构建模型解析不同生物阴极尺寸微生物电解池电合成甲烷性能：开启高效能源与环保新篇

为探究生物阴极配置对微生物电解池（MEC）电合成甲烷性能影响，研究人员构建不同生物阴极尺寸 MECs 并建模。结果显示大尺寸阴极的 MEC 性能更优，模型预测偏差小。该研究为优化反应器设计提供依据。

　　在环境与能源科学领域，生物电化学系统（BESs）成为研究热点。它融合微生物学、电化学和工程学原理，能利用微生物代谢或酶的催化作用，以有机废料为底物，实现能源生产、资源回收和污染治理等多重目标。其中，微生物电解池（MEC）用于电合成甲烷的技术备受关注。MEC 通过阳极有机底物氧化产生电流，驱动阴极二氧化碳（CO₂）还原为甲烷（CH₄），同时实现废水处理，具有多重优势。

然而，当前该技术在实际应用中面临诸多挑战。比如，生物阴极的性能对 MEC 整体功能至关重要，但关于生物阴极配置影响的研究却十分有限。现有研究虽对不同生物阴极结构有所探讨，但仍缺乏深入理解。在数学建模方面，虽有针对 MEC 的模型，但针对电合成甲烷 MEC 的模型存在不足，多数未考虑过电位对生物阴极设置和反应动力学的影响，难以全面准确预测系统行为。因此，深入研究生物阴极尺寸对 MEC 电合成甲烷性能的影响，并构建更完善的模型迫在眉睫。

为解决这些问题，来自国外的研究人员开展了相关研究。他们构建了两个生物阴极投影表面积不同（分别为 1.25 m²和 0.25 m²）的 MEC，并在不同底物浓度下运行 130 天和 100 天。同时，在 COMSOL Multiphysics 框架下开发数学模型，模拟六种微生物种群的生长，采用 Butler - Volmer - Monod 动力学，考虑过电位的影响。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是构建不同生物阴极尺寸的 MEC 实验装置，采用聚四氟乙烯（PTFE）制作 MEC 主体，质子交换膜（PEM，Nafion? 115）分隔阴阳两电极，碳毡作为电极材料。其次，通过实验监测不同阶段 MEC 产生的电流、底物消耗等数据。最后，利用 COMSOL Multiphysics 软件构建数学模型，拟合实验数据获取动力学常数，并对模型进行验证。

在研究结果方面：

• 不同生物阴极尺寸 MECs 的性能比较：研究发现，具有较大生物阴极尺寸（建模为填充材料电极）的 MEC 在运行过程中表现更优。在实验前期的电极生物膜驯化阶段，随着循环次数增加，电流平台持续时间延长。在后续运行中，该 MEC 由于更高的生物量浓度和更低的欧姆电阻，实现了更高的 CH₄产量。
• 数学模型的构建与验证：构建的数学模型能有效捕捉过电位对底物消耗和电流产生的影响。在反应速率方面，模拟结果与测量变量吻合良好，有机物质去除率偏差为 2.5%，电合成甲烷偏差小于 1%。在不同条件下，模型对 CH₄产量的预测准确性较高，最大偏差为 10% 。

研究结论表明，本研究中较大生物阴极尺寸的 MEC 在电合成甲烷性能上更具优势，且所构建的非线性动态数学模型能够准确描述和预测不同生物阴极尺寸 MEC 在电合成甲烷过程中的性能表现。该研究意义重大，为深入理解底物可用性、物质扩散、电化学反应和微生物种群动态之间的复杂关系提供了理论基础，建立了预测反应器设计对高效电合成甲烷重要性的框架，有助于推动微生物电解池电合成甲烷技术的进一步发展和实际应用，在能源生产和环境保护领域具有广阔的应用前景。论文发表在《Bioelectrochemistry》上，为该领域的研究提供了重要参考。