tỔng quan vỀ pin nhiÊn liỆu vi khuẨn: lỊch sỬ nghiÊn … quang...trong khoảng 10...

Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Tập 54, Số 7A (2018): 35-47

35

DOI:10.22144/ctu.jvn.2018.121

TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VI KHUẨN: LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC CƠ CHẾ DỊCH CHUYỂN ĐIỆN TỬ GIỮA CÁC MÀNG SINH HỌC VI KHUẨN VỚI CÁC ĐIỆN CỰC RẮN

Thiều Quang Quốc Việt1*, Quách Ngọc Thịnh1 và Phạm Văn Toàn2

1Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ 2Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ

*Người chịu trách nhiệm về bài viết: Thiều Quang Quốc Việt (email: [email protected])

Thông tin chung: Ngày nhận bài: 29/01/2018 Ngày nhận bài sửa: 15/03/2018 Ngày duyệt đăng: 29/10/2018 Title: A literature review on microbial fuel cells: Research history, operating principles and mechanisms of electrons transfer between electroactive bacteria and solid electrodes

Từ khóa: Cơ chế dịch chuyển điện tử, lịch sử nghiên cứu, nguyên lý hoạt động, pin nhiên liệu vi khuẩn

Keywords: Mechanisms of electrons transfer, microbial fuel cell, operating principles, research history

ABSTRACT

In the last 10 years, the microbial fuel cell technology has attracted the attention of the scientific community about the possibility of converting organic waste directly into electricity through microbiological catalysis at anode and microbial/ enzymatic/ abiotic electrochemical reactions at the cathode. This paper is to review some aspects of the technology of manufacturing microbial fuel cells. Firstly, a brief history of fuel cells is presented, starting from traditional abiotic electrochemical cells to biofuel cells, and the microbial fuel cell studied recently. Secondly, the operating principles of microbial fuel cells, including microbial electrolysis cells, microbial desalination cells and microbial electrosynthesis cells followed by carbonaceous and metallic anode materials are then introduced. Finally, it is about mechanism of electrons transfer between electroactive bacteria and solid electrodes.

TÓM TẮT

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, công nghệ pin nhiên liệu vi khuẩn đã thu hút được sự chú ý của cộng đồng khoa học về khả năng biến đổi chất thải hữu cơ trực tiếp thành điện thông qua xúc tác vi sinh tại cực âm và các phản ứng điện hóa vi sinh/enzym/vô sinh tại cực dương. Bài báo này sẽ tổng hợp và trình bày một số khía cạnh của công nghệ chế tạo pin nhiên liệu vi khuẩn. Trước tiên, bài báo sẽ trình bày lịch sử tóm tắt về pin nhiên liệu, bắt đầu từ pin nhiên liệu vô sinh/ điện hóa truyền thống cho đến pin nhiên liệu sinh học, và gần đây là pin nhiên liệu vi khuẩn. Tiếp theo, nguyên lý hoạt động của các loại pin vi khuẩn điện phân, pin vi khuẩn khử muối và pin vi khuẩn tổng hợp điện cũng được giải thích dựa trên các nghiên cứu đã công bố. Cuối cùng, bài báo này sẽ trình bày các cơ chế dịch chuyển điện tử giữa các màng sinh học vi khuẩn với các điện cực rắn.

Trích dẫn: Thiều Quang Quốc Việt, Quách Ngọc Thịnh và Phạm Văn Toàn, 2018. Tổng quan về pin nhiên liệu vi khuẩn: Lịch sử nghiên cứu, nguyên lý hoạt động và các cơ chế dịch chuyển điện tử giữa các màng sinh học vi khuẩn với các điện cực rắn. Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. 54(7A): 35-47.


36

1 GIỚI THIỆU

Các pin nhiên liệu vi khuẩn (microbial fuel cells - MFCs) (Hình 1a và b) và gần đây khái niệm đã được mở rộng thành các hệ thống điện hóa-sinh (bio-electrochemical systems - BESs) (Hình 1c và d) là một lĩnh vực đang nhận được quan tâm rất lớn và liên tục mở rộng trong lĩnh vực khoa học và công nghệ trong việc kết hợp hoạt tính xúc tác sinh học với các phản ứng vô sinh/ điện hóa cổ điển (Logan et al., 2006; Rinaldi et al., 2008; Logan and Elimelech, 2012; Logan and Rabaey, 2012). Việc bổ sung các chủng vi sinh vật đóng vai trò xúc tác sinh học trong các phản ứng điện hóa cho phép các hệ thống này có mức độ phức tạp cao hơn các hệ thống điện hóa cổ điển (ví dụ như pin, pin nhiên

liệu và siêu tụ điện). Sự khác biệt chính giữa các MFCs với các pin nhiên liệu nhiệt độ thấp thông thường (pin nhiên liệu methanol trực tiếp hoặc pin nhiên liệu trao đổi proton) là: (1) Chất xúc tác điện ở cực âm là chất sinh học (vi khuẩn hoặc protein điện giải) (Schröder et al., 2003; Erable et al., 2010; Borole et al., 2011); (2) Nhiệt độ môi trường tối ưu có thể dao động từ 15oC đến 45oC (Min et al., 2008; Larrosa-Guerrero et al., 2010; Tee et al., 2017); (3) Điều kiện làm việc trong môi trường pH trung tính (Fan et al., 2007; Ahn and Logan, 2013; Ye et al., 2016); (4) Sử dụng hệ sinh khối phức tạp (thường là các loại chất thải hoặc nước thải) làm nhiên liệu tại cưc dương (Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016)

Hình 1: Số lượng các tài liệu khoa học công bố về pin nhiên liệu vi khuẩn (MFCs) và các hệ thống điện

hóa-sinh (BESs)

(nguồn: ISI WEB OF SCIENCE, 01/2017)

Ý tưởng ban đầu về việc sử dụng vi khuẩn để tạo ra điện đã được được công nhận là của Potter vào năm 1911 (Potter, 1911), mặc dù khái niệm 'điện động vật' đã bắt đầu từ thế kỷ 18, khi Galvani et al. (1791) tiến hành các thử nghiệm với chân ếch. Sau đó, các khái niệm được mở rộng và các nghiên cứu khác đã được tiến hành, tiêu biểu như thiết kế “35 đơn vị” của Cohen (1931), hay những khảo sát về các chất xúc tác trong những năm 60 (Karube et al., 1976). Sau đó, với công trình của Bennetto et al. (1990) về việc tổng hợp các chất trung gian đã dẫn đến sự phát triển của khái niệm "MFC phân tích" và khái niệm này vẫn còn đang được sử dụng đến ngày nay.

Từ những công bố ban đầu này, nền khoa học thế giới đã dần đạt được những tiến bộ đáng kể trong sự hiểu biết về cơ chế truyền dẫn điện tử, các bề mặt tiếp xúc hiệu quả trong xúc tác điện-sinh

học và sự phát triển các vật liệu điện cực mới với chi phí chế tạo thấp và hoạt động bền vững. Mặc dù vậy, các nghiên cứu cải tiến vẫn diễn ra liên tục và được công bố rất nhiều trên toàn thế giới trước khi phát triển đến giai đoạn công nghiệp hóa của MFCs (Rahimnejad et al., 2015; Trapero et al., 2017). Một số BES đã được đề xuất và được phân loại theo các ứng dụng cụ thể (Hình 1). Được nghiên cứu đầu tiên và nhiều nhất là MFC đại diện cho hơn 75% ấn phẩm vào năm 2016 theo ISI of Web of Science (Hình 1a). Loại BES này có thể giải phóng năng lượng hóa học từ cơ chất là các chất hữu cơ phức tạp và có thể biến nó thành điện hữu ích (Logan et al., 2006). Một số loại BES khác đã được nghiên cứu phát triển tạo ra các sản phẩm hữu ích như khí hydro (Escapa et al., 2016; Kadier et al., 2016), formate (Nevin et al., 2010), acetate (Marshall et al., 2013; Xafenias and Mapelli, 2014), metan (Villano et al., 2011; Van Eerten-Jansen et al., 2012; Babanova et al., 2017), hoặc


37

BES có khả năng tổng hợp nước khử muối từ pin khử muối vi khuẩn (Cao et al., 2009). Mặt khác, nhiều thách thức vẫn chưa được giải quyết trong lĩnh vực MFC để có thể triển khai thành công trong môi trường thực tế, mặc dù một số sáng kiến đã được báo cáo (Logan, 2010).

