Elektrometanogeneza
Elektrometanogeneza to forma produkcji elektropaliw , w której metan powstaje w wyniku bezpośredniej biologicznej konwersji prądu elektrycznego i dwutlenku węgla .
Technologie wytwarzania metanu wzbudziły zainteresowanie społeczności naukowej przed 2000 rokiem, ale elektrometanogeneza stała się znaczącym obszarem zainteresowania dopiero w 2008 roku. Publikacje dotyczące metanizacji katalitycznej wzrosły od 2008 roku z 44 do ponad 130. Elektrometanogeneza przyciągnęła więcej badań ze względu na proponowane zastosowania . Produkcja metanu z prądu elektrycznego może stanowić podejście do magazynowania energii odnawialnej . Prąd elektryczny wytwarzany z odnawialnych źródeł energii może w drodze elektrometanogenezy zostać przekształcony w metan, który następnie może być wykorzystany jako biopaliwo . Może być również użyteczną metodą wychwytywania dwutlenku węgla, który może być wykorzystany do oczyszczania powietrza.
W przyrodzie powstawanie metanu zachodzi biotycznie i abiotycznie . Metan abiogeniczny jest wytwarzany na mniejszą skalę, a wymagane reakcje chemiczne nie wymagają materiałów organicznych . Metan biogenny jest wytwarzany w beztlenowych , w których metan powstaje w wyniku rozkładu materiałów organicznych przez drobnoustroje — lub mikroorganizmy. Naukowcy odkryli, że biogeniczny proces produkcji metanu można odtworzyć w środowisku laboratoryjnym poprzez elektrometanogenezę. Redukcja CO 2 w elektrometanogenezie jest ułatwiona przez prąd elektryczny na biokatodzie w mikrobiologicznym ogniwie elektrolizy (MEC) oraz przy pomocy drobnoustrojów i elektronów (Równanie 1) lub wodoru wytwarzanego abiotycznie (Równanie 2).
1 ) CO2 + 8H + + 8e - ↔ CH4 + 2H2O
(2 ) CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O
Biokatoda
Biokatoda to katoda stosowana w mikrobiologicznym ogniwie elektrolizy podczas elektrometanogenezy, która wykorzystuje mikroorganizmy do katalizowania procesu przyjmowania elektronów i protonów z anody. Biokatoda jest zwykle wykonana z taniego materiału, takiego jak węgiel lub grafit, podobnie jak anoda w MEC. Populacja drobnoustrojów umieszczona na biokatodzie musi być zdolna do pobierania elektronów z materiału elektrody (węgla lub grafitu) i przekształcania tych elektronów w wodór.
Mechanizm
Mechanizm elektrometanogenezy przedstawiono na rycinie 1. Woda jest wprowadzana do układu za pomocą anody, biokatody i drobnoustrojów. Na anodzie drobnoustroje przyciągają cząsteczki H 2 O, które są następnie utleniane po włączeniu prądu elektrycznego ze źródła zasilania. Tlen jest uwalniany od strony anody. Protony i elektrony utlenione z H2O przemieszczają się przez membranę, gdzie przechodzą do materiału tworzącego biokatodę. Nowy mikrob na biokatodzie ma zdolność przenoszenia nowych elektronów z materiału biokatody i przekształcania ich w protony. Te protony są następnie wykorzystywane w głównej ścieżce, która napędza produkcję metanu w elektrometanogenezie — CO2 . CO 2 jest wprowadzany po stronie biokatody układu, gdzie jest redukowany przez protony wytwarzane przez mikroorganizmy, dając H 2 O i metan (CH 4 + ). Wytwarzany jest metan, który następnie może być uwalniany od strony biokatody i magazynowany.
Ograniczenia
Jednym z ograniczeń są straty energii w systemach bioelektrochemicznych wytwarzających metan. Dzieje się tak w wyniku nadpotencjałów występujących na anodzie , membranie i biokatodzie. Straty energii znacznie zmniejszają wydajność. Kolejnym ograniczeniem jest biokatoda. Ponieważ biokatoda jest tak ważna w wymianie elektronów i tworzeniu metanu, jej skład może mieć dramatyczny wpływ na wydajność reakcji. Czynione są wysiłki w celu ulepszenia biokatod stosowanych w elektrometanogenezie poprzez łączenie nowych i istniejących materiałów, przekształcanie materiałów lub stosowanie różnych „obróbek wstępnych” powierzchni biokatody, zwiększając w ten sposób biokompatybilność.