CN113265673A - 将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法 - Google Patents

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张甜
冯渝骅
许梦莹
施晓晨
皮埃尔
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Abstract

本发明公开了一种将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法。该方法将原料夏威夷果壳碳化和/或活化后，作为导电且有生物兼容性的夏威夷果壳阴极材料，用于微生物电还原二氧化碳合成乙酸。本发明具有低成本，来源广，绿色环保的特点，对环境保护和可再生能源的开发利用以及废物二次利用有着积极的意义。

Description

将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法
技术领域
本发明涉及一种将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法，属于生物电化学技术领域。
背景技术
随着世界工业化不断地深入和全面，对资源的需求也逐渐增大，但是资源是有限的，因此可再生资源和能源将成为社会发展的必要选择。基于微生物的可再生资源生产是一种几乎无副作用的生产方式。
微生物电合成技术通过利用电活性细菌，如Sporomusa Ovata，Geobacter等，将电子和电子受体，如二氧化碳，一氧化碳等还原为有经济价值的化学物质，通常产物有甲醇、乙酸、乙醇和丙酸等。微生物电合成技术是一种安全的，绿色的生物电化学技术，它可以将难以储存的电能转化为安全易储存的化学能，并且可以有效还原二氧化碳，降低碳排放，促进碳循环。
影响微生物电合成效果的关键在于电极的材料，而一个好的电极材料需要高额的制作成本。夏威夷果有着很大的消费市场,但是对夏威夷果壳的处理一直没有环保的办法。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法，以解决上述背景技术中的问题。
为达成上述目的，本发明提供如下技术方案：将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法，将原料夏威夷果壳碳化和/或活化后，作为导电且有生物兼容性的夏威夷果壳阴极材料，用于微生物电还原二氧化碳合成乙酸。
作为优选，所述原料为废弃的、新鲜的或深加工处理后的夏威夷果壳。
作为优选，所述碳化和/或活化的具体过程为：将原料夏威夷果壳与草酸钾或氢氧化钾以质量比1∶1.5-2.5的比例混合，放入反应釜中在210℃下反应10-12h；将经过反应获得的果壳用纯水洗净后在55℃真空下干燥；将干燥后的果壳放入管式炉中通惰性气体至少30min，然后将管式炉升温至700℃，保持2h；降温后将果壳取出，泡入1M的盐酸溶液中24h以上，随后用水将其冲洗至中性，获得夏威夷果壳阴极材料。
作为优选，所述微生物为带电活性的微生物。
作为优选，所述微生物为Sporomusa ovata。
作为优选，在微生物电还原的任意过程中使用夏威夷果壳阴极材料。
本发明与现有技术相对比，其有益效果在于：本发明通过碳化，活化处理夏威夷果壳，使其具有导电性，并可以作为微生物电合成系统中的阴极材料，有效降低成本，减轻社会对生活垃圾的处理压力，降低碳排放。本发明具有低成本，来源广，绿色环保的特点，对环境保护和可再生能源的开发利用以及废物二次利用有着积极的意义。
附图说明
图1是通过本发明的方法电流和乙酸浓度差随时间变化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。
实施例
将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法，包括如下步骤：
S1、微生物电合成阴极材料制备
夏威夷果壳是夏威夷果果肉去除后的部分，通常地来说是没有利用价值的，但是夏威夷果壳的主要组成成分是木质纤维，有着良好的碳骨架结构，作为电极材料，它不需要再通过额外的方式成型，本身作为碳骨架以及天然的来源，有着良好的生物兼容性，适合微生物的生长。
首先将废弃夏威夷果壳洗净，将果壳与草酸钾或氢氧化钾以质量比1∶1.5-2.5的比例混合，放入聚四氟乙烯内胆中，并加满水，放入反应釜中，将反应釜置于恒温干燥箱中，在210℃下恒温反应12h。将获得的产品用纯水冲洗至少5遍后，在55℃真空下干燥4h。将干燥后的果壳放入石英坩埚中，将坩埚放入管式炉中，通惰性气体至少30min。之后将管式炉升温至700℃，保持2h。降温后将果壳拿出，泡入1M的盐酸溶液中24h以上，随后用水将其冲洗至中性，获得夏威夷果壳阴极材料。
S2、电合成细菌培养
微生物的培养：将保存在冻存管里的产乙酸菌Sporomusa ovata DSM 2662在N2-CO2(80:20)气氛下、含40mM甜菜碱的311培养基中活化；待菌体生长到OD＝0.8时，传代到N2-H2(20:80)气氛下、311培养基中扩大生长(无甜菜碱)。
S3、双室H型电解池的构建
双室H型电解池包含阳极、阳极室、阴极和阴极室，阳极室和阴极室通过质子交换膜(nafion115)分隔，阳极一般采用低价的石墨电极，阴极采用碳化夏威夷果壳阴极，在阴极一侧插入参比电极Ag/AgCl，在阳极室和阴极室中均加入311培养基。
其中311培养基的配方如下表所示:
化合物 浓度(g/L)
MgSO4×7H2O 0.5
NH4Cl 0.5
CaCl2×2H2O 0.25
NaCl 2.25
FeSO4×7H2O 0.002
NaHCO3 0.002
K2HPO4 0.348
KH2PO4 0.227
将扩大培养生长后的Sporomusa ovata DSM 2662接种至双室H型电解池的阴极室中进行培养，培养温度保持在25～30℃，并保持搅拌；同时阴极电势为-1200mV vs SHE，阳极室持续通入N2-CO2(80:20)气体，阴极室最初持续通入N2-CO2-H2(83:10:7)气体，运行5～6天后，再持续通入N2-CO2(80:20)气体，继续运行4天；收集菌液，测定乙酸含量。
代谢产物的含量测试：从阴阳极两侧各取1mL菌液经过两次离心，取上清液后，进行液相色谱分析，得到乙酸浓度。如图1所示，电池运行时间为4天，通过计算得到实际产乙酸速率为61.27mmol m-2d-1，通过电化学工作站的I-T曲线及数据，得出平均电流-0.0079A。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.将夏威夷果壳用于生物二氧化碳还原电合成乙酸的方法，其特征在于，将原料夏威夷果壳碳化和/或活化后，作为导电且有生物兼容性的夏威夷果壳阴极材料，用于微生物电还原二氧化碳合成乙酸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原料为废弃的、新鲜的或深加工处理后的夏威夷果壳。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化和/或活化的具体过程为：将原料夏威夷果壳与草酸钾或氢氧化钾以质量比1∶1.5-2.5的比例混合，放入反应釜中在210℃下反应10-12h；将经过反应获得的果壳用纯水洗净后在55℃真空下干燥；将干燥后的果壳放入管式炉中通惰性气体至少30min，然后将管式炉升温至700℃，保持2h；降温后将果壳取出，泡入1M的盐酸溶液中24h以上，随后用水将其冲洗至中性，获得夏威夷果壳阴极材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微生物为带电活性的微生物。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述微生物为Sporomusa ovata。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在微生物电还原的任意过程中使用夏威夷果壳阴极材料。
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