Bắt đầu từ cực âm, những tiến bộ đáng kể đã được công bố với các chất nền tổng hợp, các mô hình xúc tác vi sinh vật hoặc các hệ liên hợp vi khuẩn đã được phát triển trong quy mô phòng thí nghiệm. Đã có những nghiên cứu thực tiễn khi làm việc trong các môi trường phức tạp hơn như nước thải công nghiệp (Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016) hoặc trong các môi trường tự nhiên như trầm tích (Bond, 2002; Donovan et al., 2008; Hsu et al., 2013; Commault et al., 2014; Ewing et al., 2014), môi trường biển (Dumas et al., 2007; Erable et al., 2013; Babauta et al., 2014), đầm phá (Martins et al., 2010; Zhang and Angelidaki, 2012; Grattieri et al., 2017). Một số loại chất thải hữu cơ đã được sử dụng làm nguyên liệu cho vi khuẩn tại cực âm (Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016). Tuy nhiên, việc nghiên cứu động học của vi khuẩn hoạt hoá vẫn còn rất ít và sự tương tác giữa điện cực và vi khuẩn vẫn chưa được hiểu rõ (Richter et al., 2009; Kiely et al., 2011b; Strycharz-Glaven et al., 2011). Hơn nữa, sự tương tác trong các cơ chế chuyển đổi điện tử giữa vi khuẩn và các điện cực rắn chưa được mô tả rõ ràng, đặc biệt là trong các môi trường phức tạp với số lượng lớn các vi sinh vật điện giải hoặc không điện giải (Jung and Regan, 2007; Kiely et al., 2011a; Ishii et al., 2013a; Ishii et al., 2013b; Ishii et al., 2014). Cuối cùng, cơ chế thu hút các tế bào vi khuẩn đối với các điện cực (Read et al., 2010), sự hình thành và phát triển của màng sinh học trên bề mặt cực âm (Reguera et al., 2006; Read et al., 2010), sự tương tác và liên kết giữa các chủng vi khuẩn (Kiely et al., 2011a; Cristiani et al., 2013a; Cristiani et al., 2013b; Ishii et al., 2013a; Ishii et al., 2013b; Ishii et al., 2014; Daghio et al., 2015; Dennis et al., 2016), cũng như ảnh hưởng của các tham số môi trường đến sự xâm chiếm của vi sinh vật (Rinaldi et al., 2008; Rahimnejad et al., 2015) vẫn chưa được biết rõ do sự khó khăn trong việc khảo sát các quá trình kết hợp hóa-vi sinh vật rất phức tạp và do hạn chế bởi công nghệ phân tích hình ảnh hiện nay (Guo et al., 2013; Artyushkova et al., 2015; Beyenal and Babauta, 2015; Blanchet et al., 2016; Virdis et al., 2016).

Tại cực dương, khí oxy chủ yếu được sử dụng làm chất oxy hóa do tính sẵn có và khả năng bị khử cao (Zhao et al., 2006; Rismani-Yazdi et al., 2008). Một số nghiên cứu cũng cho thấy khả năng sử dụng chất oxy hoá kim loại, ví dụ như U (Gregory

and Lovley, 2005; Wang et al., 2014), Cd (Wang et al., 2015a), Cr (Li et al., 2015; Nancharaiah et al., 2015), Cu (Heijne et al., 2010; Ntagia et al., 2016)… có thể bị khử thành trạng thái oxy hóa ít độc hơn. Phản ứng khử khí oxy (oxygen reduction reaction - ORR) vẫn là một phản ứng chính của công nghệ này, do tiềm năng cao và động học phản ứng thấp (Rismani-Yazdi et al., 2008). Một thách thức lớn nữa liên quan đến việc các MFC sản xuất năng lượng quá thấp so với các pin nhiên liệu hoá học truyền thống. Từ đó, các hệ thống lai hóa mới đã được nghiên cứu để thu hồi và quản lý năng lượng quá thấp tạo ra từ các MFCs, bằng cách kết hợp MFCs với các hệ thống thu hồi ngoại vi, chủ yếu dựa trên các tụ siêu tụ điện đã được công bố (xem phần 2.8). Trong thời gian gần đây, các tính năng tích điện của các điện cực cũng đã được khảo sát (Deeke et al., 2013; Deeke et al., 2015; Borsje et al., 2016) và các điện cực siêu tụ (điện cực chứa các siêu tụ điện bên trong) cũng đã được tiến hành nghiên cứu (Ren et al., 2015; Houghton et al., 2016; Santoro et al., 2016a; Santoro et al., 2016b; Soavi et al., 2016). Cuối cùng, một số hợp chất hữu cơ lấy từ các loại nước thải đô thị và nước thải công nghiệp khác nhau đã được nghiên cứu thành công, kết quả cho thấy tính khả thi của BESs trong sản xuất điện, đồng thời làm giảm chất gây ô nhiễm. Do đó, trong tương lai BESs có thể trở thành một công nghệ thay thế để làm sạch nước với ngân sách năng lượng bằng không hoặc có thể tạo lợi nhuận từ việc xử lý nước thải (Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016).

Bài tổng quan này mô tả ngắn gọn các bước quan trọng trong quá trình chuyển từ lĩnh vực vô sinh/ điện hóa sang các hệ thống lai vi khuẩn-điện hóa, cụ thể, trình bày mức độ tiến bộ đã đạt được: (1) Sự phát triển của các hệ thống điện sinh học; (2) Nguyên lý hoạt động của các loại pin vi khuẩn điện phân, pin vi khuẩn khử muối và pin vi khuẩn tổng hợp điện; (3) Các kiến thức về cơ chế dịch chuyển điện tử giữa các màng sinh học vi khuẩn với các điện cực rắn.

2 PIN NHIÊN LIỆU VI KHUẨN

2.1 Quá trình phát triển của các hệ thống điện sinh học

Giáo sư Luigi Galvani, nhà vật lý tại Đại học Bologna, được coi là nhà tiên phong về điện hóa học và điện sinh học . Thực tế với những thí nghiệm của ông vào năm 1780, ông đã phát hiện ra rằng các cơ chân ếch đã chết có thể chuyển động (hoặc co giật) khi được chích một tia điện và đặt ra thuật ngữ "điện động vật" để mô tả lực kích hoạt cơ của mẫu vật của mình như được tạo ra bởi một dòng điện được mang đến các cơ bởi dây thần


38

kinh. Sau đó Alessandro Volta, giáo sư về vật lý thực nghiệm tại Đại học Pavia, đã kiểm tra các thí nghiệm của Galvani và tin rằng các cơn co thắt xảy ra do các dây kim loại mà Galvani đã dùng để nối dây thần kinh và cơ trong các thí nghiệm của ông (Volta, 1800). Cuộc tranh cãi giữa Galvani và Volta đã trở nên sôi nổi vào cuối thế kỷ 18 và là nền tảng dẫn đến việc phát minh ra một dạng pin sạc từ kết quả thí nghiệm của Volta. Sau đó, những tiến bộ đáng kể liên quan đến các hệ thống điện hóa để tạo ra điện hoặc lưu trữ năng lượng đã được thực hiện trên khắp thế giới trong vài thập niên đầu của thế kỷ 19. Trong số những đột phá về các thiết bị điện hóa, pin chì-axit đã được nhà vật lý người Pháp, Gaston Plante, phát minh vào năm 1859 được trích dẫn nhiều nhất và đóng vai trò then chốt trong thị trường pin thời bấy giờ (Høyer, 2008).

Sau đó, Grove được công nhận là cha đẻ của các pin nhiên liệu. Trên thực tế, trong một công bố vào năm 1838 trên Tạp chí Triết học Edinburgh và London, ông đã viết về sự phát triển của "pin khí" của mình (Grove, 1838). Bài báo đã gây cảm hứng nghiên cứu cho một số nhà khoa học thời bấy giờ. Mặc dù sau đó trong cuốn sách “Hóa điện tử: Lịch sử và Lý thuyết” được xuất bản năm 1896, Wilhelm Ostwald đã mô tả pin khí của Grove là "không có ý nghĩa thực tiễn nhưng khá quan trọng đối với lợi ích lý thuyết của nó" (Ostwald, 1896). Đến năm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond đã đặt ra thuật ngữ "pin nhiên liệu" trong lúc cố gắng thiết kế pin nhiên liệu thực tế đầu tiên, trong đó sử dụng không khí và khí than (Stone and Morrison, 2002). Năm 1932, một thế kỷ sau khi thí nghiệm của Grove, Francis Bacon đã phát triển pin nhiên liệu H2/O2 thành công đầu tiên bằng chất điện phân kiềm, sau đó vào năm 1959 ông đã xây dựng được một hệ thống thực tế với công suất 5 KW (Carrette et al., 2001).

Những tiến bộ trong các pin nhiên liệu (fuel cells - FCs) đã được đẩy mạnh trong những năm tiếp theo, sau đó là sự tham gia của NASA, các tổ chức chính phủ và các tập đoàn sản xuất xe hơi. Một loạt các pin nhiên liệu đã được phát triển và thường được phân loại theo chức năng của chất điện phân, hoặc phân loại theo vật liệu làm điện cực như màng polyme, vật liệu ceramic, chất lỏng điện phân. Thông thường chúng được xác định theo loại nhiên liệu, ví dụ như trường hợp của các pin nhiên liệu cồn, hoặc theo mức độ của pH trong hoạt động của pin (kiềm hoặc axit), hoặc phân loại theo nhiệt độ hoạt động của chất điện phân và điện cực (60-200oC: nhiệt độ thấp; và 600-1000oC: nhiệt độ cao) (Carrette et al., 2001).

Tất cả các loại pin nhiên liệu đều có ưu điểm và

nhược điểm. Nhiệt độ hoạt động cao của các pin nhiên liệu oxit rắn (solid oxide fuel cells - SOFCs) và các pin nhiên liệu carbonat nóng chảy (molten carbonate fuel cells - MCFCs) có hạn chế là thời gian khởi động chậm nhưng lại có lợi thế là có thể loại bỏ sự cần thiết của các chất xúc tác kim loại quý, do đó giảm chi phí chế tạo. Ngoài ra, nhiệt thải ra từ các SOFCs và MCFCs cũng có thể được thu hồi và tái sử dụng, từ đó có thể tăng hiệu quả lý thuyết của loại pin này lên đến 85%. Các pin nhiên liệu màng trao đổi proton (proton exchange membrane fuel cells - PEMFCs) có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp, thường làm việc ở nhiệt độ trong phạm vi 60-110oC. Nhiệt độ tương đối thấp này đủ để cải thiện quá trình động học mà không có hiện tượng suy thoái xảy ra. Tuy nhiên, trong các PEMFCs cần các kim loại quý làm chất xúc tác để tăng tỷ lệ phân huỷ H2 ở cực âm và để đẩy nhanh sự phân hủy của chất trung gian H2O2 được tạo ra ở cực dương trong phản ứng khử khí O2 hai giai đoạn. Việc thay thế các chất xúc tác kim loại quý trong các PEMFCs vẫn là một thách thức cho đến nay (Winter and Brodd, 2004; Morozan et al., 2011).

Các BFCs có thể được định nghĩa là các thiết bị có thể biến đổi hóa học thành năng lượng điện qua các phản ứng điện hóa liên quan đến các quá trình sinh hóa và có thể được chia thành các pin nhiên liệu enzyme (enzymatic fuel cells - EFCs) (Minteer et al., 2007) và các pin nhiên liệu vi khuẩn MFCs (Logan, 2010). Các EFCs sử dụng các enzyme chọn lọc để thực hiện các phản ứng oxy hóa tạo ra dòng điện trong khi các MFCs sử dụng các vi khuẩn điện giải để phân hủy các chất hữu cơ và sản xuất điện. Nhìn chung, các enzyme có hiệu suất xúc tác điện hóa tốt hơn nhưng không bền vững, và thời gian hoạt động ngắn hơn so với các vi khuẩn. Báo cáo đầu tiên của một MFC thực tế bắt nguồn từ đầu thế kỷ trước, khi nhà thực vật học người Anh, Michael Cresse Potter, chứng minh rằng vi sinh vật có thể tạo ra điện áp và cung cấp dòng điện (Potter, 1911). Sau đó, pin nhiên liệu sinh học trở nên phổ biến vào những năm 1960, khi NASA cho thấy lợi ích ngắn hạn trong việc biến chất thải hữu cơ thành điện năng trong các nhiệm vụ ngoài không gian của mình. Sự quan tâm đến các BFCs sau đó được tái tạo lại bởi Bennetto và cộng sự, những người đã nhấn mạnh vào chức năng của MFCs với trọng tâm là sự chuyển điện tử dựa trên các sinh khối trung gian (Bennetto et al., 1983; Stirling et al., 1983). Kể từ đầu thế kỷ 21, sự quan tâm đến MFCs đã tăng lên theo cấp số nhân, như được minh họa bằng số lượng ấn phẩm và trích dẫn liên quan (Hình 1).


39

2.2 Nguyên lý hoạt động của các loại pin nhiên liệu vi khuẩn

Như đã đề cập, MFCs là các BESs được nghiên cứu và báo cáo nhiều nhất (Hình 1a và b). Động lực chính để theo đuổi công nghệ này là khả năng thay thế cho các hệ thống xử lý nước thải tốn kém hiện nay bằng một công nghệ thực sự có khả năng tự phục hồi, tự bền vững hoặc thậm chí có thể tạo ra năng lượng tích cực trong quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm. Hình 2a trình bày sơ đồ tổng quát của một pin nhiên liệu vi khuẩn, bên cạnh đó là một số hệ thống điện sinh học khác đang được quan tâm nghiên cứu phát triển (Hình 2b, 2c, 2d) (Harnisch and Schröder, 2010; Pant et al., 2012; Wang and Ren, 2013, 2014; Wang et al., 2015b). Trong số đó, Pin điện phân vi khuẩn (microbial electrolysis cell - MEC) là một trong những mô hình được quan tâm khảo sát nhiều nhất (Hình 2b),

MEC được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 2005 (Liu et al., 2005). Sau đó, các ấn phẩm liên quan về MEC tăng nhanh theo thời gian lên 141 ấn phẩm trong năm 2016 (Hình 1e) với hơn 4.000 trích dẫn (Hình 1f). MECs khi hoạt động đòi hỏi một nguồn điện bên ngoài để có thể điện phân tạo ra hydro tại cực dương, nhưng nguồn năng lượng bên ngoài này chỉ cần một lượng nhỏ, vì hầu hết năng lượng là từ năng lượng hóa học thu được từ các cơ chất bị oxy hóa tại cực âm (Sleutels et al., 2009). Do đó, khí hydro có thể được sản xuất với mức tiêu hao năng lượng thấp, nhờ sử dụng xúc tác điện sinh học được hỗ trợ bởi các nguồn năng lượng thấp bổ sung. MECs là một mối quan tâm đặc biệt vì sản phẩm khí hydro là một loại khí quý giá và cần thiết cho nền kinh tế năng lượng khí hydro trong tương lai gần (Winter, 2005; Rizzi et al., 2014).

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của: pin nhiên liệu vi khuẩn (a), pin điện phân vi khuẩn (b), pin

khử muối vi khuẩn (c) và pin vi khuẩn tổng hợp điện tổng quát (d)

Có rất nhiều nghiên cứu phát triển và cải tiến liên quan đến sự gia tăng sản xuất khí hydro (Logan et al., 2008; Sun et al., 2009; Munoz et al., 2010; Ye et al., 2010; Yuan et al., 2015), cải tiến các thiết kế của pin (Cheng and Logan, 2011; Sleutels et al., 2011; Ki et al., 2016), loại bỏ sự cần thiết của các màng ngăn (Hu et al., 2008; Tartakovsky et al., 2009; Escapa et al., 2015; Rago et al., 2015), sử dụng các chất xúc tác vi khuẩn (Rozendal et al., 2008; Jeremiasse et al., 2010;

Pisciotta et al., 2012) hoặc các chất xúc tác không chứa Pt (Lee et al., 2009; Selembo et al., 2009; Hrapovic et al., 2010; Jeremiasse et al., 2010; Manuel et al., 2010; Pasupuleti et al., 2015; Lu et al., 2016; Brown et al., 2017; Mitov et al., 2017)… đã được chứng minh thành công. Tiêu biểu như một ứng dụng quy mô lớn đã được đưa ra liên quan đến việc sản xuất khí hydro từ nước thải của nhà máy (Cusick et al., 2011). Trong năm 2017, ba hệ thống MECs được công bố với quy mô tương đối


40

lớn (từ một lít trở lên) (Baeza et al., 2017; Guo et al., 2017; Zamora et al., 2017). Điều này rõ ràng cho thấy ý định nhân rộng các hệ thống MECs của các nhà khoa học trong các ứng dụng thực tế, thông qua nghiên cứu những hạn chế liên quan đến việc tăng kích cỡ vùng phản ứng. Gần đây nhất, các BESs khác đã được phát triển với khả năng kết hợp nhiều mục đích, tiêu biểu như pin khử muối vi khuẩn (microbial desalination cell - MDC) đã được phát triển thành công với cả ba mục tiêu ban đầu là đồng thời xử lý nước thải, tạo ra điện và khử muối đồng thời (Cao et al., 2009). Hình 2c trình bày một sơ đồ tổng quát của MDC, sự quan tâm ngày càng tăng đối với MDCs được thể hiện bởi số lượng các ấn phẩm ngày càng tăng (Hình 1g) và các trích dẫn liên quan (Hình 1h).

