32
1 Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane for Biogas Upgrading Christy M. Dykstra and Spyros G. Pavlostathis School of Civil & Environmental Engineering Georgia Institute of Technology Atlanta, GA 303320512, USA College of Environmental and Chemical Engineering Nanchang Hangkong University Nanchang, Jiangxi Province, P.R. China 15 May 2018

Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

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Page 1: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

1

Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane for Biogas Upgrading

Christy M. Dykstra and Spyros G. PavlostathisSchool of Civil & Environmental Engineering

Georgia Institute of TechnologyAtlanta, GA 30332‐0512, USA

College of Environmental and Chemical EngineeringNanchang Hangkong University

Nanchang, Jiangxi Province, P.R. China

15 May 2018

Page 2: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

2

Opportunities for CO2 reuse and energy recovery in municipal wastewater treatment plants (WWTP), now referred to as Water Resource Recovery Facilities (WRRF)

Municipal Wastewater Treatment

Page 3: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

3

Biogas(CO2, CH4, trace gases)

Liquid digestate,Biosolids

Complex organic compoundsCarbohydrates, Proteins, Fats

Simple organic compoundsSugars, Amino acids, Fatty acids

Organic acids and alcohols

CO2, CH4

H2, CO2 Acetate

Hydrolysis

Acidogenesis

Acetogenesis

Methanogenesis

Gujer and Zehnder, 1983

OS = 4 ‐ 1.5 (COD/TOC)CH4 (%) = 100 ‐ 12.5 (OS + 4)

Anaerobic Digestion & Biogas Composition

Page 4: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

4

Carbon Capture Sequestration

&Conversion

Absorption Chemical (MEA, caustic, etc.)

Physical (Selexol, Rectisol, etc.)

Adsorption Alumina

Zeolite

Activated CCryogenics

MembranesGas separation (Polyphenyleneoxide, 

Polydimethylsiloxane)

Gas absorption (Polypropelene)

Ceramic based systemsMicrobial/Algal 

systemsPhototrophic bacteria,

algae

CO2 CH4

BES

CO2 Capture & Conversion

Page 5: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

5

Red

uctio

n

Microbial Fuel Cell (MFC)Produces electrical current

Microbial Electrolysis Cell (MEC)Produces hydrogen (H2)

Microbial Electromethanogenesis Produces methane (CH4)

Microbial Electrosynthesis (MES)Produces 2+ carbon compounds (e.g., acetate, methanol, etc.)A, Resistor (MFC) or applied potential (MEC)

B, Proton exchange membraneR1, Reactant in the anode (oxidation half reaction)P1, Product in the anodeR2, Reactant in the cathode (reduction half reaction)P2: Product in the cathode 

2H+ + 2e‐ → H2EH°' = ‐0.414 V

CO2 + 8H+ + 8e‐ → CH4 + 2H2OEH°' = ‐0.244 V

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2OΔE°' = 0.170 V

At 25 °C, 1 atm, pH 7.

Oxi

datio

n

Bioelectrochemical Systems (BES)

Page 6: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

6

e‐

Direct Electron Transfer (DET)

CO2

CH4

CO2

CH4

H2O

H2

H2

H2O

CH4

H2‐Mediated Electron Transfer (MET)

Mox

Mred

H+

CO2

Mred

Mox

CO2 CH4

Non‐H2‐Mediated Electron Transfer

Electron Transfer Mechanisms in BES

Page 7: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

7

To develop and test bioelectrochemical systems (BESs) to directly convert CO2 to CH4 for anaerobic digester 

biogas upgrading

Overall Objective

Page 8: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

8

Materials & Methods

ANODE• Carbon felt electrode/SS collector

• Acetate‐fed (1.5 g COD/L)

• N2‐flushed headspace• Potential allowed to fluctuate; measured against an adjacent Ag/AgCl reference electrode

• 300 mL total volume• 250 mL liquid anolyte (phosphate buffer, pH 7.0; trace minerals; vitamins)

