CN102925492A - 一种利用生物电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用生物电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸并利用阴极极化电势对微生物代谢产物进行调控的方法。在生物电化学系统中制备生物阴极，在阴极室和阳极室中通入CO2循环曝气，设定阴极极化电势-850mV～-1150mV(vs.Ag/AgCl)，阴极上的微生物可以直接从电极或电极产生的氢气获得电子进行二氧化碳还原，并生成甲烷和乙酸。微生物合成产物甲烷和乙酸可以通过设定不同的阴极极化电位实现调控。本发明的电极无需使用昂贵的催化剂，成本低；还原二氧化碳生成甲烷和乙酸的速率较快，对于二氧化碳固定转化并合成有机化学品具有重要应有前景。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化碳生物电化学还原，属于二氧化碳的资源化利用技术领域，具体涉及一种利用生物电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸，并利用阴极极化电势对微生物代谢产物进行调控的方法。
背景技术
气候变暖已经成为了一个全球性的气候问题，而二氧化碳是全球最主要的温室气体。随着人口的增长、现代工业和交通运输的发展，二氧化碳排放量不断增加，其中以化石燃料为主要能源的电力生产，煤燃烧的污染物排放一直是环境保护中关注的焦点问题。二氧化碳减排成为了一个全球话题和科研热点。
二氧化碳的深埋储存方法(201010108130.9)可以使废弃的空井或低产油井得到再利用，固然对减少温室效应有一定的积极作用，但是难于达到完全破解温室效应，更不能循环利用。如何将多余的未参与碳循环的二氧化碳转变为燃料和化工产品，既可解决环境问题又能实现可持续发展，这已经成为世界各国科学家努力探索的问题。目前我国处于领先水平的采用二氧化碳合成二氧化碳基聚合物技术，作为节能环保型塑料原料具有良好的发展前景(201010288105.3)。此外，二氧化碳经电化学氢化还原反应生成甲酸、甲烷、乙醇、甲醛等有机化合物(200810058543.3)以及通过电化学催化还原二氧化碳制备甲酸(201110078394.9)，甲醇(201010266161.7)等方式都能进行二氧化碳的资源化利用，但存在处理成本高，需要贵金属催化剂，耗能大，环境友好性差等缺点。
生物电化学系统是近年来迅速发展的新技术。利用生物阴极的生物电化学系统还原二氧化碳来生产甲烷的研究已有报道(WO2009/155587A2)。该方法使用生物阴极作为催化剂，无需氢气及有机物的添加便可以合成甲烷。纯培养研究表明，多种产乙酸菌均能消耗电流产生有机酸(Kelly P.Nevin,et al.,2011)。但是，在没有外加有机物质及氢气的电化学系统中，利用混合菌群还原二氧化碳生产甲烷和乙酸，并利用阴极极化电势调控代谢产物的方法还未见报道。
发明内容
本发明的目的是发明一种利用生物电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸，并利用阴极极化电势对微生物代谢产物进行调控的方法。其特征是厌氧污泥在生物电化学系统阴极富集产甲烷菌和产乙酸菌及其它菌的混合菌群，所述产甲烷菌包括Methanocorpusculum sinense，Methanobacterium alcaliphilum，所述产乙酸菌包括Acetobacteriumwieringae和Acetobacterium paludosum，其他有用的菌包括Wolinellasuccinogenes，Desulfovibrio aminophilus和Bacteroides uniformis。
通过生物电化学途径，将二氧化碳还原为乙酸和甲烷，并通过阴极极化电势调控代谢产物。本发明克服了现有技术操作条件复杂，能耗高，需要贵金属催化剂，成本高的不足。
