菱镁矿焙烧烟气BECR微生物催化转化机理研究

BECR（Bio-electro chemical catalysis reactor）is employed to purify SOx、NOx and carbon dioxide from roasting magnesite flue gases. They are converted into sulphur and nitrogen and high added-value biofuels via seperating air/pollutants and bio-electro-catalysis reversal process (BECRP). In the project, converting bacteria and BECR reactors are coupled to a system, and the BECRP is utilized and realized to convert SOx、NOx and carbon dioxide in the reactor. The metabolic products, processing flue gas components of influx and exhaust and other processing parameters are analysed by using online Micro-GC, HPLC-MS, electrochemical station（8 Channels Reference 3000）, and etc. The influences of microbial metabolic pathway in BECRP and low voltage loading on the bacteria and the electrode reaction mechanism in the electrode process are investigated. The mechanism of roasting flue gas purification is analyzed and identified by chemical dynamic thermodynamic methods. The optimal control parameters are obtained by identifying mechanism of biological purification and pollutants reverse and utilization. The multi-variable bioelectrochemical transition matrix and optimal parameters are established to improve the conversion and purification rates of roasting magnesite flue gases. The green bio-cooperative control of multiple pollutants is realized in conversion of the flue gases.

本课题针对菱镁矿煤粉混合焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳等污染物，利用BECR（生物电催化反应器）中微生物催化转化过程，将其转化为氮气、硫磺和生物合成燃料。研究拟用BECR微生物催化系统，对焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳，进行捕集、污染物与其载气分离，通过微生物对焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳进行催化转化，合成生物燃料。通过在线气GC、HPLC-MS和8通道Reference 3000等检测，解析烟气组分、气速、BECR污染物捕收净化、微生物催化代谢组化学行为、低电流电压荷载对菌群影响。通过BECR微生物催化系统辨识，揭示焙烧烟气微生物催化转化过程反应动力学机制，建立低压电场多变量微生物催化转化过程矩阵关系，优化系统最佳操控条件，实现焙烧烟气多污染物绿色控制。

本课题对菱镁矿煤粉混合焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳等污染物，利用新的生物电催化反应器（Bio-electro chemical catalysis reactor，BECR）中微生物电催化脱硫、脱硝和二氧化碳转化为绿色资源。研究将菱镁矿煤粉混合焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳，转化为氮气、硫磺和生物合成燃料。通过研究的BECR微生物催化系统，以及两株分离的微生物催化细菌，进行了全DNA解析和功能特化。通过BECR微生物催化系统对焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳的捕集、污染物与其载气分离，再进行微生物对焙烧烟气中SOx、NOx和二氧化碳的催化转化，合成生物燃料和化学品甲醇、丁醇或丁酸等。通过土著微生物催化转化菌的筛选、分离、富集后、扫描电镜、16SrDNA序列分析，获得到两株高效微生物催化转化菌，并对其进行了全基因序列分析，获得了微生物催化转化菌的全DNA谱图。为了提高微生物催化转化菌生物电化学反应效率，优化明确生物电催化反应器中生长最佳条件和明确了工程培养基、生长最佳条件，利用创新性的生物电催化反应器BECR，系统考察了外源因素、菱镁矿混合焙烧烟气气体组成成分、微生物催化转化菌的BECR鲁棒控制条件、菌膜自组装成膜填料类型载体选择，探索了对生物电催化细菌降解转化二氧化碳等污染物和生成甲醇、丁醇等的量的过程规律和影响规律。利用BECR，研究了采阴极表面修饰法分析，结果表明：修饰组生物膜表面微生物附着更加浓密，生物附着量更大；修饰组甲醇、丁醇或丁酸等的最终积累量分别为1.794 mmol•L-1、2.898 mmol•L-1，较未修饰组分别提高了约18.5%、5.2%。修饰组CO2的还原峰出现在-0.43 V左右，而未修饰组出现在-0.62 V左右，修饰组CO2还原峰出现的位置趋向正向，反应结束时，修饰组的总库伦效率为87.15%，较未修饰组高出约5.73%，通过试验建立了微生物电催化转化菌序批式反应过程、半连续化式生物膜电催化反应器转化动力学模型。通过在线气GC、HPLC-MS和8通道Reference 3000等检测，解析烟气组分、气速、BECR污染物捕收净化、微生物催化代谢组化学行为、低电流电压荷载对菌群影响。通过BECR微生物催化系统辨识，揭示焙烧烟气微生物催化转化过程反应动力学机制，建立多变量生物电催化转化过程数量关系，为烟气污染物资源化奠定基础。