Cùng với hoạt động nghiên cứu này, các BESs gần đây đã được trình bày dưới dạng một thiết bị có khả năng tổng hợp vi khuẩn, trong đó các chủng vi khuẩn đặc biệt hoặc điều kiện hoạt động đặc biệt cho phép sản xuất các sản phẩm có giá trị từ CO2 hoặc từ các nguồn khác. Hướng đi tương đối mới này hiện đang là mối quan tâm lớn vì năng lượng tái tạo vẫn có khả năng được sử dụng khi bị ngắt kết nối với đường dây phân phối điện chính. Hình 2d trình bày các nguyên tắc chính của hệ thống pin điện tử vi khuẩn, trong đó CO2 có thể được chuyển đổi thành khí methane (Rabaey and Rozendal, 2010; Rabaey et al., 2011; Lu and Ren, 2016), thành acetate (Rabaey and Rozendal, 2010; Rabaey et al., 2011), thành formate (Srikanth et al., 2014) và một số sản phẩm khác (Rabaey and Rozendal, 2010; Rabaey et al., 2011; ElMekawy et al., 2016; Huang et al., 2016; Roy et al., 2016). Một số trường hợp thể hiện tính khả thi của quá trình nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết. Trong số đó, tính chọn lọc của sản phẩm, khả năng tách sản phẩm khỏi dung dịch, động học phản ứng và cách thiết kế pin là một số vấn đề khó khăn nhất trong giai đoạn hiện tại.

2.3 Cơ chế chuyển điện tử trong các màng sinh học vi khuẩn chủ động điện

2.3.1 Màng sinh học chủ động điện (electroactive (EA) biofilms)

Các chất xúc tác điện bản chất vi khuẩn của các hệ thống điện sinh học có chứa các màng sinh học chủ động điện (còn được gọi là các màng sinh học chủ động điện hóa) không những được tìm thấy trong nhiều hệ sinh thái tự nhiên khác nhau như đất, trầm tích, nước biển hoặc nước ngọt, mà còn được tìm thấy trong các mẫu thu thập từ nhiều môi trường giàu vi sinh vật như bùn thải, bùn hoạt tính, nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt. Khả năng xúc tác điện của các màng sinh học đã được chứng minh là có liên quan đến sự hiện diện của một số

chủng vi khuẩn, cụ thể như Geobacter sulfurreducens, Rhodoferax ferrireducens, Shewanella sp… trong đó điểm chung là chúng có khả năng trao đổi điện tử với chất nền ở các điện cực rắn (Logan, 2009; Borole et al., 2011)

2.3.2 Cơ chế chuyển điện tử giữa vi khuẩn với các điện cực rắn

Quá trình chuyển điện tử giữa các vi khuẩn EA bên trong các màng sinh học EA và các điện cực rắn có thể xảy ra trực tiếp hoặc gián tiếp (Schröder, 2007) (Hình 3). Nhiều vi khuẩn như Shewanella oneidensis, Pseudomonas alcaliphila, Pseudomonas aeruginosa có thể sản xuất các hợp chất oxy hóa-khử trung gian. Ví dụ như hợp chất pyocianine (một loại sắc tố) đã được xác định là chịu trách nhiệm trong các hoạt động điện hóa ở vi khuẩn P. aeruginosa. Trong trường hợp nghiên cứu trên vi khuẩn S. oneidensis, quá trình sản xuất hợp chất trung gian quinone (2-amino-3-dicarboxy-1,4 naphtoquinon) có tác dụng làm tăng gấp đôi mật độ năng lượng của một MFC khi so với một MFC không có quá trình tổng hợp chất trung gian này (Freguia et al., 2010). Quá trình chuyển điện tử gián tiếp cũng có thể được thực hiện thông qua quá trình oxy hóa một sản phẩm phụ nằm trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Ví dụ như khí hydro được tạo ra bởi vi khuẩn trong quá trình lên men và sau đó được oxy hoá ở bề mặt của cực âm (Niessen et al., 2006).

Hình 3: Cơ chế liên quan đến sự dịch chuyển điện tử: (A) Chuyển gián tiếp thông qua các

chất trung gian hoặc các sản phẩm lên men; (B) Chuyển trực tiếp qua các protein cytochrome c;

(C) chuyển trực tiếp qua pili dẫn điện


41

Sự chuyển điện tử trực tiếp giữa vi khuẩn điện phân và điện cực xảy ra do tiếp xúc trực tiếp giữa lớp màng ngoài của vi khuẩn và bề mặt của cực âm (Bond, 2002). Sự trao đổi điện tử giữa tế bào và điện cực được cung cấp bởi các protein tại màng cytochrome c. Cơ chế truyền trực tiếp thông qua cytochrome c đã được chứng minh rõ ràng trong nghiên cứu trên G. sulfurreducens thông qua các thí nghiệm với các mẫu đột biến trong đó gen mã hoá các protein cytochrome c đã bị xóa hoặc biểu hiện quá mức (Lovley, 2006). Vào năm 2005, một cơ chế truyền trực tiếp bổ sung đã được mô tả, trong đó quá trình chuyển đện tử trực tiếp được thực hiện thông qua các kết nối được dẫn bên ngoài tế bào được gọi là dây dẫn pili vi khuẩn hoặc dây dẫn nano vi khuẩn (Reguera et al., 2006). Với những kiến thức hiện tại, không thể tách rời các cơ chế chuyển đổi điện tử có liên quan đến các màng sinh học hỗn hợp. Cách tiếp cận cơ học có thể làm sáng tỏ các bước chuyển hóa điện tử nhưng đòi hỏi phải nghiên cứu với các mô hình vi sinh vật với các dòng tinh khiết, dưới các điều kiện kiểm soát chặt chẽ, và hiện nay chỉ có thể nghiên cứu trên các mô hình mô phỏng.

2.3.3 Các chất nền khác nhau cho các màng sinh học EA

Các vi khuẩn đa bào có khả năng oxy hóa rất nhiều loại phân tử hữu cơ (chất nền) đồng thời tạo ra năng lượng hữu ích cho sự phát triển và duy trì sự trao đổi chất của chúng. Các chất nền đóng vai trò phục vụ cho các vi khuẩn như một nguồn năng lượng carbon. Chất nền được sử dụng trong các màng sinh học EA có thể là bất kỳ loại chất hữu cơ nào từ các phân tử đơn giản (glucose, acetate, carbohydrate...) đến các hợp chất phức tạp (cellulose, mật mía...) thậm chí có thể là các hợp chất hữu cơ chứa trong các nhà máy xử lý nước thải, chất thải nông nghiệp (phân chuồng), chất thải gia đình hoặc bất kỳ loại hợp chất lên men nào (Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016).

Hiệu quả của quá trình chuyển đổi điện sinh hoá từ các chất nền hữu cơ thành năng lượng phụ thuộc vào thành phần, đặc tính và nồng độ. Bản chất của chất nền không những ảnh hưởng đến thành phần của quần thể vi khuẩn phát triển trong các màng sinh học EA mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi điện sinh hóa được thể hiện thông qua hiệu quả của các cực âm sinh học (bioanodes) (Chae et al., 2009).

Trong phần lớn các nghiên cứu liên quan đến các BESs, acetate được xem như là chất nền chính cho việc sản xuất các điện tử ở bioanode (Bond, 2002; Bond and Lovley, 2003; Parot et al., 2008; Torres et al., 2009; Pisciotta et al., 2012; Wang

and Ren, 2013; Gajda et al., 2014). Acetate là một chất nền đơn giản và là sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men trong nhiều quá trình trao đổi chất, dựa trên quá trình oxy hóa các nguồn carbon phức tạp như: lên men giấm từ ethanol, quá trình Entner Doudoroff từ glucose, sự hình thành các hợp chất axit từ những chất hữu cơ phức tạp (protein, saccharides, chất béo…). Acetate đã được báo cáo là chất nền tốt hơn cho các quá trình phát điện khi so sánh với butyrate, propionate hoặc glucose (Chae et al., 2009). Bên cạnh đó, glucose hoặc lactate cũng là hai chất nền thường được sử dụng trong các nghiên cứu liên quan đến các hệ thống điện vi khuẩn (Rabaey et al., 2003; Catal et al., 2008; Manohar and Mansfeld, 2009). (Pant et al., 2010; Pandey et al., 2016) đã liệt kê rất chi tiết danh sách các chất nền khác nhau được sử dụng tại các bioanodes trong các màng sinh học EA như arabitol, cysteine, ethanol, propionate, fumarate, tinh bột, rác thải sinh hoạt, chất thải hữu cơ hoặc nước thải công nghiệp tại các nhà máy bia, sô cô la, chăn nuôi...

