阴极电势对微生物电合成系统还原CO2合成有机物性能的影响

采用微生物电合成系统(MES)还原CO2合成有机物,从微生物菌群、有机物积累量、库伦效率、电化学分析等多个角度研究了阴极电势对MES还原CO2合成有机物性能的影响。实验结果表明:阴极电势为-0.70 V时,甲酸和乙酸的积累量均最大(分别为1.554 mmol/L和2.754 mmol/L),系统的总库伦效率最大(为81.42%);在MES中,醋杆菌(Acetobacterium sp.)、假丝酵母菌(Candida sp.S)、地杆菌(Geobacter sp.)为优势菌种。

还原氧化石墨烯/泡沫铜电极用于微生物电合成系统中二氧化碳合成有机物

采用氧化石墨烯涂覆泡沫铜并还原改性,合成了还原氧化石墨烯/泡沫铜电极,用于微生物电合成系统(MES)中CO_(2)合成有机物,考察了其电化学性能和有机物合成性能。实验结果表明:将改性的泡沫铜阴极用于MES还原CO_(2),在施加的-0.8 V阴极电势下,产生的乙酸和丁酸的最终质量浓度分别达到265.0 mg/L和122.5 mg/L,与改性前相比分别增加了8%和35%;该系统阴极表面上的主要优势细菌属于瘤球菌科(Ruminococcaceae)和梭菌科(Clostridiaceae),丰度分别增加了0.98倍和0.31倍。

微生物电合成系统固定CO_(2)研究进展

近年来,随着电化学及微生物技术的进步,由电能驱动的微生物电合成系统成为固定CO_(2)的新手段,在化工生产、能源转化和碳减排方面受到广泛关注。在概述微生物电合成系统基本原理的基础上,综述了系统阴极材料、操作条件以及还原产物3个方面的研究进展,同时还强调了微生物电合成技术在固碳机理、产能提升等方面的研究瓶颈。考虑到该系统的固碳潜力,未来应专注于对其固碳机理的研究,并通过开发高效固碳微生物、优化操作条件以及制备新型低成本阴极材料来提高其产量,以实现化学品的可持续生产和该技术在实际工程中的应用。

改性蓝藻生物炭促进微生物电合成系统产乙酸的机制研究

微生物电合成系统(MES)是一种以微生物作为催化剂,在阴极电驱动下还原CO_(2)产生简单化学品的新型碳捕获利用技术.为探究蓝藻生物炭在MES中的添加强化乙酸合成的潜力,本研究通过不同蓝藻生物炭的投加,检测乙酸合成性能及电子回收率,观察阴极微生物分布及形态特征,分析微生物群落结构特征,探究蓝藻生物炭添加对乙酸合成的影响及机制.结果表明,添加蓝藻生物炭(ABC)和过氧化氢改性蓝藻生物炭(ABC-H2O_(2)),使MES乙酸产量分别增加了33.8%和77.0%,电子回收率均有所上升,且ABC-H2O_(2)组电子回收率高于ABC组.分析蓝藻生物炭电子传递性能和氧化还原活性表明,经过氧化氢改性后的蓝藻生物炭表面含氧官能团数量增加,增强了电子传递能力及氧化活性,有利于微生物通过蓝藻生物炭介导进行间接电子传递.在微生物群落结构方面,蓝藻生物炭的添加降低了产乙酸菌丰度,但提高了微生物群落中电活性微生物和产氢微生物的丰度,使得产乙酸微生物获得更多的电子,实现乙酸合成性能增强.本研究揭示了蓝藻生物炭,特别是改性蓝藻生物炭对MES乙酸合成的强化作用,为强化MES还原CO_(2)产乙酸提供新的思路.

微生物电合成系统还原二氧化碳产甲烷的电势依赖性

二氧化碳(CO_2)资源化利用是近年来的一个研究热点,利用生物电化学系统还原CO_2生产能源物质是一种新兴技术.在微生物电合成系统(MES)中利用混合微生物富集阴极功能微生物,评估阴极电势对其还原CO_2产甲烷的影响.当阴极电势从-0.70 V降低到-0.90 V vs Ag/Ag Cl时,MES产甲烷的量和速率都在增加,最大的产甲烷量和速率分别达到了0.265 mol/m^2和0.025 mmol/h.与此同时,MES的电流密度从0.002 A/m^2增加到0.18 A/m^2,阴极产甲烷的库伦效率在49%和90%之间.当阴极电势更负时,MES阴极几乎不产甲烷.扫描电镜分析(SEM)表明,有多种不同形态的微生物吸附在阴极碳毡上,它们的形态主要呈杆状和球状.16S r DNA测序分析表明Methanobacterium是MES阴极生物膜上优势的产甲烷菌.本研究表明,微生物电合成系统还原CO_2产甲烷的阴极电势必须控制在适当的范围内,才能高效地还原CO_2产甲烷.

