Chương 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PIN NHIÊN LIỆU VI SINH VẬT (MFC) 1. Sơ lược lịch sử hình thành và phát triển công nghệ pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là hệ thống điện hóa sinh học sử dụng vi sinh vật để phân giải chất hữu cơ và tạo ra dòng điện. Nghiên cứu sớm nhất về việc sử dụng vi khuẩn để tạo ra dòng điện được thực hiện bởi Potter vào năm 1911, khi tác giả đã thu được dòng điện phát sinh khi nuôi cấy Escherichia coli và Saccharomyces (Potter, 1911).
Bằng sáng chế đầu tiên để mô tả công nghệ tế bào nhiên liệu vi khuẩn được cấp cho John Davis vào năm 1967 (Nevin và Lovley, 2000). Đến đầu những năm 1990, các nghiên cứu về tế bào nhiên liệu và hệ MFC mới bắt đầu được chú ý trong giới khoa học. Những thí nghiệm về MFC tại thời điểm đó đã chỉ ra rằng cần có một chất truyền điện tử để làm trung gian vận chuyển các electron từ bên trong tế bào đến các điện cực. Tuy nhiên, đến năm 1999, một sự đột phá trong nghiên cứu MFC đã cho thấy không cần có chất truyền điện tử trung gian (B.
Kim và ctv, 1999). Và từ đó đến nay, các nhà khoa học đã biết rằng có thể tạo ra năng lượng điện sinh học từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. Vào tháng 5 năm 2007, Đại học Queensland của Úc đã hợp tác khoa học và công nghệ với nhà máy Foster để phát triển thí điểm mô hình chuyển đổi nước thải nhà máy bia thành CO2, nước sạch và điện. Trên cơ sở dữ liệu thu được, sau đó họ có thể lắp đặt thành công phiên bản 660 gal cho nhà máy bia, ước tính tạo ra 2 kW năng lượng.
Mặc dù năng lượng thu được là nhỏ nhưng việc sản xuất nước sạch là vô cùng quan trọng đối với Úc bởi hạn hán là mối đe dọa thường trực (Biffinger và Ringeisen, 2008; Du và ctv, 2007). MFC được coi là công nghệ bền vững đầy hứa hẹn đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, đặc biệt là sử dụng nước thải như chất nền để tạo ra điện và nước 4 sạch. Vì vậy, MFC có thể cũng có một vị trí trong mô hình năng lượng của tương lai, cũng như trong phản ứng sinh học và sản xuất hóa chất công nghiệp và hydro. Một số nghiên cứu điển hình về công nghệ MFC Nghiên cứu ở quốc tế Năm 2009, nhóm của Jadhav và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về sự ảnh hưởng của pH, nhiệt độ, nội trở, nồng độ chất nền đến hiệu quả hoạt động của MFC (Jadhav và Ghangrekar, 2009).
Theo đó, ở khoảng nhiệt độ cao (20-35ºC) thì hiệu quả xử lý COD đạt 90% và cường độ dòng điện chỉ đạt 0,7 mA; ở khoảng nhiệt độ thấp (8-22ºC) thì hiệu quả xử lý COD giảm còn 59% và cường độ dòng điện thì đạt 1,4 mA. Cường độ dòng điện đạt cao nhất khi pH trong khoang anode đạt mức 6.5, chất nền được loại bỏ và cường độ dòng điện tạo ra có mối liên hệ tuyến tính với nhau. Năm 2011, một nghiên cứu về ảnh hưởng của sự tắt nghẽn sinh học (biofouling) đến hiệu quả của màng CEM và hiệu suất của MFC cũng được công bố (M. Choi và ctv, 2011).
Theo kết quả nghiên cứu thì quá trình gây bẩn màng bởi lớp màng sinh học (biofilm) dày 15,5 ± 4,6 µm đã làm tăng nhẹ điện trở của màng từ 15,65 Ω cm2 lên 19,1 Ω cm2 và việc làm sạch màng CEM cũng không giúp tăng hiệu suất của MFC bằng cách thay thế màng CEM mới. Năm 2015, nhóm của Kim và cộng sự cũng có công bố về việc kết hợp quá trình phân hủy kỵ khí và MFC để loại bỏ COD cũng như thu hồi ammonia (T. Kim và ctv, 2015). Nghiên cứu được thực hiện với nước thải chăn nuôi heo, hiệu quả loại bỏ COD qua quá trình phân hủy kỵ khí đạt 80,5% và tiếp tục qua MFC thì giảm được 61,1%.
Hiệu suất loại bỏ TAN qua quá trình phân hủy kỵ khí chỉ đạt 5,8% nhưng khi tiếp tục qua MFC thì đạt 77,5%. Năm 2017, nhóm của Tamilarasan và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến sản sinh năng lượng của hệ MFC kỵ khí dòng chảy ngược xử lý nước thải sản xuất bông y tế (Tamilarasan và ctv, 2017). Theo đó, ở mức tải trọng hữu cơ 1,9 gCOD/L.d hiệu quả xử lý tCOD và sCOD lần lượt đạt 78,8% và 69%. Mật độ năng lượng đạt được cao nhất là 2,2 W/m3.
5 Năm 2020, nhóm Vijay và cộng sự cũng công bố một nghiên cứu về khả năng ứng dụng công nghệ MFC để loại bỏ đồng thời uranium và nitrate trong khi vẫn tạo ra năng lượng điện (Vijay và ctv, 2020). Kết quả cho thấy tốc độ loại bỏ nitrate đạt 0,13 kgNO3- -N m-3 d-1 và mật độ công suất đạt 2,91 W m-3. Phân tích cộng đồng vi khuẩn bằng 16S rDNA cho kết quả loài Pseudomonas chiếm ưu thế trong biocathode. Nghiên cứu ở Việt Nam Năm 2015, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thu Thủy và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu về hoạt động của MFC với cực anode được nuôi tăng sinh vi khuẩn Pseudomonas (Nguyen và ctv, 2015).