• Inoculated with biofilm‐attached carbon felt from an active MFC

CATHODE• Carbon felt electrode/SS collector

• CO2‐fed (1.6 atm, absolute)

• CO2‐flushed headspace• Potential fixed at ‐0.8 V (vs. SHE) using an adjacent Ag/AgCl reference electrode

• 300 mL total volume• 250 mL liquid catholyte (phosphate buffer, pH 7.0; trace minerals; vitamins)

• Inoculated with a suspended‐growth, enriched hydrogenotrophicculture

CO2

CH4Acetate

CO2PEM

Batch‐fed systems at 22±2oCHydraulic retention time, 7 days

Page 9: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

9

Materials & MethodsGasesPressure transducerGC‐TCD for gas composition

LiquidsGC‐FID for acetate measurementDissolved CO2 measured by sample acidification (6 N H2SO4) followed by composition analysis of evolved gas (conditional calibration)

Solids and BiomassTSS/VSS for suspended biomassProtein analysis of biofilm and suspended biomass

Molecular AnalysisDNA extraction using UltraClean Soil DNA Kit and PowerSoil DNA Isolation Kit (Mo Bio Laboratories, Carlsbad, CA)16S rRNA gene sequencing (Illumina MiSeq)Phylogenetic analysis using Mega 7.0 softwareDiversity analyses performed with QIIME 1.9.0 and R

Page 10: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

10

Biocathode performance with respect to:

Methanogenic inoculum

Hydrogen sulfide (H2S) gas feed contaminant

Anaerobic digester biogas feed (upgrading)

Results

Page 11: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

11

Biocathode Performance – Effect of InoculumAC

ETAT

E(m

g C

OD

/L)

0

1

2

3

4

CU

RR

EN

T D

ENSI

TY(A

/m2 )

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20

TIME (d)

HE

AD

SP

AC

E C

H4

(mm

ol)

0

1

2

3

A

C

B

MM-BEHM-B

MM-BEHM-B

MM-BEHM-B

Biocathode methanogenic inocula: MM, mixed; EHM, pre‐enriched hydrogenotrophic

Dykstra, C.M.; Pavlostathis, S.G. 2017. Methanogenic biocathode microbial community development and the role of Bacteria. Environ. Sci. Technol. 51(9) 5306‐5316.

VOLTAGE (V)

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2

CU

RR

ENT

(mA)

-20

-10

0

10

20

30

40

50MM-biocathodeEHM-biocathode

Biocathode

Final Biofilm Biomass (mg)

Mean CH4 Production (mmol CH4/mg biomass‐

day)

MM‐inoculated 0.54 ± 0.07  0.15 ± 0.01 

EHM‐inoculated 0.64 ± 0.19 0.59 ± 0.03 

Page 12: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

12

Biocathode Performance – Effect of InoculumBiocathode methanogenic inocula: MM, mixed; EHM, pre‐enriched hydrogenotrophic

Dykstra, C.M.; Pavlostathis, S.G. 2017. Methanogenic biocathode microbial community development and the role of Bacteria. Environ. Sci. Technol. 51(9) 5306‐5316.

MM MM-biocathode EHM EHM-biocathode

RE

LATI

VE

AB

UN

DA

NC

E (%

)

0

20

40

60

80

100

Methanobrevibacter spp. Methanobrevibacter arboriphilus Methanoculleus spp. Methanolinea spp. Methanomethylovorans spp. Methanosaeta spp. Methanobacterium spp.

• Biocathode archaeal communities converged on the same phylotypes, Methanobrevibacter arboriphilus

• Inoculum pre‐enrichment with H2/CO2selects for methanogens that are also selected for by biocathode conditions (faster biocathode start‐up)

MM MM-biocathode EHM EHM-biocathode

RE

LATI

VE

AB

UN

DA

NC

E (%

)

0

20

40

60

80

100

Bacteroidetes Protoebacteria Actinobacteria Firmicutes Spirochaetes Synergistia Thermotogae Anaerolineales Acidobacteria Deferribacteres Chloroflexi Unclassified