3 KẾT LUẬN

Kể từ khi Potter đưa ra ý tưởng về một MFC vào năm 1910, công nghệ này đã có cả tác động tích cực và tiêu cực đến sự phát triển chung của công nghệ trên toàn thế giới, tuy nhiên công nghệ MFC đã phát triển trở thành một lĩnh vực khoa học được quan tâm rộng rãi hiện nay (Hình 1). Tác động tích cực là thực tế hiện nay có nhiều nhóm nghiên cứu đang sử dụng công nghệ MFC như là một công cụ khoa học để tìm hiểu các phản ứng sinh học, hóa sinh, điện hóa và các bề mặt vật liệu trong đó các điều kiện thí nghiệm được kiểm soát cụ thể. Mặt khác, tác động tiêu cực là do công nghệ MFC chưa bao giờ được coi là một công nghệ chính thức trong lĩnh vực xử lý nước thải hoặc trong ngành năng lượng tái tạo, mặc dù MFC có lẽ là ví dụ duy nhất cho một công nghệ có thể tạo ra điện tử thay vì tiêu thụ năng lượng điện từ các quá trình oxy hóa các chất thải hữu cơ, cũng như các nguồn carbon vô cơ dưới những điều kiện nhất định. Điều này có nghĩa là công nghệ MFC đã nhận được đầu tư ít hơn so với các công nghệ khác. Mặc dù vậy, gần đây cũng đã có một số báo cáo về việc triển khai MFC trong ứng dụng thực tiễn từ đó thể hiện chính xác giá trị thực tế của công nghệ MFC. Tiêu biểu như hệ thống với quy mô thí điểm đầu tiên (1 m3) với mục đích xử lý nước thải của nhà máy bia Yatala (Queensland, Australia) được tài trợ bởi Trung tâm Quản lý Nước tiên tiến của Đại học Queensland. Một số nhóm đã nghiên cứu MFCs như là lò phản ứng để xử lý nước thải với kích cỡ phát triển từ quy mô phòng thí nghiệm (dưới 1 lít) lên đến quy mô hàng ngàn lít.


42

LỜI CẢM ƠN

Đề tài này được tài trợ bởi Dự án Hợp tác Kỹ thuật “Tăng cường năng lực Trường Đại học Cần Thơ thành trường xuất sắc về đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ của Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Ahn, Y., and Logan, B. E., 2013. Saline catholytes as alternatives to phosphate buffers in microbial fuel cells. Bioresource Technology, 132: 436-39.

Artyushkova, K., Cornejo, J. A., Ista, L. K., et al., 2015. Relationship between surface chemistry, biofilm structure, and electron transfer in Shewanella anodes. Biointerphases, 10: 019013.

Babanova, S., Carpenter, K., Phadke, S., et al., 2017. The Effect of Membrane Type on the Performance of Microbial Electrosynthesis Cells for Methane Production. Journal of The Electrochemical Society, 164: H3015-H23.

Babauta, J. T., Hsu, L., Atci, E., Kagan, J., Chadwick, B., and Beyenal, H., 2014. Multiple Cathodic Reaction Mechanisms in Seawater Cathodic Biofilms Operating in Sediment Microbial Fuel Cells. ChemSusChem, 7: 2898-906.

Baeza, J. A., Martínez-Miró, À., Guerrero, J., Ruiz, Y., and Guisasola, A., 2017. Bioelectrochemical hydrogen production from urban wastewater on a pilot scale. Journal of Power Sources, 356: 500-09.

Bennetto, H. J. B. E., 1990. Electricity generation by microorganisms. 1: 163-68.

Bennetto, H. P., Stirling, J. L., Tanaka, K., and Vega, C. A., 1983. Anodic reactions in microbial fuel cells. Biotechnology and Bioengineering, 25: 559-68.

Beyenal, H., and Babauta, J., 2015. Biofilms in Bioelectrochemical Systems: From Laboratory Practice to Data Interpretation. John Wiley & Sons, Inc: Hoboken, NJ, USA.

Blanchet, E., Erable, B., De Solan, M. L., and Bergel, A., 2016. Two-dimensional carbon cloth and three-dimensional carbon felt perform similarly to form bioanode fed with food waste. Electrochemistry Communications, 66: 38-41.

Bond, D. R., 2002. Electrode-Reducing Microorganisms that Harvest Energy from Marine Sediments. Science, 295: 483-85.

Bond, D. R., and Lovley, D. R., 2003. Electricity Production by Geobacter sulfurreducens Attached to Electrodes. Applied and Environmental Microbiology, 69: 1548-55.

Borole, A. P., Reguera, G., Ringeisen, B., Wang, Z. W., Feng, Y., and Kim, B. H., 2011. Electroactive biofilms: Current status and future research needs. Energy & Environmental Science, 4: 4813.

Borsje, C., Liu, D., Sleutels, T. H. J. A., Buisman, C. J. N., and ter Heijne, A., 2016. Performance of

single carbon granules as perspective for larger scale capacitive bioanodes. Journal of Power Sources, 325: 690-96.

Brown, R. K., Schmidt, U. C., Harnisch, F., and Schröder, U., 2017. Combining hydrogen evolution and corrosion data - A case study on the economic viability of selected metal cathodes in microbial electrolysis cells. Journal of Power Sources, 356: 473-83.

Cao, X., Huang, X., Liang, P., et al., 2009. A New Method for Water Desalination Using Microbial Desalination Cells. Environmental Science & Technology, 43: 7148-52.

Carrette, L., Friedrich, K. A., and Stimming, U., 2001. Fuel Cells - Fundamentals and Applications. Fuel Cells, 1: 5-39.

Catal, T., Li, K., Bermek, H., and Liu, H., 2008. Electricity production from twelve monosaccharides using microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 175: 196-200.

Commault, A., Lear, G., Novis, P., and Weld, R., 2014. Photosynthetic biocathode enhances the power output of a sediment-type microbial fuel cell. New Zealand Journal of Botany, 52: 48-59.

Cristiani, P., Carvalho, M. L., Guerrini, E., Daghio, M., Santoro, C., and Li, B., 2013a. Cathodic and anodic biofilms in Single Chamber Microbial Fuel Cells. Bioelectrochemistry, 92: 6-13.

Cristiani, P., Franzetti, A., Gandolfi, I., Guerrini, E., and Bestetti, G., 2013b. Bacterial DGGE fingerprints of biofilms on electrodes of membraneless microbial fuel cells. International Biodeterioration & Biodegradation, 84: 211-19.

Cusick, R. D., Bryan, B., Parker, D. S., et al., 2011. Performance of a pilot-scale continuous flow microbial electrolysis cell fed winery wastewater. Applied Microbiology and Biotechnology, 89: 2053-63.

Chae, K. J., Choi, M. J., Lee, J. W., Kim, K. Y., and Kim, I. S., 2009. Effect of different substrates on the performance, bacterial diversity, and bacterial viability in microbial fuel cells. Bioresource Technology, 100: 3518-25.

Cheng, S., and Logan, B. E., 2011. High hydrogen production rate of microbial electrolysis cell (MEC) with reduced electrode spacing. Bioresource Technology, 102: 3571-74.

Daghio, M., Gandolfi, I., Bestetti, G., Franzetti, A., Guerrini, E., and Cristiani, P., 2015. Anodic and cathodic microbial communities in single chamber microbial fuel cells. New Biotechnology, 32: 79-84.

Deeke, A., Sleutels, T. H. J. A., Donkers, T. F. W., Hamelers, H. V. M., Buisman, C. J. N., and Ter Heijne, A., 2015. Fluidized Capacitive Bioanode As a Novel Reactor Concept for the Microbial Fuel Cell. Environmental Science & Technology, 49: 1929-35.


43

Deeke, A., Sleutels, T. H. J. A., Heijne, A. T., Hamelers, H. V. M., and Buisman, C. J. N., 2013. Influence of the thickness of the capacitive layer on the performance of bioanodes in Microbial Fuel Cells. Journal of Power Sources, 243: 611-16.

Dennis, P. G., Virdis, B., Vanwonterghem, I., et al., 2016. Anode potential influences the structure and function of anodic electrode and electrolyte-associated microbiomes. Scientific Reports, 6.

