Pin nhiên liệu vi sinh vật và các ứng dụng

MFC là gì?

Hiện nay, các nỗ lực tận dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, sinh khối và các nguồn năng lượng khác đang được tập trung nghiên cứu nhằm tạo ra năng lượng, đặc biệt dưới dạng điện năng để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch sinh nhiều phát thải có hại và đang dần cạn kiệt. Ưu điểm của các nguồn năng lượng mới này là thân thiện môi trường và dồi dào, có khả năng đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của con người. Các vi sinh vật như vi khuẩn và tảo có mặt ở khắp nơi trên thế giới. Trong số đó, một số vi sinh vật có khả năng oxy hóa các chất hữu cơ và tạo ra các điện tử, có thể dẫn ra mạch điện bên ngoài và tạo ra dòng điện. Thiết bị hoạt động bằng cách sử dụng nguyên tắc này được gọi là MFC [1]. Vì sản phẩm phụ từ thiết bị này đơn giản là H₂O và CO₂ nên được xem là một thiết bị xanh và sạch hơn. Những tác động tích cực của công nghệ MFC là sự thân thiện với môi trường, ô nhiễm không đáng kể, vòng đời dài và tính bền vững [2, 3]. Ngoài ra, MFC cũng có thể được sử dụng trong những nơi không có đủ cơ sở hạ tầng điện [4].

Ứng dụng của MFC

Hình 1. Nguyên lý hoạt động của MFC.

Các bộ phận cấu thành một thiết bị MFC là điện cực dương, điện cực âm, cơ chất (nước thải công nghiệp và sinh hoạt) và màng trao đổi proton (hình 1). Cả điện cực dương và âm đều được đặt bên trong một buồng và ngăn cách bởi một màng trao đổi proton [5, 6]. Ở cực dương, vi sinh vật oxy hóa cơ chất tạo ra proton (H⁺) và một điện tử (e^-) cũng như CO₂ là sản phẩm phụ. Các proton dịch chuyển sang điện cực âm thông qua màng chọn lọc trao đổi proton [7]. Ngược lại, các electron sinh ra trong quá trình phản ứng oxy hóa được di chuyển đến điện cực âm thông qua một mạch ngoài bằng sự chênh lệch hiệu điện thế. Tại đây, cả electron và proton tham gia chuyển hóa O₂ thành H₂O.

Ngoài ứng dụng tạo ra điện, các nhà khoa học đã tích hợp MFC với các công nghệ khác trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xử lý nước thải, làm cảm biến sinh học, tổng hợp hữu cơ, tổng hợp vật liệu nano, thu hồi khí thải CO₂ và sản xuất nhiên liệu.

Xử lý nước thải

Tích hợp MFC vào hệ thống đất ngập nước nhân tạo cho kết quả xử lý 43,4% ammonia và 79% COD, đồng thời phát ra dòng điện có mật độ công suất 92,05 mW.m^-3 [8].  MFC được tích hợp với hệ thống thủy canh nhỏ giọt để xử lý bùn thải được xem là một mô hình chi phí thấp có thể thực hiện tại quy mô hộ gia đình. Bằng phương pháp tích hợp MFC, cả 2 thành phần sinh học và phi sinh học được đặt trong một thiết bị phản ứng duy nhất. Quá trình xử lý hiếu khí và xử lý kị khí, hấp thu chất dinh dưỡng, các hoạt động sinh ra điện tử của vi sinh vật, quá trình phân riêng và hấp phụ đều diễn ra đồng thời. Hệ thống tích hợp đã loại bỏ khoảng 72% COD, 83% phốt phát và 35% amonia với sản lượng điện khá thấp [9]. Một thiết bị phản ứng màng sinh học (MBR) kị khí kết hợp MFC đã được nghiên cứu để xử lý nước thải ngành công nghiệp giấy [10]. Trong thời gian lưu 72 giờ, sản lượng điện tối đa sinh ra là 94,5 mW.m^-2 và độ loại bỏ COD hiệu quả là 65,6%. MFC cũng đang được chứng minh khả năng xử lý kẽm trong nước thải công nghiệp [11]. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng loại bỏ đến 96% ion kẽm trong hệ thống MFC hoạt động gián đoạn trong 22 giờ, với nồng độ ion kẽm đầu vào là 2 mM.

Thu hồi CO₂

MFC có nguồn gốc từ tảo đã được chứng minh có khả năng thu hồi và chuyển đổi khí thải CO₂ [12]. Nếu tảo bắt giữ CO₂ ở cực dương, bằng quá trình quang hợp tảo chuyển thành các hợp chất hữu cơ dưới ánh sáng trong ngăn chứa cực dương. Đồng thời, các electron và proton sinh ra sẽ tạo ra điện. Mặt khác, nếu điện cực âm có nguồn gốc từ tảo được sử dụng trong MFC, CO₂ giải phóng khỏi cực dương sẽ được chuyển đến cực âm và như vậy, MFC sẽ hoàn toàn không phát thải ra khí CO₂ mà chuyển đổi hoàn toàn thành sinh khối. Loại MFC như vậy được xem là thiết bị tự tạo ra điện. Mật độ năng lượng tối đa thu được của thiết bị MFC là 5,6 W.m^-3 [13].