Trong nghiên cứu đó, nhóm tác giả đã nuôi tăng sinh nhóm khuẩn khử sắt nhằm mục đích phát triển hệ MFC có thể dùng Fe2+ làm chất nhận điện tử và hoạt động ở pH trung tính. Cường độ dòng điện trung bình ổn định đo được 0,6 mA. Năm 2016, nhóm của Trần Nguyễn Hoàng Phương đã có công bố kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn nuôi cấy đến sự tăng sinh và hiệu quả của nhóm vi khuẩn anode trong cảm biến sinh học MFC (Tran và ctv, 2016). Một số mô hình MFC đã được lắp đặt và vận hành bằng nước thải nhân tạo với sự thay đổi các nguồn vi sinh vật khác nhau từ đất tự nhiên, bùn tự nhiên, bùn hoạt tính, nước thải và hỗn hợp của các nguồn đó.
Sau khi nuôi tăng sinh, MFC với nguồn vi sinh vật đất tự nhiên tạo ra dòng điện cao hơn và ổn định hơn (0,53 ± 0,03 mA), so với MFC được nuôi cấy với các nguồn khác. Các kết quả từ điện di gel gradient biến tính (DGGE) cho thấy rằng có những thay đổi đáng kể trong thành phần vi khuẩn. Đặc biệt hơn, loài Pseudomonas sp. được tìm thấy chiếm ưu thế.
Như vậy, tính đến thời điểm hiện tại có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới về công nghệ MFC và các nghiên cứu được liệt kê trong luận văn này là một trong số các nghiên cứu điển hình nhất về ứng dụng của MFC. Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ MFC ở Việt Nam vẫn còn hạn chế và chưa được công bố nhiều. Chính vì vậy mà việc lựa chọn nghiên cứu công nghệ MFC tại Việt Nam cũng đang là hướng nghiên cứu mới và thông qua kết quả nghiên cứu cũng góp phần làm sáng tỏ hơn về tính ứng dụng của công nghệ MFC tại Việt Nam. Cấu tạo cơ bản và nguyên lý hoạt động của MFC Về cơ bản, MFC có khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ quá trình chuyển hóa sinh học của chất hữu cơ thành điện năng.
Hệ phản ứng này không phát sinh khí thải và lượng bùn tạo thành ít hơn so với hệ xử lý sinh học truyền thống (Ishizaki và ctv, 2014; Oyiwona và ctv, 2017). Trong MFC có 3 phần chính (Logan và ctv, 2006): (1) một buồng anode nơi nhiên liệu bị ôxi hóa bởi vi sinh vật và electron cũng như proton được tạo ra; (2) một buồng cathode nơi mà các electron và proton được tiêu thụ, kết hợp với ôxy tạo thành nước; (3) một màng trao đổi proton (PEM) có vai trò vận chuyển proton từ buồng anode đến cathode, kết hợp với các electron chuyển qua mạch điện bên ngoài và tạo thành phản ứng khử tại cathode. Cấu tạo cơ bản hệ MFC (Nguồn: Bruce E. Logan, 2006) Hầu hết các thiết kế MFC cơ bản đều cần có màng trao đổi ion để phân tách hai khoang anode và cathode, 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 lượng thu được từ MFC.
Một số loại màng trao đổi ion chính được sử dụng trong các hệ thống MFC như màng trao đổi cation (CEM), màng trao đổi anion (AEM), màng phân cực (BPM) (B. Kim và ctv, 2007; Rozendal và ctv, 2008; X. Zhang và ctv, 2010). Màng trao đổi cation (CEM) đã được phát triển từ việc sử dụng trong hệ thống 7 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).
Tuy nhiên, màng CEM có thể gây ra một số giới hạn khi dùng trong MFC như tạo ra sự cạnh tranh giữ proton và cation, dễ tắc nghẽn sinh học (biofouling) và chi phí vận hành cao. Chính sự cạnh tranh giữa proton và cation đã dẫn tới giảm pH ở khoang anode, gây ra tăng nội trở (internal resistance), ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng sinh ra (Li và ctv, 2011). Màng trao đổi anion (AEM) cũng có thể được sử dụng thay thế cho CEM trong các MFC vì năng lượng sinh ra lớn hơn. Các proton được tạo ra ở anode bị thụ bởi các ion carbonate và ion phosphate do đó không làm giảm pH ở khoang anode, mật độ năng lượng tạo ra khi dùng AEM cao hơn so với CEM (J.
Kim và ctv, 2007). Màng lưỡng cực (BPM) là loại màng bao gồm 2 màng đơn cực AEM và CEM, được sử dụng trong MFC để vận chuyển đồng thời các anion và cation. Chính vì nhờ cấu tạo độc đáo mà BPM thường được dùng trong các quá trình khử muối (Harnisch và ctv, 2008). Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) hoạt động dựa trên xúc tác của một số vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm chất nền để tạo ra các electron ở anode (Zhou và ctv, 2012).
Quá trình phản ứng sinh học tại hai ngăn phản ứng có thể tóm tắt như sau: Nửa phản ứng tại Anode, với chất hữu cơ là Glucose: C6H12O6 + 6H2O →6CO2 + 24e- + 24H+ (1) Phản ứng tại cathode (các electron và proton chuyển từ buồng anode được sử dụng để khử oxy): O2 + 4H+ +4e- → 2H2O (2) 1. Các dạng thiết kế MFC Hiện nay, có khá nhiều các dạng thiết kế MFC được nghiên cứu và phát triển. Mỗi dạng thiết kế có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp với những mục đích sử dụng nhất định.