Cathod

e

Cell lysis products

Methanogens

CO2, Oxidized carbon

Exoe

lectrogen

e‐, H+, CO2

CH4

Archaea Bacteria

• MM‐biocathode enriched in Spirochaetes and other non‐exoelectrogenic, fermentative Bacteria

• EHM‐biocathode enriched in Proteobacteria, exoelectrogens and putative producers of electron shuttle mediators

Page 13: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

13

Biocathode Performance – Effect of Inoculum

Dykstra, C.M.; Pavlostathis, S.G. 2017. Methanogenic biocathode microbial community development and the role of Bacteria. Environ. Sci. Technol. 51(9) 5306‐5316.

• The bacterial community of a biocathode has a significant effect on archaeal CH4 production

• Increased biocathode CH4 production occurs with a bacterial community enriched in:

• Putative producers of electron shuttles/mediators

• Proteobacteria

• Exoelectrogens

AcetateCO2H2

CH4

Cell lysis debris

Recycle lysed cells  Produce electron shuttlescathod

e

Mox

Mred CH4

CO2Role of Bacteria

Page 14: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

14

Biocathode Performance – Effect of H2SBiocathode Headspace H2S (1% v/v)

0 5 10 15 20

CU

RR

ENT

DEN

SITY

(A/m

2 )

0

20

40

60

80

TIME (d)0 5 10 15 20

MET

HAN

E (m

mol

)

0

2

4

6

8

A

B

BES1 (Control)BES2 (H2S amended)

HeadspaceH2S (% v/v)

CE (%)

CCE(%)

0 11 100

4 19 99

5 58 13

6 58 15

INITIAL CATHODE HEADSPACE H2S (%)

0 1 2 3 4 5 6INIT

IAL

3-D

AY C

H4

PRO

DU

CTI

ON

RAT

E (m

mol

/d)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

n = 7

n = 3

n = 3n = 3

n = 1

n = 1n = 1

Two competing effects:• Depression of CH4 production (≥4% H2S): 

Inhibition of methanogens?• Enhancement of CH4 production (≤3% H2S): 

What is/are the process(es) involved?

CE, Coulombic efficiencyCCE, cathode capture efficiency

Page 15: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

15

Biocathode Performance – Effect of H2SGas transport between biocathode and bioanode 

Anode Cathode

Potentiostat

PEM

CO2 H2S        CO2N2             N2 N2

CO2

CO2

Ag/AgCl reference electrode

CH4

N2, CO2, CH4

H+ H+H+H+

e‐

e‐

H2SH2S CO2

CH4

Acetate

Dykstra, C., Pavlostathis, S.G. (2017), “Evaluation of gas and carbon transport in a methanogenic bioelectrochemical system (BES)”, Biotechnology & Bioengineering, 114(5), 961-969.

Page 16: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

16

Biocathode Performance – Effect of H2S

CO2

CH4

CH4

e‐

e‐

H+

H2S is the most toxic of the sulfide species

80%

20% H2S

H2SHS‐

S2‐

CO2

CO2

H2S

High local pHN

eutral pH

The methanogenic biocathode is protected from sulfide inhibition by biofilm formation and a local high pH at the cathode surface.

Cathode

Page 17: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

17

Biocathode Performance – Effect of H2SAnode

N2

CO2

CO2

Potential anode H2S oxidation productsS0 Sx2‐ S4O6

2‐

S2O32‐ SO4

2‐

Sun et al., 2009. ES&T

N2

e‐

Acetate

H2S

SO42‐

AcetateCO2SRB

• Low H2S → more electrons donated to the anode → higher biocathode CH4production

• High H2S → s mulate sulfur cycling → divert acetate eeq from the anode → lower biocathode CH4 production

Page 18: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

18

Biocathode Performance – Effect of H2SC

AR

BO

N (m

mol

)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

SuspendedBiofilm

BES1Anode

BES1Cathode

BES2Anode

BES2Cathode

• H2S stimulated total biomass growth in both anode and cathode

• H2S stimulated SRB growth in the anode biofilm

BES1cathode

BES2cathode

Control H2S‐amended

Page 19: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

19

Biocathode Performance – Effect of H2S

Bacteroidetes ProteobacteriaActinobacteria Firmicutes Spirochaetes Synergistia Unclassified

RE

LATI

VE

AB

UN

DA

NC

E (%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100B

BES1 BES2Biofilm Susp. Biofilm Susp.

