1.4 PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT
1.4.2 Vật liệu cấu tạo MFC
Vật liệu sử dụng là điện cực trong MFC cần thỏa mãn yêu cầu sau: tính dẫn điện cao, không bị ăn mòn, có diện tích tiếp xúc bề mặt cao, không bị tắc, không đắt tiền, dễ dàng sử dụng, không 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 được thêm vào có thể ảnh hưởng lớn tới công 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, giòn, 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 thước khác nhau thường d = 1.5 – 5 mm với diện tích bề mặt được công 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].
18 Hình 4: Vật liệu carbon sử dụng cho điện cực anodes: (A) giấy carbon, (B) vải các bon, (C) lưới 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 được sử dụng trong một số nghiên cứu MFC trước đấy, chúng có tính dẫn điện cao (0,2 Ω/ cm) và bề mặt rõ ràng. Tuy nhiên, trước khi sử dụng chúng cần được mài với cát để tăng diện tích bề mặt cho vi sinh vật sinh trưởng. 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 thường không 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 không gian bề mặt của điện cực dạng thanh than chì hoặc xốp than chì thì sẽ làm tăng dòng điện phát sinh bởi MFC chứa Rhodoferax ferrireducens. Tuy nhiên sự ảnh hưởng này là do sự khác biệt diện tích bề mặt, chứ không phải là do sự khác nhau trong vật liệu[34, 37, 38].
19
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 không bị ăn mòn như tianium. Đường kính nhỏ của sợi than chì (khoảng 7.2 àm) cho phộp tạo được diện tớch bề mặt lớn, vớ dụ với một cõy chổi cú đường kớnh 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].
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].
20
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 được tối ưu hóa nhằm tạo ra sự ổn định cho môi trường dẫn điện có nồng độ proton cao (pH thấp) và lượng nước được kiểm soát nghiêm ngặt. Tuy nhiên, nồng độ proton này trở nên bão hòa trong MFC và màng có thể không 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 dương như (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 hưởng 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 hưởng tới sự sinh trưởng 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 hưởng tới điện lượng sinh ra. Các tính toán về quá trình khử oxy tại cathode chỉ ra rằng pH có thể ảnh hưởng 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 hưởng. 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 dòng 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
21
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, 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 sang anode: (C) BPM phân tách nước 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]