固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

• 作者: 宋珣 付乾 李俊 张亮 廖强 朱恂
• 来源期刊: 化工学报
• 关键词: 微生物电合成系统 二氧化碳还原 生物膜 传质 动力学模型
• 年，卷（期）: 2021,（5）
• 所属期刊栏目: 能源和环境工程
• 页码范围: 2273-2282
• 页数: 9页
• 分类号: X703
• 语种: 中文
• DOI: 10.11949/0438-1157.20191600

摘要

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂，可以在处理废水的同时将CO2转化为甲烷，极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一，其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题，推导了微生物阴极电极反应动力学方程（Nernst-Monod方程），构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型，研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5V (vs SHE)时，随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大，底物浓度降低；但当阴极电势降低至-0.5V(vs SHE)后，生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和；低电导率（<10-3S/m）会导致生物膜内形成明显的电势差，使得底物利用速率降低，严重影响微生物阴极的性能；生物膜孔隙率控制在0.4时，微生物阴极可达到最佳电流密度。