RE

LATI

VE

AB

UN

DA

NC

E (%

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 A

BES1 BES2Biofilm Susp. Biofilm Susp.

Anode Cathode

• Deltaproteobacteria were not detected in any anode or cathode biofilm or suspended growth samples, except in the BES2 anode biofilm.

• SRB phylotypes in the BES2 anode biofilm represented 32% of Deltaproteobacteria and 1% of total Bacteria.

• Identified SRB phylotypes include Desulfobulbus propionicus, Desulfovibrio sp. and Syntrophobacterales spp.

Control H2S‐amended Control H2S‐amended

Page 20: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

20

Biocathode Performance – AD Biogas FeedM

ETH

ANE

(mm

ol)

0

1

2

3

4

5

CAR

BON

DIO

XID

E(m

mol

)

0

2

4

6

HYD

RO

GEN

(mm

ol)

0.00.20.40.60.81.01.21.4

TIME (d)

0 10 20 30 40

CU

RR

ENT

DEN

SITY

(A/m

2 )

0

10

20

30

40

a

b

c

d

• Day 14: Switched from feeding the biocathode 100% CO2 to feeding anaerobic digester biogas (53‐66% CH4 and 34‐47% CO2).

• No CH4 production for the first 2 biogas feedings. However, after the 2 days, the biocathode CH4production rate increased substantially.

• Although less total CO2 was removed during biogas‐fed cycles than during CO2‐fed cycles, the remaining CO2 was consistently lower at the end of biogas‐fed cycles. 

• Hydrogen production occurred after switching to biogas, likely due to the increase in  current density and slowed methanogenesis.

Page 21: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

21

Biocathode Performance – AD Biogas Feed

CYCLE

0 5 10 15 20 25

MEA

N C

H4 P

RO

DU

CTI

ON

RAT

E(m

mol

/d)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

INIT

IAL

PAR

TIAL

PR

ESSU

RE

(atm

)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0CH4 rateInitial CO2

Initial CH4

• Maximum CH4 production rate occurred during a biogas‐fed cycle (1.85 mmol/d), which was 350% higher than the maximum CH4 production rate during a CO2‐fed cycle (0.41 mmol/d).

• No significant correlation between the CH4 production rate and the initial CO2 or CH4 partial pressure.

Page 22: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

22

Biocathode Performance – AD Biogas Feed

APPLIED POTENTIAL (V vs. SHE)

-0.80 -0.75 -0.70 -0.65 -0.60 -0.55 -0.50

RAT

E (m

mol

CH

4/d)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4 • At a more positive applied cathode potential, the cell potential (driving force for electron transport) decreased and the anode potential decreased.

• At lower anode potentials, the transfer of electrons from a substrate to the anode is less energetically favorable. 

• However, anode acetate removal did not reflect the biocathode CH4 production rate, likely due to microbial acetate uptake and storage.

Cathode Potential(V vs. SHE)

Mean CH4 Production 

Ratea(mmol/d)

Final Biocathode CH4

a (%)

Final Biocathode CO2

a (%)

Anode Acetate Removala

(%)

Anode Potential(V vs. 

