1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT
1.4.2.2 Màng trao đổi ion
Màng trao đổi ion là cần thiết để phân tách hai khoang anode và cathode của MFC, chúng có tác dụng chọn lọc sự di chuyển của proton giữa hai khoang, do đó màng trao đổi ion có thể mà một nhân tố giới hạn năng lƣợng thu đƣợc từ MFC. Có một số loại màng trao đổi ion chính đƣợc sử dụng trong các hệ thống MFC: màng trao đổi cation (CEM), màng trao đổi anion (AEM), màng phân cực (PBM) [24, 38, 63, 74].
Màng trao đổi cation (Hình 7 A và C): Hầu hết màng trao đổi cation (CEM)
là màng Nafion. Màng này đã đƣợc phát triển từ việc sử dụng trong hệ thống pin hydrogen, và nó đã đƣợc tối ƣu hóa nhằm tạo ra sự ổn định cho mơi trƣờng dẫn điện có nồng độ proton cao (pH thấp) và lƣợng nƣớc đƣợc kiểm soát nghiêm ngặt. Tuy nhiên, nồng độ proton này trở nên bão hịa trong MFC và màng có thể khơng đạt đƣợc chức năng nhƣ đã đƣợc kỳ vọng. Màng Nafion là màng trao đổi proton, đƣợc thiết kế cho sự di chuyển proton, nhƣng trong MFC nó cho phép cả sự di chuyển của chất mang điện tích dƣơng nhƣ (Na+, K+, NH4+, Ca2+, và Mg2+ ) và sự hiện diện của chúng cao hơn 105 lần so với proton hòa tan trong MFC [63]. Vậy sự canh tranh di chuyển của các cation khác sẽ ảnh hƣởng tới hệ thống MFC. Khi các chất hòa tan bị tiêu thụ, proton đƣợc sản xuất từ khoang anode và đƣợc tiêu thụ tại khoang cathode. Nếu proton không thể di chuyển đúng tốc độ từ anode tới cathode, pH có thể bị giảm tại anode và tăng tại cathode trong khi sự cân bằng vật chất đƣợc duy trì bởi sự di chuyển của các cation khác. pH giảm tại anode ảnh hƣởng tới sự sinh trƣởng của vi khuẩn và dòng điện phát sinh. Một dung dịch đệm tốt có thể bù trừ sự thay đổi pH này để làm giảm ảnh hƣởng tới điện lƣợng sinh ra. Các tính tốn về q trình khử oxy tại cathode chỉ ra rằng pH có thể ảnh hƣởng đến điện thế cathode [37, 38, , 51].
Màng trao đổi anion (AEM) (Hình 7B): Nếu ion H+ không di chuyển hiệu quả qua CEM, sự cân bằng pH trong MFC sẽ bị ảnh hƣởng. Kim và cộng sự đã báo cáo rằng có thể tăng hiệu quả di chuyển của proton bằng cách sử dụng hóa chất nhƣ đệm pH, hay anion phosphate. Bên cạnh đó, có thể sử dụng màng trao đổi anion để ngăn cách hai khoang MFC. Năng lƣợng sinh ra có thể lớn hơn khi sử dụng AEM. Do sự có mặt của phosphate trong khoang anode, AEM cho phép toàn bộ anion phosphate di chuyển qua và pH trong khoang anode có thể đƣợc duy trì tốt hơn. Tuy nhiên, đối với AEM, việc duy trì pH trong khoang cathode sẽ gặp khó khăn và phụ thuộc rất nhiều vào việc sử dụng đệm. Vì vậy, mật độ dịng điện cao trong hệ thống, sự di chuyển mạnh của proton là cần thiết cho sự duy trì và cân bằng pH [38, 63].
Màng phân cực (BPM): Màng phân cực bao gồm màng anion và cation đƣợc
ghép với nhau. Sự tăng lên của hiệu điện thế là lớn hơn sự di chuyển proton qua màng, kết quả là sự di chuyển anions (OH-) từ anode và cation (H+) từ cathode là đƣợc cân bằng. Ter Heijne và cộng sự (2006) đã phát triển một hệ thống MFC với
anode vận hành ở pH thấp (<2.5) nhƣng nếu sử dụng CEM sẽ không đảm bảo điều kiện này. Bằng cách sử dụng màng phân cực, họ có khả năng duy trì pH thấp trong khoang cathode và pH trung hòa trong khoang anode . Nhƣợc điểm duy nhất của loại màng này là giá thành cao [21, 37, 63].
Hình 7: Các loại màng đƣợc sử dụng trong MFC; (A) Màng cation (CMI – 7000, Membranes International, Inc); (B) màng anion (AMI – 7001, 7000, Membranes International, Inc); (B) màng anion (AMI – 7001, Membranes International, Inc); (C) Nafion 117 (Ion Power, Inc) [38]
Hình 8: Cơ chế hoạt động của các loại màng phân tách; (A) CEM sự di chuyển của cation từ anode tới cathode: (B) AEM sự di chuyển của anion từ cathode của cation từ anode tới cathode: (B) AEM sự di chuyển của anion từ cathode sang anode: (C) BPM phân tách nƣớc trong ion proton và hydroxyl trong màng (D) màng khảm CMM sự di chuyển cation từ anode tới cathode hoặc/ và anion từ cathode tới anode (PS = Power supply, C+ = Cations, A- = Anions) [63]