Tổng hợp hữu cơ và sản xuất nhiên liệu

MFC có nguồn gốc vi sinh vật đã được dùng để thu hồi CO₂ [14]. Ở điều kiện tối ưu, CO₂ được chuyển hóa thành ethanol với năng suất 209,2 mg.l^-1 và axetat có năng suất khoảng 196,8 mg.l^-1. MFC với quy mô lớn đã được sử dụng để sản xuất succinat từ glycerol [15]. Vi sinh vật A. succinogenes sử dụng glycerol để tạo thành succinat và phát ra dòng điện đồng thời. MFC chứa một điện cực dương có nguồn gốc vi sinh vật và điện cực âm nhạy quang dạng dây nano silicon/Niken đã chứng minh có thể sản xuất ra khí tổng hợp với tỷ lệ 0,1-6,8 và mật độ dòng quang điện là 1,1 mA.cm^-2 [14]. Trong một nghiên cứu khác, MFC sử dụng vi sinh vật được chế tạo để sản xuất nhiên liệu hydro thông qua quá trình oxy hóa nước bị ô nhiễm hữu cơ. Tốc độ sản xuất hydro trung bình khoảng 0,15 l.ngày^-1.

Tổng hợp vật liệu nano

MFC đã được thử nghiệm để tổng hợp vật liệu nano ở Việt Nam [16, 17]. Hai loại vật liệu nano đồng và selenium đã được tổng hợp từ dòng điện sinh ra của MFC. MFC không sử dụng mạch điện bên ngoài được dùng để tổng hợp nano đồng ở dạng hỗn hợp tinh thể với kích thước hạt nhỏ hơn 100 nm khi sử dụng nước thải làm cơ chất cho điện cực vi sinh vật Shewanella sp. HN-41 [16]. Tương tự, nano selenium có kích thước trung bình 37,7 nm đã được tạo ra sau 21 ngày tổng hợp trong hệ thống điện hóa sinh học [17].

Cảm biến

Trong cảm biến sinh học, vi sinh vật được sử dụng làm chất xúc tác điện hóa để oxy hóa chất cần phân tích và tạo ra tín hiệu điện [18]. Gần đây, cảm biến sinh học bằng MFC đã được dùng để xác định chất dễ bay hơi axit béo được giải phóng trong quá trình phân hủy kỵ khí [19]. Bằng cách sử dụng MFC, dòng oxy hóa tăng tuyến tính với nồng độ axit béo dễ bay hơi (2,8-112 mM) [20]. Tuy nhiên, sự biến đổi từ từ của vi sinh vật dẫn đến mất khả năng cảm biến. Điện áp đầu ra của MFC liên quan trực tiếp đến hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật có trong buồng chứa điện cực dương. Nếu trong dung dịch cơ chất có chứa chất độc, quá trình trao đổi chất sẽ bị cản trở dẫn đến sự sụt giảm điện áp. Tín hiệu này cho phép đánh giá được độc tố trong nước thải. Tích hợp MFC cũng có tiềm năng cho cảm biến sinh học trong quy trình xử lý nước thải. Ở một nghiên cứu khác, thiết bị xử lý nước thải sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kị khí được ghép với thiết bị MFC để xử lý nước thải nhà máy bia [21]. Khi mà hệ thống đạt độ loại bỏ COD khoảng 90% và xử lý amoniac dưới 15 mg.l^-1, thì dải điện áp đo được là 0,34-0,42 V. Hệ thống đã chứng minh khả năng làm cảm biến và theo dõi hiệu quả chỉ số COD trong quá trình xử lý.

*

*        *

MFC là một công nghệ tiềm năng để tạo ra điện năng xanh và bền vững với các ứng dụng thực tiễn trải rộng từ lĩnh vực xử lý môi trường đến hóa học. Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về chế tạo và ứng dụng MFC cũng đã bước đầu được tiến hành trong lĩnh vực tổng hợp vật liệu nano bằng MFC [16, 17]. Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã thể hiện khả năng sử dụng MFC trong tương lai. Để thương mại hóa công nghệ MFC, các nhà khoa học trên thế giới đang tiếp tục nghiên cứu lựa chọn các vật liệu có giá thành thấp để chế tạo các điện cực và màng ngăn cách rẻ và bền hơn với hiệu quả sinh năng lượng tốt hơn. Bên cạnh đó, các nghiên cứu về điều kiện vận hành MFC cũng đang được quan tâm nhằm tối ưu khả năng hoạt động của MFC. Hiện nay, năng lượng đầu ra của các thiết bị MFC đã đạt được mức chấp nhận và đang tiếp tục được cải thiện. Các thiết bị MFC hiện đang ở trong giai đoạn mở rộng quy mô thử nghiệm, đánh giá chi phí và độ bền.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] V.G. Gude (2016), “Wastewater treatment in microbial fuel cells - An overview”, Journal of Cleaner Production, 122, pp.287-307.