Ag/AgCl)

Cell Potential

(V)‐0.80 1.22 ± 0.07 79.9 ± 1.4 3.7 ± 0.1 21.2 ± 0.3 1.14‐1.17 2.28‐2.33‐0.75 0.98 ± 0.04 76.1 ± 0.9 4.1 ± 0.1 9.3 ± 1.1 1.09‐1.10 2.14‐2.17‐0.70 0.87 ± 0.12 78.3 ± 2.5 4.8 ± 0.1 NRb 1.04‐1.07 2.05‐2.08‐0.65 0.97 ± 0.05 78.4 ± 1.0 5.4 ± 0.1 9.1 ± 5.3 1.03‐1.04 1.98‐2.01‐0.60 0.74 ± 0.04 72.4 ± 0.9 6.2 ± 0.2 13.4 ± 0.4 1.02‐1.04 1.93‐1.94‐0.55 0.86 ± 0.14 70.7 ± 2.7 6.4 ± 0.1 NR 1.02‐1.05 1.88‐1.90‐0.50 0.53 ± 0.08 76.7 ± 1.7 8.3 ± 0.1 4.0 ± 0.1 0.16‐0.36 1.15‐1.34a Mean ± standard deviation; n = 3; b No removal.

Page 23: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

23

Biocathode Performance – AD Biogas FeedDo biogas components contribute to BES current? 

• Other biogas components (CH4, H2S and NH3) may contribute to increasing current and CH4 production. 

• CO2, CH4, N2, H2 and H2S can be transported as dissolved gases across a Nafion 117 proton exchange membrane when there is a concentration gradient.1

• As reduced species, CH4, H2S and NH3 could become oxidized at the bioanode, donating electrons to the electrode and contributing to current production.

CH4

CO2

H2S

S0, SO42‐, 

others?

ANODE

e‐

NH4+

NO3‐, 

N2

1Dykstra, C., Pavlostathis, S.G. (2017), “Evaluation of gas and carbon transport in a methanogenic bioelectrochemical system (BES)”, Biotechnology & Bioengineering, 114(5), 961-969.

Page 24: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

24

Biocathode Performance – AD Biogas FeedDo biogas components contribute to BES current? 

• At more negative applied cathode potentials, the maximum possible contribution of CH4, H2S and NH3to the charge transferred during a 1‐d feeding cycle was minimal.

• NH3 was not an important contributor to charge due to its low abundance in biogas.

• At ‐0.80 V cathode potential, the difference in the amount of charge transferred in the biogas‐fed cycle and the CO2‐fed cycle cannot be completely explained by the oxidation of biogas CH4, H2S and NH3 at the anode. 

• Changes in microbial community and/or gene expression? (Under investigation)

CHARGE TRANSFERRED (C)0 50 100 150 200

APPL

IED

PO

TEN

TIAL

(V v

s. S

HE)

-0.80-0.75-0.70-0.65-0.60-0.55-0.50 CH4

H2SNH3

Biogas-fedCO2-fed

Page 25: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

25

Conclusions• The biocathode bacterial community significantly affects archaeal CH4 production. Exoelectrogenic heterotrophs may promote biocathode CH4 production within a biofilm fed only with CO2.

• H2S, a common biogas contaminant, is transported across the proton exchange membrane from cathode to anode, where it is oxidized and contributes electrons to the anode. 

• At low H2S concentrations (≤ 3%, v/v), H2S increases biocathode CH4 production due to increased current. At high H2S concentrations (≥ 4%, v/v), H2S may be inhibitory to the methanogenic biofilm and reduce overall biocathode CH4 production.

• Anaerobic digester biogas was successfully upgraded using a methanogenic bioelectrochemical system.

Page 26: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

26

Acknowledgement

For further information contact: S. G. PavlostathisE-mail: [email protected] Website: http://www.ce.gatech.edu/people/faculty/961/overview

This material is based in part upon work supported by the US National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No. DGE‐1148903.

Page 27: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

27

Extra Slides

Page 28: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

MATERIALS  AND  METHODS

28

Efficiency CalculationsCE, Coulombic Efficiency: The ratio of total Coulombs actually transferred to the anode from the substrate, to maximum possible Coulombs if all substrate removal produced current. [1]

CCE, Cathode Capture Efficiency:  The ratio of total Coulombs actually transferred to the CH4 from the cathode, to maximum possible Coulombs if all current produced CH4. [2]

Electrochemical AnalysesOhm’s Law: I = V/R where I is the current, V is the voltage between the anode and cathode and R is the sum of all resistances within the circuit.Cyclic Voltammetry: [3]

[1] Logan et al., 2006. ES&T;  [2] Villano et al., 2013. Bioresource Technol.; [3] http://www.ceb.cam.ac.uk/research/groups/rg‐eme/teaching‐notes/linear‐sweep‐and‐cyclic‐voltametry‐the‐principles

Reversible rxn

Non‐reversible rxn

Biofilm development on the cathode may catalyze the cathodic reaction and reduce the total resistance in the circuit, thereby increasing the current at a particular applied voltage.