本发明所述的一种利用生物电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸的方法是在生物电化学系统中制备生物阴极，在阴极室和阳极室中通入CO2循环曝气，设定阴极极化电势，阴极上的由接种厌氧污泥而富集的产甲烷菌和产乙酸菌及其他菌直接从电极获得电子和/或从电极产生的氢气获得电子来进行二氧化碳还原，并生成甲烷和乙酸。
其中，设定阴极极化电势为-850mV～-1150mV(vs.Ag/AgCl)，其中阴极极化电势在-850mV到-950mV(vs Ag/AgCl)时甲烷生成；而在极化电势低于-950mV时，除甲烷生成外、乙酸开始积累。
在制备生物阴极时，阴极室中通入CO2与H2混合气体；CO2:H2比例为6-10:4-0。(例如CO2与H2的比例可以是6：4，也可以是7：3，也可以是8：2等)。
阳极室中阳极采用碳毡、钛网、钛板或钛基二氧化钛电极；所述阴极室中阴极采用碳毡作为导电生物载体。
进一步地，本发明是通过以下步骤实现的：
(1)生物电化学装置的构建
生物电化学装置为双室反应器构型(图1)，包括恒电位仪4、阳离子交换膜3、循环泵5、储气袋6、阴极室1和阳极室2。阴极室1中插入工作电极与参比电极，阳极室2中插入辅助电极；两室之间以阳离子交换膜3分开。阳极室中阳极采用碳毡、钛网、钛板或钛基二氧化钛电极(DSA电极)，阴极室中阴极采用碳毡作为导电生物载体。
(2)阴极液和阳极液的制备
阳极液：0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH 6.0)
阴极液成分如下：
K2HPO4·3H2O 3.0096g·L-1,KH2PO411.8048g·L-1,NaHCO36.0g·L-1，NaCl 1g·L-1,NH4Cl 1.0g·L-1,CaCl20.2g·L-1，MgSO4·7H2O 0.15g·L-1,FeCl225mg·L-1,CoCl2·2H2O 5mg·L-1,MnCl2·4H2O 5mg·L-1,AlCl3 2.5mg·L-1,(NH4)6Mo7O24 15mg·L-1,H3BO35mg·L-1,NiCl2·6H2O 0.5mg·L-1,CuCl2·2H2O 3.5mg·L-1,ZnCl25mg·L-1。
(3)生物阴极制备
本实验在氢气与电极两种电子供体的环境压力下进行功能菌的驯化。在生物电化学系统阴极室中加入220mL阴极液，并接种20mL厌氧污泥。同时在阳极室中加入240mL阳极液。然后阳极室中通入纯CO2(纯度>99.999%)进行循环曝气。在阴极室中通入CO2与H2混合气体，CO2:H2比例为6-10:4-0，进行循环曝气并做四个周期。阴极室和阳极室的曝气速率均为50mL/min，同时，设定阴极极化电势为-950mV(vs.Ag/AgCl)并作为另一个电子供体来提供电子。每个周期时间为10天。每个周期结束后，置换90%的阴极室液体并监测甲烷和乙酸的积累量。最后置换100%的阴极室液体，在两室中均通入纯CO2进行循环曝气，2天后发现气相组分中有甲烷产生。说明阴极生物膜已经形成。
(4)生物电化学反应器的运行
将阴极液培养基和阳极液磷酸缓冲溶液分别装入含阴极生物膜的阴极室和阳极室。然后向两室中均通入纯CO2进行循环曝气，曝气速率均为50mL/min。最后，将所述装置通过导线接入恒电位仪，设定阴极极化电势范围-850mV～-1150mV(vs.Ag/AgCl)。阴极极化电势在-850mV到-950mV时(vs Ag/AgCl)，甲烷生成。而在极化电势低于-950mV时，除甲烷生成外，乙酸开始积累。
本发明的有益效果：
(1)微生物可以直接从电极或电极产生的氢气获得电子进行二氧化碳还原，并生成甲烷和乙酸。电极无需使用昂贵的催化剂，成本低。
(2)微生物合成产物甲烷和乙酸可以通过设定不同的阴极极化电势实现调控。
(3)本发明还原二氧化碳生成甲烷和乙酸的速率较快。对于二氧化碳固定转化并合成有机化学品具有重要应有价值。
附图说明
图1为本发明生物电化学装置示意图。其中1阴极室；2阳极室；3阳离子交换膜；4恒电位仪；5循环泵；6储气袋。
具体实施方式
以下结合实施例详细地说明本发明。实施方案为便于更好的理解本发明，但并非对本发明的限制。本领域技术人员应该理解，依然可以对发明进行修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之中。
