Электрометаногенез

Электрометаногенез — это форма электротоплива производства , при которой метан получается путем прямого биологического преобразования электрического тока и углекислого газа . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Технологии производства метана вызывали интерес научного сообщества до 2000 года, но электрометаногенез не стал значительной областью интересов до 2008 года. С 2008 года количество публикаций, касающихся каталитического метана, увеличилось с 44 до более 130. ^{[ 4 ]} Электрометаногенез привлек больше исследований благодаря предлагаемым применениям. Производство метана из электрического тока может обеспечить подход к хранению возобновляемой энергии . ^{[ 1 ]}^{[ 4 ]} Электрический ток, производимый из возобновляемых источников энергии , может посредством электрометаногенеза превращаться в метан, который затем можно использовать в качестве биотоплива . ^{[ 1 ]}^{[ 4 ]} Это также может быть полезным методом улавливания углекислого газа, который можно использовать для очистки воздуха. ^{[ 1 ]}

В природе образование метана происходит биотически и абиотически . ^{[ 1 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Абиогенный метан производится в меньших масштабах, и необходимые химические реакции не требуют использования органических материалов . ^{[ 4 ]} Биогенный метан производится в анаэробной природной среде, где метан образуется в результате разложения органических материалов микробами или микроорганизмами. ^{[ 4 ]}^{[ 7 ]} Исследователи обнаружили, что процесс производства биогенного метана можно воспроизвести в лабораторных условиях посредством электрометаногенеза. ^{[ 4 ]}^{[ 7 ]} Восстановлению . CO ₂ при электрометаногенезе способствует электрический ток на биокатоде ( микробной электролизной ячейки МЭК) и с помощью микробов и электронов (уравнение 1) или абиотически полученного водорода (уравнение 2) ^{[ 1 ]}^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

(1) СО ₂ + 8Н ⁺ + 8е ⁻ ↔ СН ₄ + 2Н ₂ О

(2) CO ₂ + 4H ₂ ↔ CH ₄ + 2H ₂ O

Биокатод

Биокатод — это катод, используемый в микробной электролизной ячейке во время электрометаногенеза, который использует микроорганизмы для катализа процесса принятия электронов и протонов от анода. ^{[ 8 ]} Биокатод обычно изготавливается из дешевого материала, например углерода или графита, как анод в МЭК. ^{[ 5 ]} Популяция микробов, помещенная на биокатод, должна иметь возможность захватывать электроны из материала электрода (углерода или графита) и превращать эти электроны в водород. ^{[ 8 ]}^{[ 5 ]}

Механизм

Рисунок 1: Пример двухкамерной системы производства метана, в которой происходит электрометаногенез.

Механизм электрометаногенеза показан на рисунке 1. Вода вводится в систему с анодом, биокатодом и микробами. На аноде микробы притягивают молекулы H ₂ O, которые затем окисляются после включения электрического тока от источника питания. Кислород выделяется со стороны анода. Протоны и электроны, окисляющиеся из H ₂ O, движутся через мембрану и попадают в материал, из которого состоит биокатод. Новый микроб на биокатоде обладает способностью переносить новые электроны из материала биокатода и превращать их в протоны. Эти протоны затем используются в основном пути, который управляет производством метана в электрометаногенезе – восстановлении CO ₂ . CO ₂ подается на биокатодную сторону системы, где он восстанавливается протонами, вырабатываемыми микроорганизмами, с образованием H ₂ O и метана (CH ₄⁺). Метан производится, а затем может быть выпущен со стороны биокатода и сохранен. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}^{[ 9 ]}

