Pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) là thiết bị sử dụng hoạt động dị hóa của vi sinh vật để tạo ra điện từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, bao gồm nước thải hữu cơ và nguồn sinh khối dồi dào trong tự nhiên.
MFC là gì?
Hiện nay, các nỗ lực tận dụng nguồn năng lượng tái tạo như Mặt trời, gió, sinh khối và các nguồn khác đang được tập trung nghiên cứu. Điều này 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 chất hữu cơ và tạo ra các điện tử, có thể dẫn ra mạch điện bên ngoài, tạo ra dòng điện. Thiết bị hoạt động bằng cách sử dụng nguyên tắc này được gọi là MFC.
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. Ngoài ra, MFC cũng có thể được sử dụng trong những nơi không có đủ cơ sở hạ tầng điện.
Ứng dụng 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. Cả điện cực dương và âm đều được đặt bên trong một buồng và ngăn cách bởi một màng trao đổi proton. 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. 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. 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.
Thu hồi CO2
MFC có nguồn gốc từ tảo đã được chứng minh có khả năng thu hồi và chuyển đổi khí thải CO2. 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.
Tổng hợp hữu cơ và sản xuất nhiên liệu
MFC có nguồn gốc vi sinh vật đã được dùng để thu hồi CO2. 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.
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.
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. 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. 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.
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. 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.
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. 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.