实施例1：混合菌群的产甲烷及乙酸性能。
(1)生物电化学反应装置的构建
生物电化学装置为双室反应器构型(图1)，包括恒电位仪4、循环泵5、储气袋6、阴极室1和阳极室2。阴极室1中插入工作电极与参比电极，阳极室2中插入辅助电极；工作电极和辅助电极均采用碳毡(7.0cm×7.0cm)。两室之间以阳离子交换膜3分开。
(2)阴极室溶液和阳极室溶液的制备
阳极室液：0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液(pH 6.0)
阴极室液成分如下：
K2HPO4·3H2O 3.0096g·L-1,KH2PO411.8048g·L-1,NaHCO36.0g·L-1，NaCl 1g·L-1,NH4Cl 1.0g·L-1,CaCl20.2g·L-1，MgSO4·7H2O 0.15g·L-1,FeCl225mg·L-1,CoCl2·2H2O 5mg·L-1,MnCl2·4H2O 5mg·L-1,AlCl32.5mg·L-1,(NH4)6Mo7O2415mg·L-1,H3BO35mg·L-1,NiCl2·6H2O 0.5mg·L-1,CuCl2·2H2O 3.5mg·L-1,ZnCl25mg·L-1。
(3)生物阴极制备
本实验采用氢气与电极两种电子供体进行功能菌的驯化。在生物电化学系统阴极室中加入220mL阴极液，并接种20mL厌氧污泥。同时在阳极室中加入240mL阳极液。然后阳极室中通入纯CO2(纯度>99.999%)进行循环曝气。在阴极室中通入CO2与H2混合气体(比例分别为6:4，7:3，8:2，9:1)进行循环曝气做四个周期。阴极室和阳极室的曝气速率均为50mL/min，同时，设定阴极极化电势为-950mV(vs.Ag/AgCl)并作为另一个电子供体来提供电子。每个周期为10天。每个周期结束后，置换90%的阴极室液体并监测甲烷和乙酸的积累量。最后置换100%的阴极室液体，在两室中均通入纯CO2进行循环曝气，2天后发现气相组分中有甲烷产生。说明阴极生物膜已经形成。
(4)生物电化学反应器的运行
将阴极液培养基和阳极液磷酸缓冲溶液分别装入含阴极生物膜的阴极室和阳极室。然后向两室中均通入纯CO2进行循环曝气，曝气速率均为50mL/min。最后，将所述装置通过导线接入恒电位仪，设定阴极极化电势分别为-950和-1050mV(vs.Ag/AgCl)。定量分析氢气、甲烷和乙酸的生成。空白对照与二个批次试验结果见表1：
表1批次试验氢气、甲烷、乙酸的生成速率
OCV：开路电压；对照1：加电不加菌；对照2：加电不加菌；对照3：开路电压(OCV)，即加菌不加电。
实施例2：不同阴极极化电势对混合菌群的代谢产物进行调控
在生物阴极制备成功以后，设定阴极极化电势从-850mV到-1150mV(vs.Ag/AgCl),定量分析氢气、甲烷和乙酸的生成。试验结果见表2：
表2不同电势下氢气、甲烷、乙酸的生成速率
Claims (5)
1.一种利用生物电化学系统还原二氧化碳生产甲烷和乙酸的方法，其特征在于，在生物电化学系统中制备生物阴极，在阴极室和阳极室中通入CO2循环曝气，设定阴极极化电势，阴极上的由接种厌氧污泥而富集的产甲烷菌和产乙酸菌及其他菌直接从电极获得电子和/或从电极产生的氢气获得电子来进行二氧化碳还原，并生成甲烷和乙酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设定阴极极化电势为-850mV～-1150mV(vs.Ag/AgCl)。
3.根据专利要求1所述的方法，其特征在于，在制备生物阴极时，阴极室中通入CO2与H2混合气体；CO2:H2比例为6-10:4-0。
4.根据权利要求1所述的方法，所述阳极室中阳极采用碳毡、钛网、钛板或钛基二氧化钛电极；所述阴极室中阴极采用碳毡作为导电生物载体。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，阴极极化电势在-850mV到-950mV(vs Ag/AgCl)时甲烷生成；而在极化电势低于-950mV时，除甲烷生成外、乙酸开始积累。
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