Donovan, C., Dewan, A., Heo, D., and Beyenal, H., 2008. Batteryless, Wireless Sensor Powered by a Sediment Microbial Fuel Cell. Environmental Science & Technology, 42: 8591-96.

Dumas, C., Mollica, A., Féron, D., Basséguy, R., Etcheverry, L., and Bergel, A., 2007. Marine microbial fuel cell: Use of stainless steel electrodes as anode and cathode materials. Electrochimica Acta, 53: 468-73.

ElMekawy, A., Hegab, H. M., Mohanakrishna, G., Elbaz, A. F., Bulut, M., and Pant, D., 2016. Technological advances in CO 2 conversion electro-biorefinery: A step toward commercialization. Bioresource Technology, 215: 357-70.

Erable, B., Duţeanu, N. M., Ghangrekar, M. M., Dumas, C., and Scott, K., 2010. Application of electro-active biofilms. Biofouling, 26: 57-71.

Erable, B., Lacroix, R., Etcheverry, L., Féron, D., Delia, M. L., and Bergel, A., 2013. Marine floating microbial fuel cell involving aerobic biofilm on stainless steel cathodes. Bioresource Technology, 142: 510-16.

Escapa, A., Mateos, R., Martínez, E. J., and Blanes, J., 2016. Microbial electrolysis cells: An emerging technology for wastewater treatment and energy recovery. From laboratory to pilot plant and beyond. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 55: 942-56.

Escapa, A., San-Martín, M. I., Mateos, R., and Morán, A., 2015. Scaling-up of membraneless microbial electrolysis cells (MECs) for domestic wastewater treatment: Bottlenecks and limitations. Bioresource Technology, 180: 72-78.

Ewing, T., Ha, P. T., Babauta, J. T., Tang, N. T., Heo, D., and Beyenal, H., 2014. Scale-up of sediment microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 272: 311-19.

Fan, Y., Hu, H., and Liu, H., 2007. Sustainable Power Generation in Microbial Fuel Cells Using Bicarbonate Buffer and Proton Transfer Mechanisms. Environmental Science & Technology, 41: 8154-58.

Freguia, S., Tsujimura, S., and Kano, K., 2010. Electron transfer pathways in microbial oxygen biocathodes. Electrochimica Acta, 55: 813-18.

Gajda, I., Greenman, J., Melhuish, C., et al., 2014. Water formation at the cathode and sodium recovery using Microbial Fuel Cells (MFCs).

Sustainable Energy Technologies and Assessments, 7: 187-94.

Galvani, L. J. B. T. I. d. S., ft, p. t., 4., i., and 70, D. f., 1791. D viribus electricitatis in motu musculari: Commentarius.

Grattieri, M., Suvira, M., Hasan, K., and Minteer, S. D., 2017. Halotolerant extremophile bacteria from the Great Salt Lake for recycling pollutants in microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 356: 310-18.

Gregory, K. B., and Lovley, D. R., 2005. Remediation and Recovery of Uranium from Contaminated Subsurface Environments with Electrodes. Environmental Science & Technology, 39: 8943-47.

Grove, W. R., 1838. LVI. On a new voltaic combination.

Guo, K., Freguia, S., Dennis, P. G., et al., 2013. Effects of Surface Charge and Hydrophobicity on Anodic Biofilm Formation, Community Composition, and Current Generation in Bioelectrochemical Systems. Environmental Science & Technology, 47: 7563-70.

Guo, K., Prévoteau, A., and Rabaey, K., 2017. A novel tubular microbial electrolysis cell for high rate hydrogen production. Journal of Power Sources, 356: 484-90.

Harnisch, F., and Schröder, U., 2010. From MFC to MXC: chemical and biological cathodes and their potential for microbial bioelectrochemical systems. Chemical Society Reviews, 39: 4433.

Heijne, A. T., Liu, F., Weijden, R. v. d., Weijma, J., Buisman, C. J. N., and Hamelers, H. V. M., 2010. Copper Recovery Combined with Electricity Production in a Microbial Fuel Cell. Environmental Science & Technology, 44: 4376-81.

Houghton, J., Santoro, C., Soavi, F., et al., 2016. Supercapacitive microbial fuel cell: Characterization and analysis for improved charge storage/delivery performance. Bioresource Technology, 218: 552-60.

Høyer, K. G., 2008. The history of alternative fuels in transportation: The case of electric and hybrid cars. 16: 63-71.

Hrapovic, S., Manuel, M. F., Luong, J. H. T., Guiot, S. R., and Tartakovsky, B., 2010. Electrodeposition of nickel particles on a gas diffusion cathode for hydrogen production in a microbial electrolysis cell. International Journal of Hydrogen Energy, 35: 7313-20.

Hsu, L., Chadwick, B., Kagan, J., et al., 2013. Scale up considerations for sediment microbial fuel cells. RSC Advances, 3: 15947.

Hu, H., Fan, Y., and Liu, H., 2008. Hydrogen production using single-chamber membrane-free microbial electrolysis cells. Water Research, 42: 4172-78.


44

Huang, Z., Jiang, D., Lu, L., and Ren, Z. J., 2016. Ambient CO 2 capture and storage in bioelectrochemically mediated wastewater treatment. Bioresource Technology, 215: 380-85.

Ishii, S., Suzuki, S., Norden-Krichmar, T. M., et al., 2014. Microbial population and functional dynamics associated with surface potential and carbon metabolism. The ISME Journal, 8: 963-78.

Ishii, S., Suzuki, S., Norden-Krichmar, T. M., et al., 2013a. A novel metatranscriptomic approach to identify gene expression dynamics during extracellular electron transfer. Nature Communications, 4: 1601.

Ishii, S., Suzuki, S., Norden, T. M., et al., 2013b. Identifying the microbial communities and operational conditions for optimized wastewater treatment in microbial fuel cells. Water Research, 47: 7120-30.

Jeremiasse, A. W., Hamelers, H. V. M., and Buisman, C. J. N., 2010. Microbial electrolysis cell with a microbial biocathode. Bioelectrochemistry, 78: 39-43.

Jung, S., and Regan, J. M., 2007. Comparison of anode bacterial communities and performance in microbial fuel cells with different electron donors. Applied Microbiology and Biotechnology, 77: 393-402.

Kadier, A., Simayi, Y., Abdeshahian, P., Azman, N. F., Chandrasekhar, K., and Kalil, M. S., 2016. A comprehensive review of microbial electrolysis cells (MEC) reactor designs and configurations for sustainable hydrogen gas production. Alexandria Engineering Journal, 55: 427-43.

Karube, I., Matsunaga, T., Tsuru, S., and Suzuki, S., 1976. Continous hydrogen production by immobilized whole cells of Clostridium butyricum. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects, 444: 338-43.

Ki, D., Popat, S. C., and Torres, C. I., 2016. Reduced overpotentials in microbial electrolysis cells through improved design, operation, and electrochemical characterization. Chemical Engineering Journal, 287: 181-88.

Kiely, P. D., Rader, G., Regan, J. M., and Logan, B. E., 2011a. Long-term cathode performance and the microbial communities that develop in microbial fuel cells fed different fermentation endproducts. Bioresource Technology, 102: 361-66.

Kiely, P. D., Regan, J. M., and Logan, B. E., 2011b. The electric picnic: synergistic requirements for exoelectrogenic microbial communities. Current Opinion in Biotechnology, 22: 378-85.

Larrosa-Guerrero, A., Scott, K., Head, I. M., Mateo, F., Ginesta, A., and Godinez, C., 2010. Effect of temperature on the performance of microbial fuel cells. Fuel, 89: 3985-94.

Lee, H. S., Torres, C. I., Parameswaran, P., and Rittmann, B. E., 2009. Fate of H2 in an Upflow Single-Chamber Microbial Electrolysis Cell Using

a Metal-Catalyst-Free Cathode. Environmental Science & Technology, 43: 7971-76.

Li, Y., Wu, Y., Liu, B., et al., 2015. Self-sustained reduction of multiple metals in a microbial fuel cell–microbial electrolysis cell hybrid system. Bioresource Technology, 192: 238-46.

Liu, H., Grot, S., and Logan, B. E., 2005. Electrochemically Assisted Microbial Production of Hydrogen from Acetate. Environmental Science & Technology, 39: 4317-20.

Logan, B. E., 2009. Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells. Nature Reviews Microbiology, 7: 375-81.

Logan, B. E., 2010. Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems. Applied Microbiology and Biotechnology, 85: 1665-71.

Logan, B. E., Call, D., Cheng, S., et al., 2008. Microbial Electrolysis Cells for High Yield Hydrogen Gas Production from Organic Matter. Environmental Science & Technology, 42: 8630-40.

