1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT
1.4.2.1 Vật liệu cho điện cực
Vật liệu sử dụng là điện cực trong MFC cần thỏa mãn yêu cầu sau: tính dẫn điện cao, khơng bị ăn mịn, có diện tích tiếp xúc bề mặt cao, không bị tắc, không đắt tiền, dễ dàng sử dụng, khơng gây độc cho vi sinh vật; trong đó tính dẫn điện là chỉ tiêu quan trọng nhất. Tính dẫn điện có thể đƣợc đánh giá bằng cách đo điện trở của vật chất trên khoảng cách. Ví dụ độ dẫn điện; của đồng là 0,1 Ω/ cm, của giấy carbon là 0,8 Ω/ cm, của sợi than chì là 1,6 Ω/ cm, của vải than chì là 2,2 Ω/ cm. Điện tử sản xuất bởi vi sinh vật cần đƣợc truyền từ điểm phát sinh trên bề mặt của vật liệu điện cực tới điểm gom điện ( kết nối với dây), chỉ cần một vài ohms của điện trở trong đƣợc thêm vào có thể ảnh hƣởng lớn tới cơng suất [37, 38].
Vải than chì, giấy carbon, xốp carbon (Hình 4): Việc sử dụng điện cực với bản chất là carbon cho cực âm anode của MFC là phổ biến, vì những vật liệu này có khả năng dẫn điện khá tốt, trơ với các phản ứng điện hóa và phù hợp với sự phát triển của vi khuẩn. Giấy carbon rất cứng, giịn, dễ gãy; vải carbon và xốp carbon có độ dẻo và diện tích bề mặt hoạt động lớn hơn giấy carbon [37, 38].
Hạt than chì (Hình 6A): Rabaey, Aelterman, Heilmann và Logan cũng đã nghiên cứu sử dụng hạt than chì trong MFC, các hạt than chì có kích thƣớc khác nhau thƣờng d = 1.5 – 5 mm với diện tích bề mặt đƣợc cơng bố vào khoảng 820 – 2700 m2/m3. Hạt than chì có tính dẫn điện khoảng 0,5 - 1Ω/ hạt, và một trong những yêu cầu để đảm bảo khả năng dẫn điện của anode chứa các hạt than chì là cần phải có sự tiếp xúc giữa các hat trong khoang anode [37, 38, 60].
Hình 4: Vật liệu carbon sử dụng cho điện cực anodes: (A) giấy carbon, (B) vải các bon, (C) lƣới carbon [38]
Hình 5: Một vài vật liệu dùng làm điện cực cho MFC (A) Thanh than chì (B; C; D) Tấm than chì [38]
Thanh than chì, miếng than chì, xốp than chì (Hình 5): Thanh than chì đã đƣợc sử dụng trong một số nghiên cứu MFC trƣớc đấy, chúng có tính dẫn điện cao (0,2 Ω/ cm) và bề mặt rõ ràng. Tuy nhiên, trƣớc khi sử dụng chúng cần đƣợc mài với cát để tăng diện tích bề mặt cho vi sinh vật sinh trƣởng. Than chì miếng cũng có thể đƣợc sử dụng trong MFC, nó có đặc điểm khá giống than thanh than chì, và bởi chúng là các miếng nên có diện tích bề mặt lớn, thuận lợi cho việc sử dụng phân tích màng sinh học (biofilm) sinh điện. Tuy nhiên, các miếng than chì thƣờng khơng rỗng và tạo dòng điện thấp hơn so với dạng cấu chúc dạng xốp. Chaudhuri và Lovley (2003) đã phát hiện rằng khi tăng diện tích khơng gian bề mặt của điện cực dạng thanh than chì hoặc xốp than chì thì sẽ làm tăng dịng điện phát sinh bởi MFC chứa Rhodoferax ferrireducens. Tuy nhiên sự ảnh hƣởng này là do sự khác biệt diện tích bề mặt, chứ không phải là do sự khác nhau trong vật liệu [34, 37, 38].
Hình 6: (A) Hạt than chì, (B; C) Chổi than chì (D) Sợ than chì [38]
Sợi than chì và chổi than chì (Hình 6C và 6D): Đặc điểm của các vật liệu
này là diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao. Lõi của chổi có thể đƣợc làm từ các vật liệu khơng bị ăn mịn nhƣ tianium. Đƣờng kính nhỏ của sợi than chì (khoảng 7.2 µm) cho phép tạo đƣợc diện tích bề mặt lớn, ví dụ với một cây chổi có đƣờng kính 5 cm và dài 7 cm có diện tích khoảng 1,06 m2. Sợi than chì có thể sử dụng trong anode; tuy nhiên, làm sao để phân tán đƣợc tốt các sợi trong khoang là một vấn đề còn tồn tại cần đƣợc giải quyết [37, 38].