3.1 LỰA CHỌN THIẾT KẾ MFC PHÙ HỢP
3.1.2 Lựa chọn thiết kế MFC nhằm phát triển cảm biến sinh học
Sau khi lựa chọn đƣợc vật liệu để chế tạo MFC, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu các dạng thiết kế MFC đã đƣợc công bố trên thế giới và so sánh phân tích ƣu nhƣợc điểm của chúng qua đó lựa chọn đƣợc dạng thiết kế tối ƣu nhất cho việc phát triển cảm biến sinh học đánh giá chất lượng nước thải (Bảng 20, 21). Như ta đã biết, cảm biến sinh học (biosensor) trong đánh giá chất lượng nước cần những yêu cầu như: chỉ dẫn chính xác chất lượng nước, kiểm tra trực tiếp chất lượng nước, thời gian phản ứng với sự thay đổi chất lượng nước ngắn, giá thành rẻ… Tuy nhiên, dòng điện được sinh ra bởi MFC chịu ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố như: hoạt động của vi sinh vật, sự di chuyển-tốc độ electron từ tế bào đến điện cực, sự di chuyển của proton từ khoang anode tới khoang cathode, điện trở trong của hệ thống, tốc độ và lƣợng oxy phản ứng tại khoang cathode, oxy hòa tan trong khoang anode[26]…
45
Do đó, nhằm hạn chế các yếu tố ảnh hưởng tới MFC, đã có rất nhiều dạng thiết kế MFC đã đƣợc nghiên cứu phục vụ cho việc phát triển cảm biến sinh học và tối ƣu độ hoạt động của chúng. . Ƣu nhƣợc điểm của các dạng thiết kế này đã đƣợc chúng tôi phân tích ở Bảng 20.
Bảng 20: Phân tích ƣu nhƣợc điểm các loại thiết kế MFC [13, 14, 25, 37, 38]
STT Loại MFC Ƣu điểm Nhƣợc điểm
1
MFC một
khoang với cathode không khí
- Dòng điện phát sinh cao - Điện trở trong thấp
- Khó thiết kế điện cực cathode
- Điện cực cathode có thể là trở ngại cho việc tiếp xúc với oxy nếu không được tưới nước hoặc dung dịch điện ly - Oxy có thể thấm qua màng vào khoang anode gây phản ứng không đặc hiệu
2
MFC hai khoang với cathode chứa dung dịch chất điện ly
- Dòng điện phát sinh cao, ổn định
- Chất điện ly thường là chất độc cần được thay thường xuyên
3
MFC hai khoang với cathode chứa nước được sục khí
- Dòng điện phát sinh thấp, ổn định
- Thuận tiện trong chế tạo và vận hành
- Điện trở trong cao
- Oxy có thể thấm qua màng vào khoang anode gây phản ứng không đặc hiệu
4 MFC dạng ống
- Dòng điện phát sinh cao - Cơ chất bị phân hủy chiệt để
- Không bị tắc nếu dung địch đầu vào vẩn đục
- Oxy có thể thấm qua màng vào khoang anode gây phản ứng không đặc hiệu
- Điện cực cathode có thể là trở ngại cho việc tiếp xúc với oxy nếu không được tưới nước hoặc dung dịch điện ly
46
Bảng 21: Tổng hợp các nghiên cứu về dạng MFC biosensor
Dạng MFC Chất cho điện tử
Nồng độ cao nhất có thể đo
Dòng điện phát sinh cao nhất
Thể tích khoang
Thời gian
cảm biến Tài liệu
MFC hai
khoang (không sử dụng chất chuyền điện tử)
Nước thải 25 mg O2/l
BOD 1.1 mA 25 ml 30 phút–
10h
Kim và cộng sự (2003) [25]
MFC hai
khoang dạng C
Glucose và
glutamate
200 mg
O2/l BOD 2.9 mA 5 ml 5 phút-10h
Kim và cộng sự (2006) [26]
MFC hai
khoang (không chất chuyền điện tử)
Glucose và
glutamate
100 mg
O2/l BOD 6 mA 20 ml 60 phút
Chang và cộng sự (2004) [13]
MFC một
khoang Nước thải 250 mg
O2/BOD 0.4 mA 12 ml Lớn hơn 60 phút
Lorenzo và cộng sự (2009) [17]
MFC một
khoang Nước thải 78 mg O2/l
BOD 0,27 mA 9 ml 30 phút-
10h
Peixoto và cộng sự (2011) [55]
Sau khi tiến hành nghiên cứu và so sánh ƣu-nhƣợc điểm của các dạng thiết kế MFC tại Bảng 20 và 21, chúng tôi lựa chọn thiết kế MFC dựa trên mô hình của Kim và cộng sự năm 2006 [26]. Đây là dạng thiết kế MFC có thể tích khoang anode nhỏ nên sẽ cơ thời gian phản ứng với các nồng độ BOD khác nhau nhanh hơn. MFC của chúng tôi đƣợc thiết kế là dạng MFC hai khoang với dạng hình hộp và hình trụ, với ba thể tích khoang anode là: 5 ml; 7,5 ml; 10 ml. Hệ thống MFC vận hành với khoang cathode sử dụng nước bão hòa oxy chạy tuần hoàn (nước được thay 1
47
ngày/lần), còn khoang anode không sử dụng chất truyền điện tử trung gian, và dịch đầu vào anode chúng tôi không sử dụng nitơ để tạo điều kiện kỵ khí. Với những đặc điểm trên, chúng tôi mong đợi MFC có thể tích khoang nhỏ sẽ cho tốc độ cảm ứng với chất lượng nước thải nhanh hơn. Việc không sử dụng dung dịch đầu vào anode kỵ khí, không sử dụng chất truyền điện tử trung gian và sử dụng cathode chứa dung dịch nước được sục khí là nhằm tăng khả năng triển khai cho ứng dụng ngoài thực địa. Ngoài ra, do hoạt động của MFC còn chịu nhiều ảnh hưởng của cấu trúc khoang, đường đi của dòng dung dịch và tốc độ lưu dịch trong khoang, chúng tôi tiến hảnh thử nghiệm hai dạng thiết kế khoang hình trụ và hình hộp chữ nhật với thể tích khoang anode biến đổi từ 5-7, 5-10 ml nhằm chọn ra thiết kế tốt nhất cho việc thiết kế một cảm biến sinh học có độ nhạy cao và ổn định.