Logan, B. E., and Elimelech, M., 2012. Membrane-based processes for sustainable power generation using water. Nature, 488: 313-19.

Logan, B. E., Hamelers, B., Rozendal, R., et al., 2006. Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology. Environmental Science & Technology, 40: 5181-92.

Logan, B. E., and Rabaey, K., 2012. Conversion of Wastes into Bioelectricity and Chemicals by Using Microbial Electrochemical Technologies. Science, 337: 686-90.

Lovley, D. R., 2006. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Reviews Microbiology, 4: 497-508.

Lu, L., Hou, D., Fang, Y., Huang, Y., and Ren, Z. J., 2016. Nickel based catalysts for highly efficient H 2 evolution from wastewater in microbial electrolysis cells. Electrochimica Acta, 206: 381-87.

Lu, L., and Ren, Z. J., 2016. Microbial electrolysis cells for waste biorefinery: A state of the art review. Bioresource Technology, 215: 254-64.

Manohar, A. K., and Mansfeld, F., 2009. The internal resistance of a microbial fuel cell and its dependence on cell design and operating conditions. Electrochimica Acta, 54: 1664-70.

Manuel, M. F., Neburchilov, V., Wang, H., Guiot, S. R., and Tartakovsky, B., 2010. Hydrogen production in a microbial electrolysis cell with nickel-based gas diffusion cathodes. Journal of Power Sources, 195: 5514-19.

Marshall, C. W., Ross, D. E., Fichot, E. B., Norman, R. S., and May, H. D., 2013. Long-term Operation of Microbial Electrosynthesis Systems Improves Acetate Production by Autotrophic Microbiomes. Environmental Science & Technology, 47: 6023-29.

Martins, G., Peixoto, L., Ribeiro, D. C., Parpot, P., Brito, A. G., and Nogueira, R., 2010. Towards


45

implementation of a benthic microbial fuel cell in lake Furnas (Azores): Phylogenetic affiliation and electrochemical activity of sediment bacteria. Bioelectrochemistry, 78: 67-71.

Min, B., Román, Ó. B., and Angelidaki, I., 2008. Importance of temperature and anodic medium composition on microbial fuel cell (MFC) performance. Biotechnology Letters, 30: 1213-18.

Minteer, S. D., Liaw, B. Y., and Cooney, M. J., 2007. Enzyme-based biofuel cells. Current Opinion in Biotechnology, 18: 228-34.

Mitov, M., Chorbadzhiyska, E., Nalbandian, L., and Hubenova, Y., 2017. Nickel-based electrodeposits as potential cathode catalysts for hydrogen production by microbial electrolysis. Journal of Power Sources, 356: 467-72.

Morozan, A., Jousselme, B., and Palacin, S., 2011. Low-platinum and platinum-free catalysts for the oxygen reduction reaction at fuel cell cathodes. Energy & Environmental Science, 4: 1238.

Munoz, L. D., Erable, B., Etcheverry, L., Riess, J., Basséguy, R., and Bergel, A., 2010. Combining phosphate species and stainless steel cathode to enhance hydrogen evolution in microbial electrolysis cell (MEC). Electrochemistry Communications, 12: 183-86.

Nancharaiah, Y. V., Venkata Mohan, S., and Lens, P. N. L., 2015. Metals removal and recovery in bioelectrochemical systems: A review. Bioresource Technology, 195: 102-14.

Nevin, K. P., Woodard, T. L., Franks, A. E., Summers, Z. M., and Lovley, D. R., 2010. Microbial Electrosynthesis: Feeding Microbes Electricity To Convert Carbon Dioxide and Water to Multicarbon Extracellular Organic Compounds. mBio, 1: e00103-10-e03-10.

Niessen, J., Harnisch, F., Rosenbaum, M., Schroder, U., and Scholz, F., 2006. Heat treated soil as convenient and versatile source of bacterial communities for microbial electricity generation. Electrochemistry Communications, 8: 869-73.

Ntagia, E., Rodenas, P., ter Heijne, A., Buisman, C. J. N., and Sleutels, T. H. J. A., 2016. Hydrogen as electron donor for copper removal in bioelectrochemical systems. International Journal of Hydrogen Energy, 41: 5758-64.

Ostwald, W., 1896. Elektrochemie: ihre geschichte und lehre. Verlag von Veit.

Pandey, P., Shinde, V. N., Deopurkar, R. L., Kale, S. P., Patil, S. A., and Pant, D., 2016. Recent advances in the use of different substrates in microbial fuel cells toward wastewater treatment and simultaneous energy recovery. Applied Energy, 168: 706-23.

Pant, D., Singh, A., Van Bogaert, G., et al., 2012. Bioelectrochemical systems (BES) for sustainable energy production and product recovery from organic wastes and industrial wastewaters. RSC Adv., 2: 1248-63.

Pant, D., Van Bogaert, G., Diels, L., and Vanbroekhoven, K., 2010. A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production. Bioresource Technology, 101: 1533-43.

Parot, S., Délia, M.-L., and Bergel, A., 2008. Acetate to enhance electrochemical activity of biofilms from garden compost. Electrochimica Acta, 53: 2737-42.

Pasupuleti, S. B., Srikanth, S., Venkata Mohan, S., and Pant, D., 2015. Development of exoelectrogenic bioanode and study on feasibility of hydrogen production using abiotic VITO-CoRE™ and VITO-CASE™ electrodes in a single chamber microbial electrolysis cell (MEC) at low current densities. Bioresource Technology, 195: 131-38.

Pisciotta, J. M., Zaybak, Z., Call, D. F., Nam, J. Y., and Logan, B. E., 2012. Enrichment of Microbial Electrolysis Cell Biocathodes from Sediment Microbial Fuel Cell Bioanodes. Applied and Environmental Microbiology, 78: 5212-19.

Potter, M. C., 1911. Electrical Effects Accompanying the Decomposition of Organic Compounds. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 84: 260-76.

Rabaey, K., Boon, N., Siciliano, S. D., Verhaege, M., and Verstraete, W., 2004. Biofuel Cells Select for Microbial Consortia That Self-Mediate Electron Transfer. Applied and Environmental Microbiology, 70: 5373-82.

Rabaey, K., Girguis, P., and Nielsen, L. K., 2011. Metabolic and practical considerations on microbial electrosynthesis. Current Opinion in Biotechnology, 22: 371-77.

Rabaey, K., Lissens, G., Siciliano, S. D., and Verstraete, W., 2003. [No Title]. Biotechnology Letters, 25: 1531-35.

Rabaey, K., and Rozendal, R. A., 2010. Microbial electrosynthesis — revisiting the electrical route for microbial production. Nature Reviews Microbiology, 8: 706-16.

Rago, L., Ruiz, Y., Baeza, J. A., Guisasola, A., and Cortés, P., 2015. Microbial community analysis in a long-term membrane-less microbial electrolysis cell with hydrogen and methane production. Bioelectrochemistry, 106: 359-68.

Rahimnejad, M., Adhami, A., Darvari, S., Zirepour, A., and Oh, S. E., 2015. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review. Alexandria Engineering Journal, 54: 745-56.

Read, S. T., Dutta, P., Bond, P. L., Keller, J., and Rabaey, K., 2010. Initial development and structure of biofilms on microbial fuel cell anodes. BMC Microbiology, 10: 98.

Reguera, G., Nevin, K. P., Nicoll, J. S., Covalla, S. F., Woodard, T. L., and Lovley, D. R., 2006. Biofilm and Nanowire Production Leads to Increased Current in Geobacter sulfurreducens


46

Fuel Cells. Applied and Environmental Microbiology, 72: 7345-48.

Ren, H., Tian, H., Lee, H. S., et al., 2015. Regulating the respiration of microbe: A bio-inspired high performance microbial supercapacitor with graphene based electrodes and its kinetic features. Nano Energy, 15: 697-708.

Richter, H., Nevin, K. P., Jia, H., Lowy, D. A., Lovley, D. R., and Tender, L. M., 2009. Cyclic voltammetry of biofilms of wild type and mutant Geobacter sulfurreducens on fuel cell anodes indicates possible roles of OmcB, OmcZ, type IV pili, and protons in extracellular electron transfer. Energy & Environmental Science, 2: 506.

Rinaldi, A., Mecheri, B., Garavaglia, V., Licoccia, S., Di Nardo, P., and Traversa, E., 2008. Engineering materials and biology to boost performance of microbial fuel cells: a critical review. Energy & Environmental Science, 1: 417.

