Электрометаногенез — форма производства электротоплива, в которой метан производится путем прямого биологического преобразования электрического тока и диоксида углерода.
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. Электрометаногенез привлек большое внимание из-за предлагаемых приложений. Производство метана с помощью электрического тока может обеспечить хранение возобновляемой энергии. 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. Абиогенный метан производится в меньших масштабах, и необходимые химические реакции не используют органических веществ. Биогенный метан образуется в анаэробных природных средах, где метан образуется в результате разложения органических материалов микробами или микроорганизмами. 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. Биокатод обычно изготавливается из дешёвого материала, такого как углерод или графит, как и анод. Популяция микробов, помещенная на биокатод, должна улавливать электроны из материала электрода (углерода или графита) и преобразовывать эти электроны в водород.
Механизм
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.
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. Ещё одно ограничение — биокатод. Поскольку биокатод так важен для электронного обмена и образования метана, его состав в значительной мере влияет на эффективность реакции. 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 Биоэлектрохимический реактор Электрохимическое преобразование энергии Электрохимическая инженерия Электрохимическое восстановление диоксида углерода Электрогидрогенез Микробные топливные элементы Фотоэлектролиз Реакция Сабатье
Примечания
Категория:Биотехнология Категория:Электрохимия Категория:Производство топлива