Thiết kế và xây dựng MFC: Các pin nhiên liệu vi sinh vật đƣợc chế tạo theo mô hình của Trung tâm Quốc gia Anh về Giáo dục Công nghệ sinh học (National Centre for Biotechnology Education) - gọi tắt là mô hình NCBE [53] - nhƣng với kích thƣớc nhỏ hơn để phù hợp hơn với mục đích sử dụng làm cảm biến sinh học (Hình 7).
Cụ thể, mỗi thiết bị MFC bao gồm 2 tấm perpex lớn kích thƣớc 12cm×12cm×2cm, 2 khung nhỏ để tạo khoang anode và cathode với kích thƣớc 8cm × 8cm × 1,5cm, ở giữa rỗng dạng hình vuông kích thƣớc 5cm × 5cm. Các hạt than chì đƣờng kính 3-5 mm [54] đƣợc đổ lấp đầy mỗi khoang, đảm bảo tiếp xúc với nhau và tiếp xúc với một que than chì (đƣờng kính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
0,5cm) đƣợc gắn xuyên qua tấm perpex lớn và thông ra bên ngoài. Tập hợp các hạt than chì và que than chì chính là các điện cực ở mỗi khoang. Giữa các khung có các tấm đệm cao su để đảm bảo độ kín chặt của các khoang anode và cathode. Màng Nafion N117 (DuPont, Hoa Kỳ) kích thƣớc 6cm × 6cm đƣợc sử dụng để ngăn cách khoang anode và cathode. Thiết bị đƣợc lắp ráp và cố định nhờ ốc và bu-lông xuyên qua 4 góc mỗi tấm lớn. Các đầu điện cực que than chì đƣợc nối với ngàm cá sấu và dây dẫn điện bằng đồng (đƣờng kính 1mm) và nối với một điện trở mạch ngoài (10Ω).
Để tạo đƣờng vào và ra cho dịch anode và cathode, các khung lớn ở anode và cathode đƣợc khoan lỗ và ống nhựa PVC đƣờng kính 5cm đƣợc gắn vào các lỗ đó. Ống dẫn dịch vào anode đƣợc nối qua ống nhỏ giọt với bình chứa môi trƣờng M9 cải tiến (Bảng 1).
Hình 7: Pin nhiên liệu vi sinh vật thiết kế theo mô hình NCBE Bảng 1: Môi trƣờng M9 cải tiến cho khoang anode
STT Thành phần Hàm lƣợng 1 Nƣớc cất 1 L 2 KH2PO4 0,44 g 3 K2HPO4 0,34 g 4 NaCl 0,5 g 5 MgSO4.7H2O 0,2 g
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
6 CaCl2 0,0146 g
7 Trace elements 1 mL
Khử trùng ở 121oC/ 15 phút.
Bảng 2: Hỗn hợp vi lƣợng (Dung dịch Trace element)
STT Thành phần Hàm lƣợng 1 Nƣớc cất 1 L 2 FeSO4.7H2O 1 g 3 ZnCl2 0,07 g 4 MnCl2.4H2O 0,1 g 5 H3BO3 0,006 g 6 CaCl2.6H2O 0,13 g 7 CuCl2.2H2O 0,002 g 8 NiCl2. 6H2O 0,024 g 9 Na2Mo4.2H2O 0,036 g 10 CoCl2.6H2O 0,238 g
Bảng 3: Dung dịch đệm cho khoang cathode
STT Thành phần Hàm lƣợng
1 Nƣớc cất 1 L
2 KH2PO4 4,4 g
3 K2HPO4 3,4 g
4 NaCl 0,5 g
Vận hành: Các thiết bị MFCđƣợc vận hành theo mẻ (batch mode). Trƣớc khi đƣợc đƣa vào khoang anode, bình chứa môi trƣờng đƣợc sục khí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ni-tơ khoảng 30 phút để đuổi khí ôxi, nhằm giảm bớt sự có mặt của chất nhận điện tử cạnh tranh này ở anode. Khi bắt đầu một mẻ vận hành, Fe(II) ở dạng dung dịch FeCl2, cùng hỗn hợp các nguyên tố vi lƣợng (Bảng 2), sẽ đƣợc cấp vào khoang anode bằng xi-lanh qua một ống chữ T trên đƣờng ống dẫn dịch.Lƣợng FeCl2đƣợc tính toán sao cho nồng độ cuối cùng trong khoang anode đạt giá trị cần thử nghiệm. Tiếp đó, cũng qua ống chữ T, dung dịch M9 đƣợc hút, bằng xi-lanh, từ bình môi trƣờng, đi quaống nhỏ giọt và ống dẫn,rồi đƣợc bơm vào khoang anode của thiết bị. Sau cùng HCO3
-
- nguồn cacbon cho vi khuẩn oxi hóa sắt đƣợc cung cấp dƣới dạng dung dịch NaHCO3 vào khoang anode, theo cách tƣơng tự nhƣ Fe(II) đƣợc cung cấp, sao cho nồng độ cuối cùng trong dịch anode đạt 2 g/L [55]. Cách cung cấp các thành phần dịch anode nhƣ trên đảm bảo tránh sự tạo thành các muối carbonatekết tủa trong dịch anode.
Ở khoang cathode, trong quá trình vận hành luôn đƣợc sục khí bằng máy sục khí SL-2800 (Silver Lake, Trung Quốc) để cung cấp Oxi (chất nhận điện tử cuối cùng); tốc độ sục khí đƣợc điều chỉnh vừa phải để tránh dung dịch cathode bay hơi quá nhanh. Kết thúc mỗi mẻ vận hành, khoang cathode lại đƣợc bơm đầy bằng dung dịch đệm (Bảng 3).
Một mẻ vận hành đƣợc tính từ lúc bắt đầu cấp môi trƣờng chứa Fe(II) vào khoang anode cho đến khi dòng điện sinh ra giảm về giá trị ban đầu (thƣờng khoảng 2h).