Rismani-Yazdi, H., Carver, S. M., Christy, A. D., and Tuovinen, O. H., 2008. Cathodic limitations in microbial fuel cells: An overview. Journal of Power Sources, 180: 683-94.

Rizzi, F., Annunziata, E., Liberati, G., and Frey, M., 2014. Technological trajectories in the automotive industry: are hydrogen technologies still a possibility? Journal of Cleaner Production, 66: 328-36.

Roy, S., Schievano, A., and Pant, D., 2016. Electro-stimulated microbial factory for value added product synthesis. Bioresource Technology, 213: 129-39.

Rozendal, R. A., Hamelers, H. V. M., Rabaey, K., Keller, J., and Buisman, C. J. N., 2008. Towards practical implementation of bioelectrochemical wastewater treatment. Trends in Biotechnology, 26: 450-59.

Santoro, C., Soavi, F., Arbizzani, C., et al., 2016a. Co-generation of hydrogen and power/current pulses from supercapacitive MFCs using novel HER iron-based catalysts. Electrochimica Acta, 220: 672-82.

Santoro, C., Soavi, F., Serov, A., Arbizzani, C., and Atanassov, P., 2016b. Self-powered supercapacitive microbial fuel cell: The ultimate way of boosting and harvesting power. Biosensors and Bioelectronics, 78: 229-35.

Schröder, U., 2007. Anodic electron transfer mechanisms in microbial fuel cells and their energy efficiency. Phys. Chem. Chem. Phys., 9: 2619-29.

Schröder, U., Nießen, J., and Scholz, F., 2003. A Generation of Microbial Fuel Cells with Current Outputs Boosted by More Than One Order of Magnitude. Angewandte Chemie International Edition, 42: 2880-83.

Selembo, P. A., Merrill, M. D., and Logan, B. E., 2009. The use of stainless steel and nickel alloys as low-cost cathodes in microbial electrolysis cells. Journal of Power Sources, 190: 271-78.

Sleutels, T. H. J. A., Hamelers, H. V. M., and Buisman, C. J. N., 2011. Effect of mass and charge transport speed and direction in porous anodes on microbial electrolysis cell performance. Bioresource Technology, 102: 399-403.

Sleutels, T. H. J. A., Lodder, R., Hamelers, H. V. M., and Buisman, C. J. N., 2009. Improved performance of porous bio-anodes in microbial electrolysis cells by enhancing mass and charge transport. International Journal of Hydrogen Energy, 34: 9655-61.

Soavi, F., Bettini, L. G., Piseri, P., et al., 2016. Miniaturized supercapacitors: key materials and structures towards autonomous and sustainable devices and systems. Journal of Power Sources, 326: 717-25.

Srikanth, S., Maesen, M., Dominguez-Benetton, X., Vanbroekhoven, K., and Pant, D., 2014. Enzymatic electrosynthesis of formate through CO2 sequestration/reduction in a bioelectrochemical system (BES). Bioresource Technology, 165: 350-54.

Stirling, J. L., Bennetto, H. P., Delaney, G. M., et al., 1983. Microbial fuel cells. Biochemical Society Transactions, 11: 451-53.

Stone, C., and Morrison, A. E. J. S. S. I., 2002. From curiosity to “power to change the world®”. 152: 1-13.

Strycharz-Glaven, S. M., Snider, R. M., Guiseppi-Elie, A., and Tender, L. M., 2011. On the electrical conductivity of microbial nanowires and biofilms. Energy & Environmental Science, 4: 4366.

Sun, M., Sheng, G. P., Mu, Z. X., et al., 2009. Manipulating the hydrogen production from acetate in a microbial electrolysis cell–microbial fuel cell-coupled system. Journal of Power Sources, 191: 338-43.

Tartakovsky, B., Manuel, M., Wang, H., and Guiot, S., 2009. High rate membrane-less microbial electrolysis cell for continuous hydrogen production. International Journal of Hydrogen Energy, 34: 672-77.

Tee, P. F., Abdullah, M. O., Tan, I. A. W., Amin, M. A. M., Nolasco-Hipolito, C., and Bujang, K., 2017. Effects of temperature on wastewater treatment in an affordable microbial fuel cell-adsorption hybrid system. Journal of Environmental Chemical Engineering, 5: 178-88.

Torres, C. I., Krajmalnik-Brown, R., Parameswaran, P., et al., 2009. Selecting Anode-Respiring Bacteria Based on Anode Potential: Phylogenetic, Electrochemical, and Microscopic Characterization. Environmental Science & Technology, 43: 9519-24.

Trapero, J. R., Horcajada, L., Linares, J. J., and Lobato, J., 2017. Is microbial fuel cell technology ready? An economic answer towards


47

industrial commercialization. Applied Energy, 185: 698-707.

Van Eerten-Jansen, M. C. A. A., Heijne, A. T., Buisman, C. J. N., and Hamelers, H. V. M., 2012. Microbial electrolysis cells for production of methane from CO2: long-term performance and perspectives: A methane-producing MEC to increase land use efficiency. International Journal of Energy Research, 36: 809-19.

Villano, M., Monaco, G., Aulenta, F., and Majone, M., 2011. Electrochemically assisted methane production in a biofilm reactor. Journal of Power Sources, 196: 9467-72.

Virdis, B., Millo, D., Donose, B. C., Lu, Y., Batstone, D. J., and Krömer, J. O., 2016. Analysis of electron transfer dynamics in mixed community electroactive microbial biofilms. RSC Advances, 6: 3650-60.

Volta, A., 1800. XVII. On the electricity excited by the mere contact of conducting substances of different kinds. In a letter from Mr. Alexander Volta, FRS Professor of Natural Philosophy in the University of Pavia, to the Rt. Hon. Sir Joseph Banks, Bart. KBPR S. 90: 403-31.

Wang, H., Luo, H., Fallgren, P. H., Jin, S., and Ren, Z. J., 2015a. Bioelectrochemical system platform for sustainable environmental remediation and energy generation. Biotechnology Advances, 33: 317-34.

Wang, H., and Ren, Z. J., 2013. A comprehensive review of microbial electrochemical systems as a platform technology. Biotechnology Advances, 31: 1796-807.

Wang, H., and Ren, Z. J., 2014. Bioelectrochemical metal recovery from wastewater: A review. Water Research, 66: 219-32.

Wang, J., Zheng, T., Wang, Q., Xu, B., and Wang, L., 2015b. A Bibliometric Review of Research Trends on Bioelectrochemical Systems. Current Science, 109: 2204.

Wang, Z., Cao, C., Zheng, Y., Chen, S., and Zhao, F., 2014. Abiotic Oxygen Reduction Reaction Catalysts Used in Microbial Fuel Cells. ChemElectroChem, 1: 1813-21.

Winter, C., 2005. Into the hydrogen energy economy?milestones. International Journal of Hydrogen Energy, 30: 681-85.

Winter, M., and Brodd, R. J., 2004. What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? Chemical Reviews, 104: 4245-70.

Xafenias, N., and Mapelli, V., 2014. Performance and bacterial enrichment of bioelectrochemical systems during methane and acetate production. International Journal of Hydrogen Energy, 39: 21864-75.

Ye, Y., Wang, L., Chen, Y., Zhu, S., and Shen, S., 2010. High yield hydrogen production in a single-chamber membrane-less microbial electrolysis cell. Water Science & Technology, 61: 721.

Ye, Y., Zhu, X., and Logan, B. E., 2016. Effect of buffer charge on performance of air-cathodes used in microbial fuel cells. Electrochimica Acta, 194: 441-47.

Yuan, H., Lu, Y., Abu-Reesh, I. M., and He, Z., 2015. Bioelectrochemical production of hydrogen in an innovative pressure-retarded osmosis/microbial electrolysis cell system: experiments and modeling. Biotechnology for Biofuels, 8.

Zamora, P., Georgieva, T., Ter Heijne, A., et al., 2017. Ammonia recovery from urine in a scaled-up Microbial Electrolysis Cell. Journal of Power Sources, 356: 491-99.

Zhang, Y., and Angelidaki, I., 2012. Self-stacked submersible microbial fuel cell (SSMFC) for improved remote power generation from lake sediments. Biosensors and Bioelectronics, 35: 265-70.

Zhao, F., Harnisch, F., Schröder, U., Scholz, F., Bogdanoff, P., and Herrmann, I., 2006. Challenges and Constraints of Using Oxygen Cathodes in Microbial Fuel Cells. Environmental Science & Technology, 40: 5193-99.

tỔng quan vỀ pin nhiÊn liỆu vi khuẨn: lỊch sỬ nghiÊn … quang...trong khoảng 10...

Documents