從CO 2產(chǎn)生物質(zhì)的微生物電解

由于對增加的對策之一CO 2是導(dǎo)致全球氣候變化，化學(xué)固定CO 2，隔離在地下或大海（CCS：碳捕獲和儲存），工業(yè)，農(nóng)業(yè)等碳捕獲和利用（ CCU) 正在嘗試中。CCU 之一是微生物電解槽 (MEC)，它使用電、微生物和廢物。電解是通過施加電壓在陽極側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)而在陰極側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)的方法。另一方面，微生物維持生命活動的能量獲取（分解代謝）伴隨著體內(nèi)的氧化還原反應(yīng)。氧化定義為從物質(zhì)中去除電子，還原定義為提供電子。向他人提供電子的物質(zhì)稱為電子供體（如葡萄糖），接受電子的物質(zhì)稱為電子受體（如氧）。這樣，電解和微生物代謝以同樣的方式基于氧化還原反應(yīng)。近，發(fā)現(xiàn)了具有有趣能力的微生物，可以直接利用電解陰極提供的電子進(jìn)行代謝，并將CO 2轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的資源，如甲烷（CH 4）和有機(jī)酸，MEC生產(chǎn)物質(zhì)的研究已經(jīng)開始。

下圖展示了 MEC 的基本機(jī)制。這種方法有很多種，圖中顯示了使用CO 2的典型設(shè)備。陽極和陰極安裝在由隔膜隔開的兩個(gè)槽中。接受電子并產(chǎn)生物質(zhì)的微生物在陰極槽中培養(yǎng)。輔助氧化反應(yīng)的微生物可能會或可能不會在陽極槽中培養(yǎng)。陽極，通過氧化反應(yīng)（e -）從電子供體中取出電子。此時(shí)，污泥和生活廢水等廢物可作為額外的電子供體，促進(jìn)反應(yīng)。提取的電子通過如圖所示的線移動到陰極。同時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)子 (H + ) 也通過隔膜移動到陰極室。CO 2從外部供給至陰極槽。附著在陰極上的微生物接收電子并從CO 2和 H +產(chǎn)生甲烷和有機(jī)酸。例如甲烷的半反應(yīng)生成CO 2 + 8H + + 8e - → CH 4 + 2H 2變成O。理論上 1 摩爾 CO 2而 8 摩爾電子多可產(chǎn)生 1 摩爾甲烷。原則上，消耗電力是為了讓電子流動，但通過利用太陽能和風(fēng)力發(fā)電等剩余電力，將電力作為甲烷等氣體燃料（Power to Gas）進(jìn)行儲存，關(guān)于賦予其作用的討論也在進(jìn)行中。目前，世界范圍內(nèi)正在開展各種研究，以擴(kuò)大設(shè)備規(guī)模和提高反應(yīng)速度。

微生物電解有效利用CO ₂的基本原理