Электрометаногенез

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис

Электрометаногенез — форма производства электротоплива, в которой метан производится путем прямого биологического преобразования электрического тока и диоксида углерода[1][2][3][4].

Технологии производства метана вызывали интерес научного сообщества до 2000 года, но электрометаногенез оставался вне области интереса до 2008 года. С 2008 года количество публикаций, касающихся каталитического метанирования, увеличилось с 44 до более 130[4]. Электрометаногенез привлек большое внимание из-за предлагаемых приложений. Производство метана с помощью электрического тока может обеспечить хранение возобновляемой энергии[1]. Электрический ток, производимый из возобновляемых источников энергии, можно посредством электрометаногенеза преобразовать в метан, который затем использовать в качестве биотоплива . Электрометаногенез также можно рассматривать как метод улавливания диоксида углерода и использовать для очистки воздуха.

В природе образование метана происходит биотически и абиотически[1][5][6]. Абиогенный метан производится в меньших масштабах, и необходимые химические реакции не используют органических веществ[4]. Биогенный метан образуется в анаэробных природных средах, где метан образуется в результате разложения органических материалов микробами или микроорганизмами[7]. Исследователи обнаружили, что процесс производства биогенного метана можно воспроизвести в лабораторных условиях посредством электрометаногенеза. Снижение СО2 при электрометаногенезе облегчается с помощью электрического тока на биокатоде в микробной электролитической клетке и с помощью микробов и электронов (уравнение 1) или абиотически получаемого водорода (уравнение 2).

(1) CO2 + 8H + + 8e - ↔ CH4 + 2H2O

(2) CO2 + 4H 2 ↔ CH4 + 2H2O

Биокатод

Биокатод — это катод, используемый в микробной электролизной ячейке во время электрометаногенеза. Микроорганизмы в данном случае используется для катализирования процесса принятия электронов и протонов от анода[8]. Биокатод обычно изготавливается из дешевого материала, такого как углерод или графит, как и анод[5]. Популяция микробов, помещенная на биокатод, должна улавливать электроны из материала электрода (углерода или графита) и преобразовывать эти электроны в водород.

Механизм

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

Механизм электрометаногенеза представлен на рисунке 1. Вода вводится в систему с анодом, биокатодом и микробами. На аноде микробы притягивают молекулы H2O, которые затем окисляются после включения электрического тока от источника питания. Кислород выделяется со стороны анода. Протоны и электроны, окисленные из H2O, проходят через мембрану, где они попадают в материал, составляющий биокатод. Новый микроб на биокатоде обладает способностью переносить новые электроны из материала биокатода и преобразовывать их в протоны. Эти протоны затем используются в основном пути, который управляет образованием метана в электрометаногенезе, - восстановлении CO2. CO2 поступает на биокатодную сторону системы, где он восстанавливается протонами, продуцируемыми микроорганизмами, с образованием H2O и метана (CH4+). Производится метан, который затем может быть выпущен со стороны биокатода и сохранен[4][6][7][9].

Ограничения

Одним из ограничений является потеря энергии в биоэлектрохимических системах, производящих метан. Это происходит в результате перенапряжения на аноде, мембране и биокатоде. Потери энергии значительно снижают эффективность процесса[4][6][7]. Еще одно ограничение — биокатод. Поскольку биокатод так важен для электронного обмена и образования метана, его состав в значительной мере влияет на эффективность реакции[1]. Предпринимаются попытки улучшить биокатоды, используемые в электрометаногенезе, путем комбинирования новых и существующих материалов, изменения формы материалов или применения различных «предварительных обработок» поверхности биокатода, тем самым повышая биосовместимость.

См. также

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Cheng (2009-05-15). «Direct Biological Conversion of Electrical Current into Methane by Electromethanogenesis». Environmental Science & Technology 43 (10): 3953–3958. doi:10.1021/es803531g. ISSN 0013-936X. PMID 19544913. Bibcode: 2009EnST...43.3953C.
  2. ↑ Tuomas Kangasniemi (2009-04-07). «Aurinkosähkön varastoinnin ongelmat ohi: bakteeri syö sähköä, tekee metaania» (fi). Tekniikka & Talous. Проверено 2009-04-07.
  3. ↑ Researchers Show Direct Bacterial Production of Methane from Electricity and CO2. Green Car Congress (30 March 2009). Дата обращения: 9 апреля 2009.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Blasco-Gómez (2017-04-20). «On the Edge of Research and Technological Application: A Critical Review of Electromethanogenesis». International Journal of Molecular Sciences 18 (4). doi:10.3390/ijms18040874. ISSN 1422-0067. PMID 28425974.
  5. ↑ 5,0 5,1 Batlle-Vilanova (2014-01-16). «Assessment of biotic and abiotic graphite cathodes for hydrogen production in microbial electrolysis cells» (en). International Journal of Hydrogen Energy 39 (3): 1297–1305. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.11.017. ISSN 0360-3199.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Geppert (2016-11-01). «Bioelectrochemical Power-to-Gas: State of the Art and Future Perspectives» (en). Trends in Biotechnology 34 (11): 879–894. doi:10.1016/j.tibtech.2016.08.010. ISSN 0167-7799. PMID 27666730.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Hara (2013). «Mechanism of Electromethanogenic Reduction of CO2 by a Thermophilic Methanogen». Energy Procedia 37: 7021–7028. doi:10.1016/j.egypro.2013.06.637. ISSN 1876-6102.
  8. ↑ Croese (December 2011). «Analysis of the microbial community of the biocathode of a hydrogen-producing microbial electrolysis cell». Applied Microbiology and Biotechnology 92 (5): 1083–1093. doi:10.1007/s00253-011-3583-x. ISSN 0175-7598. PMID 21983651.
  9. ↑ Zhou (2019). «The Highest Methane Production Rate Ever by Electromethanogenesis Using Intact Anaerobic Granular Sludge as Biocathode» (English).

 

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Электрометаногенез&oldid=11446155