固碳产甲烷微生物电合成系统中多元多相传递及生物电化学转化特性

Microbial electrosynthesis is a promising renewable technology, which can use electrochemically-active microorganisms as biocatalysts to convert carbon dioxide to biofuel while simultaneously degrading the organics in wastewater. The multiphase flow, electron transfer and mass transfer processes in this system significantly affect the performance of the system. In this project, we focus on a microbial electrosynthesis system capable of reducing carbon dioxide to methane, and investigate the electron transfer mechanisms of the biocathode using electrochemical analysis methods. In addition, the effects of poised potential, two-phase flow characteristics in biofilms，carbon dioxide concentration and pH value on the performance of microbial electrosynthesis systems and the biofilm structure will be experimentally investigated. On the basis of experiments, mathematical models describing the multi-species and multiphase transport characteristics in biofilms of bioanode and biocathode will be individually developed. By incorporating these two models according to the conservation equation of current density and ohmic law equation, a mathematic model that can comprehensively describe the multi-species and multiphase flow and bioelectrochemical characteristics in the whole microbial electrosynthesis system is expected to be developed. This work will provide theoretical basis for the research and development of microbial electrosynthesis systems.

微生物电合成系统以具有电化学活性的微生物为催化剂，在降解废水中有机物的同时可以将二氧化碳转化为生物燃料，是一种新型可再生能源技术。该系统中存在着复杂的多相流动和电子、质量传输现象，其多相流动及能质传输特性对系统的性能起着非常重要的作用。本项目针对可还原二氧化碳产甲烷的微生物电合成系统，实验研究阴极侧微生物与电极的电子传递机制，同时研究施加电势、生物膜内两相流动特性、二氧化碳浓度及pH值等参数对阴极侧生物膜结构及其整个系统电化学性能的影响。在实验研究基础上，分别提出描述阴极和阳极侧生物膜的多组分多相稳态传输理论模型及计算方法；然后根据电极内电流密度守恒方程和欧姆定律得到的电位分布方程，根据电流密度、电位、反应物浓度等关系将阳极和阴极模型进行耦合, 提出能够完整描述含复杂生物电化学反应的微生物电合成系统内多相流动及能质传输理论模型和计算方法，从而为微生物电合成系统的研究发展奠定理论基础。

微生物电合成系统是一种新型的能量转化装置，其利用微生物作为催化剂，可将CO2还原为CH4等生物燃料，但目前针对微生物阴极侧电极与微生物界面间电子传递、生物膜及多孔电极内物质传输特性缺乏研究，从而缺乏性能强化的理论指导方法。本项目针对固碳产甲烷微生物电合成系统中耦合生化/电化学反应的多元多相能质传输问题，系统地研究了固碳产甲烷微生物电合成系统中微生物阴极侧电子传输特性及机制、微生物阴极加速启动及性能强化、生物膜内及三维多孔电极内能质传输特性；建立了多元多相微生物电化学转化过程的强化理论及方法。通过研究固碳产甲烷微生物阴极侧电子传递特性及机制，获得直接/间接电子传递分界电位，提出培养具有直接电子传递特性的微生物阴极的技术体系。在此基础上，利用产电菌与产甲烷菌协同共生效应，提出阳极反转启动方式，使固碳产甲烷微生物阴极启动时间缩短40%以上，性能提高1.2倍。通过电极表面修饰技术（壳聚糖、PEDOT等）提高微生物电极表面的生物相容性及界面电子传递速率，进一步提高微生物阴极性能，并获得了高聚物对产甲烷菌吸附过程及生物膜/电极界面上电子传递速率的影响规律。通过3D打印构造结构可控的三维多孔电极，得到结构参数（孔径尺寸）对电极内物质传输及生物膜成膜质量的影响规律，并在此基础上制备比表面积大、导电性好、能够促进生物膜与电极电子传递的新型石墨烯气凝胶电极，比目前广泛采用的碳毡、石墨板等三维电极性能提高2.5倍以上。在实验基础上，建立了能够固碳产甲烷微生物阴极的电极反应动力学模型，并构建了描述固碳产甲烷微生物阴极侧能质传输过程的理论模型，计算获得了阴极生物膜及三维多孔电极内物质浓度分布场，揭示了CO2、CH4及H+在电极表面、边界层内及三维多孔电极内的传递规律。项目的顺利实施为微生物电合成系统的性能强化提供了理论指导。