4.3. Nghiên cứu sự biến động trong khoang catot
4.3.1. Sự suy giảm nồng độ ion cd 2+ trong dung dịch catot
Các hệ thống Shewanella-BES với catot kị khí và catot hiếu khí có khuấy từ được tiến hành nghiên cứu trong 1 tuần. Kết quả cho thấy các hệ BES1, BES2 và BES3 hầu như không có sự suy giảm về nồng độ ion Cd2+ trong mẫu thu được sau khi ly tâm dung dịch ở các catot khác nhau (Hình 4.8). Chẳng hạn như đối với hệ BES1 và BES3, nồng độ ion Cd2+ ban đầu trong khoang catot lần lượt là 0.818 mM và 0.876 mM so với ngày cuối thí nghiệm là 0.834 mM và 0.866 mM, không thấy sự khác biệt rõ rệt. Riêng đối với hệ BES2, đã có sự thay đổi nhẹ về nồng độ Cd trong các lần thu mẫu, tuy nhiên đây không phải là sự sụt giảm về nồng độ ion Cd2+ trong khoang.
Hình 4.8. Nồng độ ion Cd2+ còn lại trong mẫu thu ở các hệ BES1, BES2 và BES3 tại các thời điểm ngày 0, 2, 4, và 6
Điều này cho thấy trong catot chưa có phản ứng giữa gốc sunfua sinh ra từ quá trình khử thiosulfate với ion Cd2+ trong môi trường catot. Ngoài ra, catot của các hệ không có sự thay đổi về màu môi trường, tuy nhiên, trong hệ BES với catot hiếu khí lại phát hiện mùi H2S sinh ra. Như vậy, điện tử từ anot khử thiosulfate thành H2S ở hệ hiếu khí, tuy nhiên việc thu mẫu liên tục và khuấy từ với tốc độ 250 vòng/phút có thể làm khí H2S thoát ra mà không có phản ứng với ion Cd2+ trong hệ thống.
Từ kết quả của các thí nghiệm trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy không có sự hình thành sản phẩm CdS trong điều kiện catot kị khí. Điều này được giải thích: do sự chênh lệch thế oxi hóa khử giữa anot và catot. Để giải phóng năng lượng trao đổi chất, vi sinh vật vận chuyển electron từ cơ chất tại một điện thế thấp (axetat, lactat,…) thông qua chuỗi vận chuyển electron tới chất nhận electron cuối cùng (oxi, Mn2+,…) tại một điện thế cao hơn (Hyung-Sool Lee et al., 2009; Commault et al., 2013). Catot có vai trò quan trọng đối với hiệu suất giải phóng năng lượng ở anot và nó cũng phải có thế oxi hóa khử cao để kết hợp với các proton trong sự hình thành sản phẩm ở khoang catot. Ở hệ hiếu khí, sự có mặt của oxi đã làm tăng thế oxi hóa khử ở cực dương của pin vi sinh vật, do đó làm tăng tốc độ vận chuyển electron qua màng tế bào (EET) của vi khuẩn tới điện cực, kết quả làm tăng tốc độ phản ứng tạo thành sản phẩm trong khoang
catot. Tuy nhiên, việc thu mẫu và khuấy liên tục đã làm mất một phần khí H2S, làm giảm tốc độ phản ứng trong khoang catot. Do vậy, hệ BES có catot hiếu khí và khuấy từ được chuyển sang hệ BES catot-hiếu khí, đồng thời việc thu mẫu để kiểm tra nồng độ ion Cd2+ ở các hệ BES thí nghiệm sau (BES4 và BES5) chỉ thu ở các thời điểm ngày 0, 7, 14 và 21 để hạn chế ảnh hưởng tới sự hình thành sản phẩm hạt CdS ở khoang cực dương.
