[发明专利]微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳的资源化利用技术领域，具体涉及一种微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的方法。

背景技术

二氧化碳作为温室效应影响最大的气体，同时也是地球上最丰富的碳资源。二氧化碳的固定与循环利用对环境、能源、资源均具有重要意义。微生物固定二氧化碳方法的基本原理是利用具有光合作用的微生物进行光合作用，以固定热电厂等释放源排出的二氧化碳。该方法的优势主要在于：与高等植物的二氧化碳固定方法相比，微生物具有繁殖快、二氧化碳固定效率高、适合工业化集约生产、对土地和水的依赖程度低等许多优点。而与深海储存、开采过的煤层储存、含盐蓄水层储存和废弃油气田储存等传统的地质储存技术相比，微生物固定法具有可持续性和低风险性。2012年，C.liao James提出(Science,335：1596)可利用人工模拟光合作用来固定二氧化碳产化学品，即微生物电化学合成技术。其主要核心是这些微生物，可以接受电极上传递的电子，用于二氧化碳的还原利用。相比于之前的光合微生物固定二氧化碳，微生物电化学合成技术可以和太阳能光伏技术相结合，通过太阳能光伏技术将太阳能转化为电能，再直接用于二氧化碳的固定，其不但大幅度提高了太阳能的利用效率，而且克服了太阳能中电能存储难的问题。并且由于外加电子，给微生物提供了大量的还原力，其合成化学品的效率也显著提高。但是，由于二氧化碳在溶液中的溶解度有限以及二氧化碳还原成乙酸需要克服一定的能量壁垒，从而影响到微生物电化学固定二氧化碳的效率，束缚了微生物电化学固定二氧化碳产化学品的进一步发展和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术活问题是针对现有技术的不足和缺陷，提供一种微生物电化学系统来固定二氧化碳产乙酸的装置，该装置主要利用气体扩散电极来提高二氧化碳传质速率以及催化效率，从而提高二氧化碳合成化学品的产量。

本发明还要解决的技术问题是提供利于上述装置还原二氧化碳产乙酸的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种微生物电化学系统还原二氧化碳产乙酸的装置，它包括由隔膜分隔开的阳极室和阴极室，阳极室内设置有阳极，阴极室内设置有阴极，阳极和阴极在阳极室和阴极室外部通过电源串联形成回路，所述阴极将阴极室分隔为阴极液室和阴极气室，所述阴极为气体扩散电极。

其中，所述的阴极由富含催化剂的碳布制成；所述的阳极为碳毡制成；所述的隔膜材料为阳离子交换膜。

其中，所述的阴极，其催化剂为钴，其负载量为1～5mg·cm^-2。

其中，所述的阴极按如下步骤制备得到：

(1)碳布浸渍在5wt％的聚四氟乙烯的水溶液中，350～380℃条件下处理2～4h，使碳布疏水化；

(2)将炭黑、水、乙醇、聚四氟乙烯乳液按质量比0.2～2：3～5：10～15：5～10进行超声混合，得到的混合物涂敷到电极表面靠近阴极气室的一侧，并在350～380℃条件下处理0.5～1h，制备电极扩散层；

(3)在步骤(2)得到的电极扩散层上再涂15～30wt％的聚四氟乙烯的水溶液作为防水层，并在350～380℃条件下处理0.5～1h；

(4)将卟啉钴、水、乙醇和5wt％Nafion溶液(全氟聚苯乙烯磺酸溶液，购自DuPont公司)按质量比为0.5～5：2～6：8～12：1～7进行超声混合后，将其涂敷到电极表面不含扩散层和防水层的另一侧，制备催化层；

(5)将步骤(4)处理后的电极在60～80℃烘干，得到所述富含催化剂的阴极。

其中，阴极表面位于阴极液室的一侧附有产乙酸菌的微生物膜。

上述装置在使用过程中，在阳极室水被氧化生成氧气、和质子，质子则从阳极室通过隔膜进入阴极液室。二氧化碳进入到阴极气室，然后进入到阴极的气体扩散通道中，而质子通过溶液进入到阴极的催化层中，阴极上微生物接受电子、以及质子来还原二氧化碳，从而产生乙酸。所述阴极富含催化剂的一面与溶液接触，另一面与二氧化碳接触。

利用上述装置还原二氧化碳产乙酸的方法，它包括如下步骤：

(a)在生物电化学系统的阳极室中加入阳极液，在阴极液室中加入阴极液，在阴极液室接入产乙酸菌，产乙酸菌通过驯化，在阴极表面靠近阴极液室的一侧也就是催化层上形成生物膜；

(b)分别更换新鲜的阳极液和阴极液，阳极室通入氮气，阴极气室通入氮气和二氧化碳，进入到阴极的气相扩散通道，微生物在阴极的亲水面，可直接获得从外加电源通过电极传递来的电子，并通过阴极上催化剂催化，将二氧化碳还原成乙酸，收集阴极液为含有乙酸的溶液。