阴极大小对微生物电合成系统还原二氧化碳产有机物的影响

利用微生物电合成系统(microbial electrosynthesis system,MES)还原CO_2合成有附加值的有机物是环境领域的热门研究方向。使用微生物电合成系统,驯化富集具有电化学活性的阴极功能微生物,通过调整阴极的大小,评价其对CO_2还原的影响。设定阴极电势-0.8 V (vs Ag/AgCl),保持阳极面积为32 cm^2,调整阴极面积大小。在64 cm^2的阴极面积下,MES可以获得最大的有机物产量和最佳性能,电流密度可达到2.03 A·m^(-2),乙酸、丁酸的最大积累量分别为262.04 mg·L^(-1)和87.63 mg·L^(-1),总库伦效率达到91%。扫描电镜SEM分析表明,阴极碳毡上菌体数量较多,多为杆状菌和球菌。高通量菌群分析表明,Clostridium、Butyribacterium和Geobacter是MES阴极生物膜上的优势菌属,其丰度分别占总菌群的48.13%、7.8%和8.2%。在保证较小阳极面积的同时,适当增大阴极面积,确实可以提高MES还原CO_2合成有机物的产量及提升系统的库伦效率。

羧基改性阴极对微生物电合成系统产乙酸性能的影响机制

微生物电合成系统(microbial electrosynthesis systems,MESs)可利用微生物将二氧化碳转化为有价化合物,有望实现温室气体的资源化利用,然而,其合成效率仍需进一步提高.本研究通过电化学还原重氮盐反应将特定的官能团—COOH接枝到碳布电极表面,探究改性阴极对于MESs性能的影响.结果发现,经—COOH改性的阴极材料亲水性显著提高,而循环伏安扫描电流变弱. MESs在启动阶段性能差异最大,运行48 h,改性组CA-H、CA-M、CA-L的产氢速率是CK的21. 45、28. 60和22. 75倍;运行120 h,CA-H、CA-M和CA-L的乙酸累积浓度是CK的2. 01、2. 43和1. 44倍. MESs运行324 h后,各阴极的电化学活性无明显差异,生物膜蛋白量无明显差异(～0. 47 mg·cm^(-2)).阴极生物膜的群落结构分析发现,属水平上由Acetobacterium、norank_p_Saccharibacteria和Thioclava占据主导,总相对丰度占到59. 6%到82. 1%;各阴极之间产乙酸功能菌Acetobacterium的相对丰度差别不大(31. 3%～40. 1%),而消耗乙酸的norank_p_Saccharibacteria属在CA-H、CA-M、CA-L和CK的相对丰度分别为:16. 1%、24. 6%、31. 1%和37. 5%.羧基改性阴极对MESs的启动阶段影响较大,可为MESs的快速启动提供新的思路.

微生物电合成甲烷技术的研究进展

微生物电合成技术近年来已经成为环境、能源等领域的一项研究热点。作者系统总结和阐述了微生物电合成甲烷的研究结果,主要包括:微生物电合成系统的基本原理,对不同电极的改性研究和材料选择,不同运行条件对微生物电合成系统的影响和微生物电合成技术与厌氧发酵技术的耦合研究。

固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂,可以在处理废水的同时将CO2转化为甲烷,极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一,其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题,推导了微生物阴极电极反应动力学方程(Nernst-Monod方程),构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型,研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5 V (vs SHE)时,随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大,底物浓度降低;但当阴极电势降低至-0.5 V(vs SHE)后,生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和;低电导率(<10-3S/m)会导致生物膜内形成明显的电势差,使得底物利用速率降低,严重影响微生物阴极的性能;生物膜孔隙率控制在0.4时,微生物阴极可达到最佳电流密度。