Nghiên cứu tốc độ phản ứng trong khoang catot của hệ BES có catot hiếu khí (BES4) so với hệ BES có catot hiếu khí nối thêm pin 1.5 V ở cực dương (BES5) với cực âm được bổ sung cơ chất lactat (10 mM) hàng tuần với thời gian kéo dài lên 21 ngày, kết quả động học phản ứng được mô tả tại Hình 4.9 khẳng định việc khí H2S sinh ra đã làm giảm nồng độ ion Cd2+ trong dung dịch. So sánh với kết quả theo dõi sự thay đổi nồng độ ion Cd2+ trong các hệ BES1, BES2 và BES3 trong 1 tuần đầu thí nghiệm, nồng độ Cd2+ trong khoang catot của BES4 và BES5 đã có sự suy giảm từ 0.952 mM và 1.053 mM xuống còn 0.906 mM và 0.99 mM lần lượt với hai hệ BES4 và BES5. Sau 21 ngày thí nghiệm, lượng Cd2+ mất đi do phản ứng so với lượng ban đầu bổ sung lần lượt là 7.47% và 10.35% đối với hệ BES có catot hiếu khí và hệ BES có catot hiếu khí nối pin. Hiệu suất loại bỏ Cd2+ trong các hệ thí nghiệm trên khá thấp, so sánh với hiệu suất loại bỏ Cd2+ cao (90%) đã được chứng minh BES buồng đơn catot không khí thông qua cơ chế hấp thụ sinh học và kết tủa sunfua (Abourached et al., 2014). Tuy nhiên, hệ BES hai khoang thí nghiệm có ưu điểm là dễ dàng thu hồi vật liệu sau thí nghiệm, do việc tiếp xúc giữa vi sinh vật và vật liệu tạo thành trong BES một khoang gây khó khăn cho việc làm sạch vật liệu. Hơn nữa, quy mô anot nhỏ ảnh hưởng tới cường độ dòng điện sinh ra trong BES, do đó ảnh hưởng tới phản ứng sinh CdS trong khoang catot, cũng như sự sụt giảm nồng độ ion Cd (II) trong khoang. Việc loại bỏ ion Cd (II) trong BES2 khoang thí nghiệm có ý nghĩa thực tiễn trong việc ứng dụng thiết kế này để xử lý nhóm kim loại nặng.
Như vậy, tại anot, lactat hoạt động với vai trò như chất cho điện tử, cung cấp electron cho quá trình khử diễn ra tại catot. Sodium thiosulfat là nguồn cung cấp gốc sunfua tiềm năng thông qua phản ứng khử thiosunfat, với sự có mặt của ion Cd (II), các ion S2- và Cd2+ đã phản ứng với nhau tạo thành sản phẩm CdS theo phương trình (Rami et al., 1999):
Cd2++ S2O32−
+ 2e−→ CdS + SO32−
Ngoài ra, kết quả động học hệ BES có catot nối với pin cho phản ứng sớm và ổn định hơn so với hệ BES có catot không nối pin.
Hình 4.9. Sự thay đổi nồng độ Cd2+ trong khoang cực dương các hệ thống BES có catot-hiếu khí
Hình 4.10 cho thấy cả hai hệ BES với chủng Shewanella sp. HN-41 ở anot đã truyền điện tử cho quá trình khử thiosulfate và tạo thành sản phẩm CdS trong catot. Thêm nữa, hệ có pin cho phản ứng nhanh hơn (sau 1 tuần thì catot xuất hiện màu vàng).
A B C
Hình 4.10. Sự thay đổi màu của dung dịch Catot với hệ BES đối chứng (A); Hệ BES2 (B); Hệ BES3 (C) ngày thứ 14 của thí
nghiệm
Như vậy, kết quả nghiên cứu thu hồi ion Cd (II) dưới dạng tủa CdS cho hiệu quả với các hệ thống BES có catot hiếu khí. Tuy nhiên, hiệu suất thu hồi
Cd2+ còn thấp, cần nghiên cứu mở rộng quy mô anot và các điều kiện khác để tăng hiệu quả sản xuất vật liệu CdS của các hệ thống BES.