[2] C.M. Cupa, Y. Hu, C.X. Charles, A. Bassi (2021), “An overview of microbial fuel cell usage in wastewater treatment, resource recovery and energy production”, Journal of The Total Environment, 754, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.142429.

[3] P. Srivastava, A. Belford, R. Abbassi, et al. (2021), “Low-power energy harvester from constructed wetland-microbial fuel cells for initiating a self-sustainable treatment process”, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 6, DOI: 10.1016/j.seta.2021.101282.

[4] G. Fu, J. Wu, J. Han, et al. (2020), “Effects of substrate type on denitrification efficiency and microbial community structure in constructed wetlands”, Bioresource Technology, 307, DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123222.

[5] K.D.Z. Duarte, Y. Kwon (2020), “In situ carbon felt anode modification via co developing Saccharomyces cerevisiae living-template titanium dioxide nanoclusters in a yeast based microbial fuel cell”, Journal of Power Sources, 474, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228651.

[6] R. Kaur, A. Marwaha, V.A. Chhabra, et al. (2020), “Recent developments on functional nanomaterial-based electrodes for microbial fuel cells”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 119, DOI: 10.1016/j.rser.2019.109551.

[7] G. Palanisamy, H.Y. Jung, T. Sadhasivam, et al. (2019), “A comprehensive review on microbial fuel cell technologies: Processes, utilization, and advanced developments in electrodes and membranes”, Journal of Cleaner Production, 221, pp.598-621.

[8] Đặng Nguyễn Hoàng Đạt, Đoàn Hữu Thùy, Đòan Văn Tuấn và cs (2021), “Đánh giá hiệu quả vận hành thích nghi hệ thống đất ngập nước nhân tạo kết hợp pin nhiên liệu vi sinh xử lý nước thải chứa ammonia với tải trọng cao”, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ - Kỹ thuật và Công nghệ, 4(SI1), pp.52-61.

[9] R.K. Yadav, P. Chiranjeevi, Sukrampal, S.A. Patil (2020), “Integrated drip hydroponics microbial fuel cell system for wastewater treatment and resource recovery”, Bioresource Technology Reports, 9, DOI: 10.1016/j.biteb.2020.100392.

[10] F. Chen, S. Zeng, Z. Luo, et al. (2020), “A novel MBBR-MFC integrated system for high-strength pulp/paper wastewater treatment and bioelectricity generation”, Journal of Separation Science and Technology, 55, pp.2490-2499.

[11] S.S. Lim, J.N. Fontmorin, T.H. Pham, et al. (2021), “Zinc removal and recovery from industrial wastewater with a microbial fuel cell: Experimental investigation and theoretical prediction”, Science of the Total Environment, 776, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.145934.

[12] M.A. Abdelkareem, M.A. Lootah, E.T. Sayed, et al. (2021), “Fuel cells for carbon capture applications”, Science of the Total Environment, 769, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.144243.

[13] M.T. Noori, B.R. Tiwari, C.K. Mukherjee, et al. (2018a), “Enhancing the performance of microbial fuel cell using Ag-Pt bimetallic alloy as cathode catalyst and anti-biofouling agent”, International Journal of Hydrogen Energy, 43, pp.19650-19660

[14] L. Lan, J. Li, Q. Fen, L. Zhang (2020), “Enhanced current production of the anode modified by microalgae derived nitrogen-rich biocarbon for microbial fuel cells”, International Journal of Hydrogen Energy, 45, pp.3833-3839.

[15] T. Zheng, B. Xu, Y. Ji, et al. (2021), “Microbial fuel cell-assisted utilization of glycerol for succinate production by mutant of Actinobacillus succinogenes”, Journal of Biotechnology and Biofuels, 14, DOI: 10.1186/s13068-021-01882-5.

[16] T.H. Luong, C.X. Nguyen, T.T. Lam, et al. (2022), “Antibacterial effect of copper nanoparticles produced in a Shewanella-supported non-external circuit bioelectrical system on bacterial plant pathogens”, RSC Advances, 12, pp.4428-4436.

[17] T.C. Ho, T.H. Nguyen, T.T. Lam, et al. (2022), “Biogenic synthesis of selenium nanoparticles by Shewanella sp. HN-41 using a modified bioelectrochemical system”, Electronic Journal of Biotechnology, 54, pp.1-7.

[18] B. Lorant, M. Gyalai-Korpos, I. Goryanin, G.M. Tardy (2019), “Single chamber airecathode microbial fuel cells as biosensors for determination of biodegradable organics”, Biotechnology Letters, 41, pp.555-563.

[20] H. Sun, M. Xu, S. Wu, et al. (2021), “Innovative air-cathode bioelectrochemical sensor for monitoring of total volatile fatty acids during anaerobic digestion”, Journal of Chemosphere, 273, DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.12966.

[21] M.J.S. Garcia, F. Montilla, C. Quijada, et al. (2020), “Improving the power performance of urine-fed microbial fuel cells using PEDOT-PSS modified anodes”, Journal of Applied Energy, 278, DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.115528.