通过有机电精炼概念实现二氧化碳的增值利用：证明这一可持续工艺的可行性

《Journal of CO2 Utilization》：Valorization of carbon dioxide via the organic electro-refinery concept: Demonstrating the feasibility of a sustainable process

藻类生物固定二氧化碳后，通过电化学氧化转化为羧酸盐，结合电渗析实现高效分离纯化。实验表明，在最佳操作条件下（5天细胞滞留时间、4.1 L/h空气流量），藻类生产力达37.65 mg/天，60%的碳可通过电渗析回收为高纯度羧酸盐溶液。该技术集成了生物电化学系统（BES）与有机电化学 refining（OER）工艺，为太阳能驱动的负排放系统提供了新路径。

　　碳捕集与利用技术是当前应对气候变化的重要手段之一。随着全球温室气体排放的持续增长，尤其是二氧化碳（CO?）的浓度显著上升，大气中碳循环的失衡问题日益严重。这种失衡不仅加剧了全球变暖，还导致了极端气候事件的频发，如热浪、洪水、干旱和野火等。因此，发展能够有效减少大气中CO?浓度的技术变得尤为重要。本文介绍了一种结合生物技术和电化学技术的创新方法，通过一系列步骤将CO?转化为富含羧酸的溶液，这为碳中和和可持续发展提供了新的可能性。

### 生物技术与电化学技术的结合

本文提出的系统通过三个主要阶段将CO?转化为有价值的有机化合物。首先，利用藻类进行CO?固定，通过光合作用将大气中的CO?转化为生物质。其次，将获得的藻类生物质进行电化学转化，生成含有羧酸的溶液。最后，通过电渗析技术对生成的羧酸进行分离和纯化。这一集成系统不仅在技术上是可行的，而且具有环境友好性和可扩展性，特别是在利用可再生能源的条件下。

#### 藻类的生长与CO?固定

藻类是进行CO?固定的重要生物载体。由于其高光合效率、快速生长速度以及对土地资源的低需求，藻类在可持续碳捕集方面具有显著优势。在本研究中，通过调节细胞滞留时间（SRT），对藻类的生长进行了系统性评估。实验表明，当细胞滞留时间为5天时，CO?固定效率最高，可达到37.65毫克每天。然而，过短的滞留时间会导致生物质的流失，从而降低CO?固定效率。此外，实验还显示，大气中的CO?浓度在经过藻类处理后显著下降，这表明藻类能够有效地吸收并转化CO?。

#### 电化学转化过程

在第二阶段，藻类生物质被电化学转化为含有羧酸的溶液。该过程表现出双峰分布：首先是藻类基质中天然存在的羧酸释放，其次是通过有机物氧化生成的羧酸。这种双峰模式反映了有机电精炼的概念，即通过氧化反应生成更多的羧酸。在这一阶段，研究发现，乙酸和丙二酸主要与第一阶段相关，而甲酸和草酸则与第二阶段相关。这些结果表明，电化学转化过程能够有效地将藻类生物质中的有机碳转化为多种羧酸，从而增加最终产物的多样性。

#### 电渗析分离与纯化

在第三阶段，使用阴离子交换膜进行电渗析，将生成的羧酸从溶液中分离出来。研究发现，电渗析的效率与施加的电流密度密切相关。在电流密度较高的情况下，能够回收高达60%的碳。这种高回收率表明，该系统在实现碳中和方面具有巨大潜力。通过这种分离技术，不仅能够获得高纯度的羧酸溶液，还能够为后续的高附加值产品合成提供原料。

### 系统的可持续性与技术优势

该系统的一个重要特点是其完全依赖太阳能等可再生能源。通过这种能源输入，整个过程实现了碳中和，并且可以进一步推广至大规模应用。此外，该系统还能够在常温常压条件下运行，降低了对高能耗的依赖，同时提高了碳负排放性能。相比传统的催化方法，该系统具有更高的灵活性，因为它能够生成多种有机中间体，而不仅仅是单一产物。

### 实验条件与优化

在实验过程中，研究人员对多个参数进行了优化，包括电流密度、藻类初始浓度以及电渗析和电解过程的配置。实验表明，较低的电流密度有助于羧酸的积累，而较高的电流密度则提高了其分离效率。同时，通过调节电渗析的电流密度，可以显著提高羧酸的回收率。例如，在低电流密度条件下，系统仅能回收约50%的羧酸，而在高电流密度条件下，回收率超过了95%。这一结果表明，电流密度是影响系统性能的关键因素之一。

### 技术挑战与未来发展方向

尽管该系统在实验室条件下表现良好，但在大规模应用中仍面临一些挑战。首先是膜污染问题，由于藻类有机物、胶体和沉淀物的存在，膜的性能会逐渐下降。为了解决这一问题，需要对膜进行预处理、化学清洗以及结构改良。其次是能源效率问题，虽然电流密度对羧酸的生成和回收有显著影响，但过高的电流密度会导致副反应和扩散限制，从而降低整体效率。最后是电极稳定性问题，电极表面可能会因聚合物膜或芳香残留物的沉积而失效。因此，未来的研究需要在材料科学和过程优化方面进行深入探索，以提高系统的长期稳定性和经济可行性。

### 系统的可行性与未来展望

本文的研究结果表明，将藻类碳固定与有机电精炼技术相结合，是一种技术上可行的碳捕集与利用方案。该系统不仅能够有效减少大气中的CO?浓度，还能生成多种高附加值的羧酸产品。这些羧酸可以作为工业原料，用于生产燃料、聚合物和精细化学品。通过这种方式，不仅可以实现碳的再利用，还能减少对化石碳资源的依赖，促进循环经济的发展。

在未来的研发过程中，进一步优化系统参数、提高材料性能以及解决技术挑战将是关键。通过这些努力，该技术有望成为应对气候变化的重要工具，为实现碳中和目标提供新的思路和方法。此外，随着可再生能源技术的不断发展，该系统在能源利用方面的优势将进一步凸显，为可持续发展提供更广阔的应用前景。