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将碳排放转化为有用的化学物质

2021-03-23 15:19:12 中国航空报 逸文

质子的供应促进了用于醋酸盐和挥发性脂肪酸生产的CO电合成。

快速的全球城市化极大改变了地球的面貌,温室气体污染了我们的大气层,并导致全球变暖。现在急需控制人类活动,为子孙后代,寻找更加可持续的替代方式来保护我们星球的剩余资源。

二氧化碳(CO)一氧化碳(CO)在工业烟气中占很大比例。最近的研究表明,某些微生物能够将这些气体代谢成有用的副产物。因此,现在科学家正尝试利用微生物回收这些气体,将其转化为有用的化学品。这个过程称为“碳捕获和利用”(carbon capture and utilization (CCU))。这在目前普遍实施的"碳捕获和储存"(carbon capture and storage (CCS))的基础上又更进了一步。

然而,这种CCU需要高能量投入,使得这一过程的大规模应用变得困难并且昂贵。那么,如何优化此过程以获得最大输出?

一个由韩国釜山国立大学Jung Rae Kim教授领导的研究小组对生物电化学系统(Bioelectrochemical system,BES,一个较新的碳捕获和存储系统)所出现的问题进行了回答。Kim教授解释说:“我们开发了一种‘生物电合成工艺’,其中通过使用电力作为还原驱动力,电活性细菌能将CO/CO2转化成有用的代谢物,如醋酸盐和挥发性脂肪酸。科学家们能够优化BES,相较于当前的CO气体系统,能将其效率提高2到6倍。”他们的研究结果发表在《生物资源技术》杂志上。

他们使用的两室BES具备几个特殊功能以实现这一点。阴极含有电活性生物膜,阳极通过水电解产生氢离子。这些腔室由离子交换膜(ion exchange membrane,IEM)分割,控制质子和电子在腔室之间的流动。此外,前者含有微生物培养介质,后者则包含控制系统初始pH的机制。此外,还使用了醌电子介质。

他们发现,如果给予合适的IEM(允许质子而不是氧气通过的IEM),阳极室中的酸性pH导致跨膜的质子浓度梯度升高,这是提高醋酸盐产量与在阴极室中合成较长链脂肪酸的关键。醌电子介质提升了电子转移量,增加了产物产量。

Kim教授指出,由于CO比CO还原性更强,这样就不难理解,CO的库仑效率是CO的两倍。CO是大多数钢铁厂的工业废气处理和生物质气化过程中的主要成分。通过该BES转换,它将成为各种生物处理中的价值原料。这是第一个通过BESs使得CO转换在商业上可行的研究。Kim教授进一步强调了这些应用:“微生物自我复制,使BES成为一种经济型解决方案,再结合我们已实现的效率和创建的优化系统,应该能使工业界对此产生足够的兴趣,以至于有望在5年内实现相应的商业工业机会。” 

责任编辑:实习编辑