1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT
1.4.1 Các loại Thiết kế MFC
Cho đến nay, có khá nhiều các dạng thiết kế MFC đƣợc nghiên cứu và phát triển. Mỗi dạng thiết kế có những ƣu nhƣợc điểm riêng và phù hợp với những mục đích sử dụng nhất định. Các dạng thiết kế MFC cơ bản bao gồm:
Hệ thống MFC với cathode khơng khí: Một thiết kế đơn giản nhằm cải thiện
năng lƣợng sản xuất trong MFC với cathode tiếp xúc khơng khí (air cathode) đƣợc phát triển bởi Liu và Logan (2004). Dạng buồng đơn này, với cathode tiếp xúc trực tiếp với khơng khí tỏ ra thuận tiện cho nghiên cứu và sử dụng. Khoang phản ứng gồm có tấm đơn 4 cm Acrylic hoặc Lexan (vật liệu có thể khử trùng) với thể tích khoang là 28 ml, hai điện cực đƣợc đặt đối nhau ở cuối bề mặt với diện tích phản ứng là 25 m2
/ m3. Trong thử nghiệm đầu tiên anode đƣợc làm từ giấy carbon Toray, cathode là dạng vải carbon bao gồm 0.5 mg/ cm2
của chất xúc tác Pt (E – Tek, USA) mặt bên của phản ứng. Trong hệ thống phát triển đầu tiên sử dụng màng cation (CEM) của NafionTM 117 và điện trở đƣợc sử dụng gồm loại 500 hoặc 1000 Ω. Công suất của MFC sử dụng glucose trong thí nghiệm là 494 + 21 mW/ m2
khi thiếu CEM, và 262 + 10 mW/ m2 với CEM, cao hơn đáng kể so với các thiết kế khác. Tuy nhiên, một trở ngại lớn với MFC cathode khơng khí là sự tƣơng tác giữa ba pha (khí, lỏng, rắn) của phản ứng oxygen với protons và electron trên bề mặt cathode kém, làm cho đòng điện phát sinh trong MFC không ổn định [15, 17, 18, 37, 38].
Hệ thống MFC hai khoang với khoang cathode chứa nước và được sục oxy hòa tan: Đây là dạng thiết kế MFC có thể coi là kinh điển, đƣợc sử dụng trong
nhiều nghiên cứu, với hai khoang riêng biệt và màng cation (CEM) đƣợc sử dụng để ngăn cách. Dạng này có điểm đặc biệt là hệ thống gồm hai khoang ngăn cách bởi CEM và điện cực cathode nằm trong nƣớc và đƣợc sục khí. Theo Oh và cộng sự (2005), nồng độ của oxy hịa tan có thể ảnh hƣởng tới hệ thống, với năng lƣợng sẽ giảm khi DO thấp. Ngồi ra, việc kết nối giữa hai khoang có thể hạn chế năng lƣợng
oxy hịa tan và các hóa chất hịa tan bị thấm qua màng và sang khoang anode. Điện trở trong của hệ thống MFC hai khoang khá lớn, nguyên nhân là do khoảng cách giữa hai điện cực và phản ứng khơng hiệu quả của oxy hịa tan. Tuy nhiên, hệ thống này có một số ƣu điểm đáng lƣu ý là khả năng hoạt động ổn định và sự thuận tiện, đơn giản trong vận hành và chế tạo [15, 18, 26, 37, 38].
Hệ thống MFC hai khoang với dung dịch điện ly ở cathode (catholytes):
Dung dịch điện ly dạng chứa ferricyanide ở cathode, đã đƣợc Rabaey và cộng sự (2006) đề xuất, có thể làm tăng năng lƣợng đầu ra của một MFC lên 4310 mW/ m2 với cơ chất là glucose. Việc sử dụng ferricyanide có ảnh hƣởng tới sự di chuyển của điện tử tới điện cực tại cathode, và điện trở trong của hệ thống là thấp hơn so với việc dùng ơxy hịa tan. Năng lƣợng đầu ra của hệ thống MFC có khoang cathode chứa ferricyanide tăng lên tới 80% so với của hệ thống sử dụng nƣớc đƣợc sục oxy [15, 37, 38].
Một chất khác là permanganate đã đƣợc thí nghiệm bởi You và cộng sự (2006) nhƣ là chất nhận điện tử. Trong hệ thống này năng lƣợng đƣợc sản xuất là 116 mW/m2, cao hơn so với khi sử dụng ferricyanide (26 mW/m2) hoặc oxy hòa tan (10 mW/ m2). Điện trở trong của permanganate (51Ω) cũng thấp hơn so với ferricyanide (73Ω). Một nhƣợc điểm lớn của hệ thống MFC sử dụng dung dịch điện ly là: Các chất này có thể gây độc, hoặc nếu hoạt động trong thời gian dài thì bị khử hết dẫn đến yêu cầu phải thay chúng thƣờng xuyên [72].
MFC dạng ống: Liu và cộng sự (2004) sử dụng MFC dạng ống bao gồm 8
thanh than chì và một cathode dạng ống ở trung tâm. Một vài dạng hệ thống sử dụng oxy hòa tan ở trong cathode, hoặc có thể sử dụng ferricyanide. Jang và cộng sự (2004) sử dụng hệ thống dạng ống đƣợc vận hành trên nền tảng dòng chảy liên tục trong khoang anode và khoang cathode đƣợc nối trực tiếp có dạng thiết kế giống hình trụ. Ƣu điểm của MFC dạng ống là tạo diện tích tiếp xúc bề mặt lớn giữa anode và cathode, dòng điện phát sinh cao, lƣợng cơ chất đƣợc phân hủy hoàn toàn nhờ áp dụng phƣơng pháp dùng chảy ngƣợc (lớn hơn 90% COD bị tiêu thụ). Một
điều bất lợi của hệ thống có thể là hiện tƣợng oxy từ cathode khuếch tán sang khoang anode gây phải ứng không đặc hiệu [18, 37, 38, 60].