微生物膜固定化電極を用いる低処理エネルギー型CO_2還元資源化に関する研究

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本反応系に適用しうる陽・陰極電極材の選定に対し,利用する絶対嫌気性の水素資化性メタン生成菌,ホモ酢酸生成菌の活性に大きな影響のある陽極からの酸素生成に着目して,各種電極材を組合わせた電極系で水の電解実験を行い,陽極材として炭素は金属に比べ,酸素生成を極めて抑制でき,系内を無酸素環境に維持しうるが,電気化学酸化によりCO_2が生成し,CO_2の効率的還元変換を目的とする本系には適さず,酸素生成の多い金属電極に酸素不透過性隔壁を設置して生成酸素の反応液への溶存を妨げることで,適用しうると考えられた.本結果に従い,陽極として鉛棒を用い,セラミック製電解隔壁により反応液本体を隔離した液容積約2L,陰極面積約810cm^2の円筒型実験装置を製作した.なお,劣化,腐食等がなく,上記微生物が固定化される陰極には,その付着性で優位な炭素材を用い,微生物膜は,嫌気性消化汚泥を種汚泥としてNaHCO_3および痕跡量の無機塩類から成る水溶液を添加しつつ,約2ヶ月間訓養を行い作成した.連続実験は,流入NaHCO_3濃度一定で,滞留時間,電流密度(電流値)を変化させて行い,本法によるCO_2変換特性について以下の知見を得た.連続操作におけるCO_2のメタンへの変換は,常時安定して生じた.電流密度(電流値)の増大に伴い,メタン生成速度は増大し,電流密度0.35mA/cm^2程度以下の操作条件では,電解生成水素の90%以上がメタン変換へ高効率に利用されたが,さらに,電流密度を増大すると,未反応電解生成水素が気相中に増加し,水素利用効率に対して電流密度の最適操作条件が存在することが示唆された.一方,通電量に対し,CO_2流入負荷を操作することで高CO_2変換を達成でき,本法の適用可能性が示唆された.また,高い水素利用率で,CO_2の酢酸への変換も可能であることが別途に行ったメタン生成阻害剤を用いた回分実験から得られた.