Page 29: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

EFFECT  OF  CATHODE  H2S  ON  BES  PERFORMANCE

29

• Corrosive, toxic (NIOSH, IDLH = 100 ppm)

• Produced by sulfate‐reducing bacteria during anaerobic digestion and by the breakdown of HS‐containing compounds (e.g., cysteine)

• Inhibitory to methanogenesis during anaerobic digestion [1]

• Feedstock C:S ratio predicts biogas H2S [2]Desulfovibrio vulgaris

[1] Chen, Y., et al., 2008. Biores. Technol. 99(10), 4044‐4064.

[2] Peu, P., et al., 2012. BioresourceTechnol. 121, 419‐424.

FeedstockC/S         (g/g)

Theoretical Biogas H2S       (%, range)

Grease trap waste 798 0.0 – 0.1

Biological sludge 59 0.6 – 1.9

Industrial WW biological sludge 46 0.8 – 2.0

Pig bristles 19 2.0 – 4.9

Harvested green seaweed 7 5.5 – 17.7

Page 30: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

TIME (d)

0 2 4 6 8 10

MET

HAN

E (m

mol

)

0

1

2

3

R2 = 0.997

R2 = 0.999

EFFECT  OF  CATHODE  H2S  ON  BES  PERFORMANCE

30

7 cycles 3 cycles 3 cycles 3 cycles 1 cycle 1 cycle 1 cycle

100% CO2,no H2S

99% CO2, 1% H2S

98% CO2, 2% H2S

97% CO2, 3% H2S

96% CO2, 4% H2S

95% CO2, 5% H2S

94% CO2, 6% H2S

Linear biocathode CH4 production during the first 3 days of a feeding cycle

Page 31: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

EFFECT  OF  CATHODE  H2S  ON  BES  PERFORMANCE

31

Abiotic H2S Transport within a BES

H2S Transport Across the Membrane

• Abiotic BES with Pt‐coated carbon cloth anode and carbon felt cathode

• Open circuit conditions• Magnetically mixed• 3% H2S added to the headspace of the cathode• Cyclic voltammetry from ‐1.2 V to 0.2 V (vs. Ag/AgCl) 

at 100 mV/s• Sodium sulfide calibration curve constructed to 

convert current at 0.2 V vs. Ag/AgCl to sulfide ions

H2S Dissolution in the Cathode

• Abiotic BES with Pt‐coated carbon cloth cathode and carbon felt anode

• Open circuit conditions• Magnetically mixed• 3% H2S added to the headspace of the cathode• Cyclic voltammetry from ‐1.2 V to 0.2 V (vs. Ag/AgCl) 

at 100 mV/s; Measured current at 0.2 V.

TIME (min)

0 20 40 60 80TO

TAL

SULF

IDE

ION

S (m

M)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

TIME (min)

0 5 10 15 20 25 30

CU

RR

ENT

(mA)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

Page 32: Bioelectrochemical Conversion of Carbon Dioxide to Methane

EFFECT  OF  CATHODE  H2S  ON  BES  PERFORMANCE

32

‐0,03‐0,02‐0,010,000,010,020,030,040,050,060,07

‐1,2 ‐1,0 ‐0,8 ‐0,6 ‐0,4 ‐0,2 0,0

Curren

t (mA)

Voltage (V vs. Ag/AgCl)

0% H2S 4% H2S

5% H2S 6% H2S

H2S (%) CE (%) CCE (%)

0 11 100

4 19 99

5 58 13

6 58 15

2

2

2

2

Above 4% H2S v/v, the cathode biofilm is significantly inhibited.