Ограничения

Одним из ограничений являются потери энергии в биоэлектрохимических системах, производящих метан. Это происходит в результате перенапряжений , возникающих на аноде , мембране и биокатоде. Потери энергии значительно снижают эффективность. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Еще одним ограничением является биокатод. Поскольку биокатод очень важен для электронного обмена и образования метана, его состав может существенно повлиять на эффективность реакции. ^{[ 1 ]}^{[ 4 ]} Предпринимаются усилия по улучшению биокатодов, используемых в электрометаногенезе, путем объединения новых и существующих материалов, изменения формы материалов или применения различных «предварительных обработок» поверхности биокатода, тем самым увеличивая биосовместимость. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ченг, Шаоань; Син, Дефэн; Колл, Дуглас Ф.; Логан, Брюс Э. (15 мая 2009 г.). «Прямое биологическое преобразование электрического тока в метан путем электрометаногенеза» . Экологические науки и технологии . 43 (10): 3953–3958. Бибкод : 2009EnST...43.3953C . дои : 10.1021/es803531g . ISSN 0013-936X . ПМИД 19544913 .
^ Туомас Кангасниеми (7 апреля 2009 г.). «Проблемы с хранением солнечной энергии решены: бактерия питается электричеством и производит метан» . Технологии и экономика (на финском языке). Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г. Проверено 7 апреля 2009 г.
^ «Исследователи показывают прямое бактериальное производство метана из электричества и CO2» . Конгресс зеленых автомобилей . 30 марта 2009 года . Проверено 9 апреля 2009 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Бласко-Гомес, Рамиро; Батле-Виланова, По; Виллано, Марианна; Балагер, Мария Долорс; Колприм, Иисус; Пуч, Себастья (20 апреля 2017 г.). «На грани исследований и технологического применения: критический обзор электрометаногенеза» . Международный журнал молекулярных наук . 18 (4): 874. doi : 10.3390/ijms18040874 . ISSN 1422-0067 . ПМК 5412455 . ПМИД 28425974 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Батле-Виланова, По; Пуиг, Себастья; Гонсалес-Олмос, Рафаэль; Вилагелиу-Понс, Анна; Баньерас, Луис; Балагер, М. Долорс; Колприм, Иисус (16 января 2014 г.). «Оценка биотических и абиотических графитовых катодов для производства водорода в микробных электролизных ячейках» . Международный журнал водородной энергетики . 39 (3): 1297–1305. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.11.017 . ISSN 0360-3199 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Гепперт, Флориан; Лю, Дандан; ван Эртен-Янсен, Майк; Вайднер, Экхард; Бьюсман, Джис; тер Хейне, Анемик (01 ноября 2016 г.). «Биоэлектрохимическая энергия в газ: современное состояние и перспективы на будущее» . Тенденции в биотехнологии . 34 (11): 879–894. дои : 10.1016/j.tibtech.2016.08.010 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 27666730 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Хара, Масахиро; Онака, Ютака; Кобаяши, Хадзиме; Фу, Цянь; Кавагути, Хидео; Вилькаес, Хавьер; Сато, Козо (2013). «Механизм электрометаногенного восстановления CO2 термофильным метаногеном » Энергия 37 : 7021–7028. дои : 10.1016/j.egypro.2013.06.637 . ISSN 1876-6102 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Крез, Эльсемик; Перейра, Мария Альчина; Эйверинк, Герт-Ян В.; Стамс, Альфонс Дж. М.; Гилхуд, Джанин С. (декабрь 2011 г.). «Анализ микробного сообщества биокатода микробной электролизной ячейки, производящей водород» . Прикладная микробиология и биотехнология . 92 (5): 1083–1093. дои : 10.1007/s00253-011-3583-x . ISSN 0175-7598 . ПМК 3210952 . ПМИД 21983651 .
^ Чжоу, Хуэйхуэй; Син, Дефэн; Сюй, Минъи; Ангелидаки, Ирини; Чжан, Ифэн (2019). «Самая высокая скорость производства метана за всю историю путем электрометаногенеза с использованием интактного анаэробного гранулированного ила в качестве биокатода» . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[:1-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ченг, Шаоань; Син, Дефэн; Колл, Дуглас Ф.; Логан, Брюс Э. (15 мая 2009 г.). «Прямое биологическое преобразование электрического тока в метан путем электрометаногенеза» . Экологические науки и технологии . 43 (10): 3953–3958. Бибкод : 2009EnST...43.3953C . дои : 10.1021/es803531g . ISSN 0013-936X . ПМИД 19544913 .

[TT-2] Туомас Кангасниеми (7 апреля 2009 г.). «Проблемы с хранением солнечной энергии решены: бактерия питается электричеством и производит метан» . Технологии и экономика (на финском языке). Архивировано из оригинала 17 июля 2011 г. Проверено 7 апреля 2009 г.

[Green_Car-3] «Исследователи показывают прямое бактериальное производство метана из электричества и CO2» . Конгресс зеленых автомобилей . 30 марта 2009 года . Проверено 9 апреля 2009 г.

[:0-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л Бласко-Гомес, Рамиро; Батле-Виланова, По; Виллано, Марианна; Балагер, Мария Долорс; Колприм, Иисус; Пуч, Себастья (20 апреля 2017 г.). «На грани исследований и технологического применения: критический обзор электрометаногенеза» . Международный журнал молекулярных наук . 18 (4): 874. doi : 10.3390/ijms18040874 . ISSN 1422-0067 . ПМК 5412455 . ПМИД 28425974 .

[:2-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Батле-Виланова, По; Пуиг, Себастья; Гонсалес-Олмос, Рафаэль; Вилагелиу-Понс, Анна; Баньерас, Луис; Балагер, М. Долорс; Колприм, Иисус (16 января 2014 г.). «Оценка биотических и абиотических графитовых катодов для производства водорода в микробных электролизных ячейках» . Международный журнал водородной энергетики . 39 (3): 1297–1305. doi : 10.1016/j.ijhydene.2013.11.017 . ISSN 0360-3199 .

[:3-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Гепперт, Флориан; Лю, Дандан; ван Эртен-Янсен, Майк; Вайднер, Экхард; Бьюсман, Джис; тер Хейне, Анемик (01 ноября 2016 г.). «Биоэлектрохимическая энергия в газ: современное состояние и перспективы на будущее» . Тенденции в биотехнологии . 34 (11): 879–894. дои : 10.1016/j.tibtech.2016.08.010 . ISSN 0167-7799 . ПМИД 27666730 .

[:4-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Хара, Масахиро; Онака, Ютака; Кобаяши, Хадзиме; Фу, Цянь; Кавагути, Хидео; Вилькаес, Хавьер; Сато, Козо (2013). «Механизм электрометаногенного восстановления CO2 термофильным метаногеном » Энергия 37 : 7021–7028. дои : 10.1016/j.egypro.2013.06.637 . ISSN 1876-6102 .

[:5-8] Перейти обратно: ^а ^б Крез, Эльсемик; Перейра, Мария Альчина; Эйверинк, Герт-Ян В.; Стамс, Альфонс Дж. М.; Гилхуд, Джанин С. (декабрь 2011 г.). «Анализ микробного сообщества биокатода микробной электролизной ячейки, производящей водород» . Прикладная микробиология и биотехнология . 92 (5): 1083–1093. дои : 10.1007/s00253-011-3583-x . ISSN 0175-7598 . ПМК 3210952 . ПМИД 21983651 .

[9] Чжоу, Хуэйхуэй; Син, Дефэн; Сюй, Минъи; Ангелидаки, Ирини; Чжан, Ифэн (2019). «Самая высокая скорость производства метана за всю историю путем электрометаногенеза с использованием интактного анаэробного гранулированного ила в качестве биокатода» . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]