tn thủ theo nguyên tắc xếp: cực dương cực âm Tiến trình thực lập luận theo lý thuyết Pin sinh học chủ yếu dựa vào lượng glucose có sẵn Sự phân hủy vật liệu để glucose (nếu họ có giai đoạn thích hợp) bước việc chu kỳ bắt đầu Vật liệu chuyển đổi thành glucose qua trình thủy phân enzyme Thủy phân enzyme q trình cellulose (chất không tan) chuyển đổi thành glucose với việc bổ sung enzym Sau glucose tồn oxy enzym khác hoạt động glucose để sản xuất thêm ion hydrogen electron Em sử dụng ống nano carbon (CNTs) để làm phần truyền tải electron (e-) pin sinh học Ống nano carbon cịn có đặc điểm gia tăng e- mơi trường enzyme oxi hóa (GOx) (điều kiện nhiệt độ 90 oC) Các ống nano cacbon có độ dài khoảng 18mm đan thành lưới.Tấm lưới cấu tạo cực âm Pin sinh học Ở phần cực âm, diện enzyme Laccase (nồng độ mg / ml), chất xúc tác để phản ứng xảy Trong môi trường pH > 7, enzyme laccase cịn có tác dụng chất xúc tác cho H+ lien hết với oxi tạo thành nước – sản phẩm mà pin sinh học thải Nguồn lượng sinh học phân tử bao gồm Nicotinamide Adenine dinucleotide (NADH), Nicotinamide Adenine dinucleotide phosphate (NADPH) 5,10methylenetetrahydrofolate reductase (FADH) Cụ thể nguồn lượng sinh học phân tử sử dụng để tạo hiệu điện pin sinh học q trình oxy hóa Nicotinamide Adenine dinucleotide (NADH) để Nicotinamide Adenine dinucleotide (NAD +) Các q trình oxy hóa NADH kết hợp với việc giảm phân tử khác oxy cho nước pin sinh học Quá trình tn thủ theo phương trình hóa học sau: NADH/ NAD → H ++ ++ 2e – Qua phản ứng hóa học trên, electron tạo ra, ống nanocarbon thẩm GOx phát huy tác dụng.Nó giúp vận chuyển e- dể sử dụng Phần phần trung gian, khơng phận ngăn cách cực dương cực âm mà cịn có tác dụng truyền tải ion H+ lên cực dương.Thành phần nước (nước cất) nguyên liệu dễ tìm Ở phần cực dương, thành phần enzyme Laccase tác dụng chất nền, có tác dụng ổn định ion H+ pin Các nguồn lượng sinh học phân tử bị oxy hóa điện cực tế bào Q trình oxy hóa nguồn lượng sinh học phân tử tạo điện tử sản xuất proton Các điện cực anode, kết nối phương tiện dẫn điện với điện cực thứ hai, cực âm Electron di chuyển thông qua phương tiện dẫn điện, chất bán dẫn.Từ điện vào điện cực thứ hai tạo dòng điện điện trở đặt dây Các proton di chuyển qua màng trao đổi proton từ tế bào vào tế bào thứ hai Các phân tử oxy hoạt động chất khử tế bào thứ hai giảm electron điện cực thứ hai kết hợp với proton để tạo thành nước Do sử dụng nguồn lượng từ đường glucose theo chế enzyme phân hủy glucose nên pin sinh học khơng thải chất độc ngồi mơi trường mà thay vào đưa nước, khí oxi khí carbon dioxide ngồi mơi trường tương tự chế thể Hiện nay, ta quen thuộc với dạng thức ăn đời sống thường ngày đường nho, coca, hay kể loại giấy vụn, nguồn lượng dồi cho việc sản xuất nguồn điện cho đời sống, thực phẩm chứa bột đường, đặc biệt đường nho có khả tạo nguồn điện sử dụng thong qua pin sinh học Pin sinh học chủ yếu dựa vào lượng glucose có sẵn Sự phân hủy vật liệu để glucose (nếu họ có giai đoạn thích hợp) bước việc chu kỳ bắt đầu Vật liệu chuyển đổi thành glucose qua trình thủy phân enzyme Thủy phân enzym q trình cellulose (chất không tan) chuyển đổi thành glucose với việc bổ sung enzym Sau glucose tồn oxy enzym khác hoạt động glucose để sản xuất thêm ion hydrogen electron III DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU : Dụng cụ vật liệu thiết bị chuẩn bị: STT Vật liệu, thiết bị Số lượng Ống nano carbon Enzyme Laccase 100ml Miếng kim loại có tác dụng 15nm X 100 Số liệu (yêu cầu kĩ thuật) truyền tải điện Chất bán dẫn Vỏ nhựa (làm vỏ pin) 30x60 Nguyên liệu chứa đường glucose hay giấy vụn ngâm enzyme (dạng lỏng) Chất điện giải trung gian (nước) GOx (Enzyme oxi hóa) 20ml 50ml Cấu tạo chung pin sinh học (cơ bản) Số liệu minh chứng : 90oC, pH từ → a) Sự biến thiên lượng pin theo nồng độ enzyme Cường độ dòng điện Stt Nồng độ enzyme 1g/ml 54mA 2g/ml 59,1mA 3g/ml 64,88mA 4g/ml 70.99mA = 5,67 (mA) (mức lượng) → % = 10% Kết luận: tăng nồng độ enzyme Laccase lên 1g/ml, mức lượng pin tăng lên 10% so với cường độ dòng điện pin lúc ban đầu b) Thời gian sử dụng pin dựa lượng glucose có 500ml nguyên liệu giấy ngâm enzyme, coca, dung dịch glucose nguyên chất Stt Nguyên liệu Thời gian sử dụng thiết bị điện tương ứng Giấy vụn (bìa carton) ngâm enzyme Amylase 18% 6h Coca (nước có ga) 5h Dung dịch glucose nguyên chất 7h Kết luận: Năng lượng (tuổi thọ pin) phụ thuộc vào lượng glucose có nguyên liệu V.THẢO LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thực trạng: - Đã thực làm mơ hình pin sinh học có kết khả quan, hiệu điện mà pin đạt em chế tạo 5V, điều chỉnh hiệu điện xúc tác phân hủy enzyme Laccase trình hoạt động pin - Pin thải nước khí CO2 nên không gây hại cho môi trường người sử dụng - Pin làm hoạt động thiết bị sử dụng nguồn điện chiều với hiệu điện 3V hay 1,5V cánh quạt (trong phịng thí nghiệm vật lí) nhỏ, bóng đèn… 2.Thảo luận: Pin sinh học có khả tái tạo phương pháp sau: Một nguồn lượng sinh học phân tử tái sinh cách phù hợp Tái sinh nguồn lượng sinh học phân tử xảy thời gian trước, sau sử dụng bio-pin Các nguồn lượng sinh học phân tử tái sinh, ví dụ, cách sử dụng loại enzyme vi sinh vật Tái sinh nguồn lượng sinh học phân tử liên quan đến nhiều phản ứng Ví dụ, nguồn lượng sinh học phân tử bị oxy hóa NAD + tái sinh phản ứng khử để tăng nồng độ NADH tế bào pin sinh học Các nguồn lượng sinh học phân tử thiết kế để sử dụng enzym để tái tạo nguồn lượng sinh học phân tử giảm Các enzym kết hợp với chất để tái tạo nguồn lượng sinh học phân tử cách chuyển đổi nguồn lượng sinh học phân tử bị oxy hóa trở lại giảm nguồn lượng sinh học phân tử Khi giảm nguồn lượng sinh học phân tử tái sinh, bị oxy hóa lần để tạo tiềm điện Ví dụ, nơi NADH nguồn lượng sinh học phân tử, NADH oxy hóa thành NAD + để tạo tiềm điện Các enzym lựa chọn để chuyển đổi NAD +, nhà nước bị oxy hóa, trở lại để NADH, nhà nước giảm Sau đó, tái sinh NADH bị oxy hóa lần để tạo điện VII KẾT LUẬN: Việc tạo pin sinh học có tác dụng cải thiện đời sống người, giúp bảo vệ môi trường bảo vệ sức khỏe người Sử dụng nguồn lượng tái chế giúp giảm lượng rác thải → bước chuyển cho ngành điện sinh học Ưu điểm: Một lợi đáng kể mà pin sinh học có so với loại pin khác khả họ phép nạp điện Nói cách khác thơng qua nguồn cung cấp liên tục đường, glucose, pin sinh học liên tục giữ cho tính mà khơng cần cung cấp lượng Pin Bio nguồn nhiên liệu không cháy không độc hại Điều cung cấp nguồn lượng tái tạo thay Pin sinh học không gây ô nhiễm môi trường, không độc hại không gây nguy hiểm cho người sử dụng Nguồn lượng pin sinh học sử dụng từ loại thực phẩm, nguồn tái chế từ bên ngồi nên dễ sử dụng khơng tốn cho việc mua nguyên liệu Pin sinh học có tiềm phát triển thị trường hóa Nhược điểm: So với pin thông thường, chẳng hạn pin lithium, pin sinh học có khả giữ lại hầu hết lượng Thế lại có khả tái tạo lại nhanh dễ dàng Giá thành sản phẩm cao so với loại pin tiểu VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO - Tài liệu từ Internet http://techmartquangtri.com.vn/Default.aspx?tabid=68&ID=248 http://www.hoahocngaynay.com/vi/tin-tuc-hoa-hoc/hoa-hoc-viet-nam/1535-vatlieu-nano-carbon-san-xuat-tai-khu-cnc-tp-hcm-co-that-su-uu-viet.pdf http://www.slideshare.net/kottesruthi/bio-battery-ppt?next_slideshow=1 http://www.biotecharticles.com/Applications-Article/Bio-BatteriesMechanism-of-Working-Advantages-and-Potential-Applications-3051.html http://www.google.com/patents/US20050287399 https://en.wikipedia.org/wiki/Biobattery https://vi.wikipedia.org/wiki/%E1%BB%90ng_nan%C3%B4_c %C3%A1cbon