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一种有机物 氧化降解同步CO2甲烷化的微 生物 电解池

阅读：704发布：2021-04-11

专利汇可以提供一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池，其特点是电解池的阳极和阴极为碳棒轴向设置数个石墨毡的复合生物电极，阳极室由设置质子跨膜蠕动泵的管路与阴极室连通；所述石墨毡为导电高聚物材料制成具有三维结构的电极。本实用新型与现有技术相比具有强化电活性功能菌的附着生长、生物膜的形成以及电子的传导，较好的解决了反应器运行过程中PEM污染而导致质子H+传输受阻的问题，避免阴极室CH4产生效率低下，提高质子H+传输通量，利于提高CH4产生效率，具有较广泛的应用前景。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池，包括设有恒电位仪（4）和电流记录仪（5）的双室微生物电解池（1），阳极室与阴极室之间设有质子交换膜（3），其特征在于阳极室内设有阳极复合生物电极（2），阴极室内设有阴极复合生物电极（7）、CO2曝气管（6）和参比电极（11），阳极室由设置质子跨膜蠕动泵（9）的管路与阴极室连通；所述阳极复合生物电极（2）和阴极复合生物电极（7）为碳棒电极（21）轴向设置的数个石墨毡（22）；所述石墨毡（22）为布条状叠加包裹在碳棒电极（21）上，且由碳丝（23）将其包覆固定；所述恒电位仪（4）与电流记录仪（5）并接，其正极与阳极复合生物电极（2）电性连接，负极与阴极复合生物电极（7）和参比电极（11）电性连接；所述阴极室设有出水蠕动泵（10）连接的出水管道和甲烷气出口（12）；所述阳极室设有进水蠕动泵（8）连接的进水管道。
2.根据权利要求1所述有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池，其特征在于所述石墨毡（22）为导电高聚物材料制成具有三维结构的电极。

说明书全文

一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微 生物 电解池

技术领域

[0001] 本实用新型涉及微生物电化学技术领域，尤其是一种微生物电解池及其强化有机物氧化降解同步CO2甲烷化方法。

[0002] 背景技术：

[0003] 微生物电解池（MEC）技术以富集于阴极表面的电活性功能菌为生物催化剂，在外源低电势的驱动下，突破超电势与内电阻限制，以CO2为碳源，催化合成CH4等多种低碳燃料，从而实现CO2减排与增值回用。在反应室阳极，接种活性微生物为阳极氧化剂，催化电子供体（水、小分子有机酸以及大分子碳水化合物等）发生氧化反应，释放电子和质子H+，其中，电子经由外电路传至阴极，在阴极通过还原反应被加以利用；质子H+经两反应室间的质子交换膜（PEM）进入阴极，参与甲烷形成反应。

[0004] 目前，在MEC的阳极室中，多用水作为电子/质子H+的供体，但水分子裂解所需的理论电极电势较高（+ 0.820 V vs. SHE），过高的分解电位会增加所需的外源电压，削减电甲烷体系的总能源效率，以及可能导致电极腐蚀、分解，甚至中断电子/质子H+供给。鉴于+此，采用废弃生物质等作为电子/质子H供体可在提高CH4合成过程的稳定性的同时，实现高效降解有机物。

[0005] 现有技术的有机物降解同步实现CO2生物电甲烷化的研究中，随着反应时间的延长，质子交换膜可能出现不同程度的污染，阳极电子供体以及电活性功能菌的附着沉积阻塞了质子H+往阴极传递的通路，降低其传递效率，导致阴极甲烷形成过程受阻。针对此问题并未提出较好的解决方法，只是以短期批次试验为主，以避免出现此问题。但就短期批次试验而言，其虽在验证预期结论的时效性方面存在优势，但仍存在一些不可避免的不完善之处。一方面，鉴于实验时间的紧迫性，短期实验过程中电活性功能菌的高效率和高稳定性活动予以期望，这将提高对电活性功能菌的要求；另一方面，短期研究得出的结果是否足以支持适用于工程的结论，仍需进一步探究。因此，为实现持续高效的CO2减排与转化再利用甲烷，有必要提出一种有效地强化质子跨膜传输方法。实用新型内容

[0006] 本实用新型的目的是针对现有技术的不足而设计的一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池，采用复合生物电极表面负载电活性功能菌和CO2曝气的微生物电解池结构，以及质子跨膜阳极室与阴极室的质子传输，在外加电势作用下，阳极电活性功能菌降解预降解基质，产生质子H+以及电子，质子H+通过质子交换膜（PEM）进入阴极，在生物电化学合成CH4过程中微生物从电极表面接收电子将曝入的CO2还原为CH4，从而实现碳减排与增值回用，实现阴极室高效还原CO2合成CH4提供质子，强化阴极室甲烷回收效率，结构简单，甲烷回收效率高，具有较好的社会效益和经济效益。

[0007] 本实用新型的目的是这样实现的：一种有机物氧化降解同步CO2甲烷化的微生物电解池，包括设有恒电位仪和电流记录仪的双室微生物电解池，阳极室与阴极室之间设有质子交换膜，其特点是阳极室内设有阳极复合生物电极，阴极室内设有阴极复合生物电极、CO2曝气管和参比电极，阳极室由设置质子跨膜蠕动泵的管路与阴极室连通；所述阳极复合生物电极和阴极复合生物电极为碳棒电极轴向设置的数个石墨毡；所述石墨毡为布条状叠加包裹在碳棒电极上，且由碳丝将其包覆固定；所述恒电位仪与电流记录仪并接，其正极与阳极复合生物电极电性连接，负极与阴极复合生物电极和参比电极电性连接；所述阴极室设有出水蠕动泵连接的出水管道和甲烷气出口；所述阳极室设有进水蠕动泵连接的进水管道。

[0008] 所述石墨毡为导电高聚物材料制成具有三维结构的电极。

[0009] 本实用新型与现有技术相比具有以下有益技术效果：

[0010] （1）、采用双室微生物电解池反应器实现CO2甲烷化，较单室而言，可有效减少微生物和终产物的交叉、提高产物纯度、避免短路，从而提高甲烷产生性能。

[0011] （2、）采用电活性功能菌附着于碳棒-石墨毡材料作为两极复合生物电极，充分利用石墨毡的三维结构及优良的导电性能，以强化电活性功能菌的附着生长、生物膜的形成以及电子的传导。

[0012] （3）、将CO2进气口沿PEM膜面切向设置进行C源补给，实现膜界面液体的微流态化，增强膜面剪切冲刷，降低膜面积垢和膜阻，提高质子H+传输通量，利于提高CH4产生效率。

[0013] （4）、质子跨膜传输泵可通过将阳极降解后的基质抽吸出来并泵入阴极室，实现质子跨膜传输的强化，避免因反应器运行过程中PEM污染而导致质子H+传输受阻，从而避免阴极室CH4产生效率低下。

[0014] （5）、能适应不同的进水情况和处理要求，具有占地面积小，可实现长期稳定运行，具有较广泛的应用前景。

[0015] （6）自动化程度高，安装维护方便，运行稳定，对操作人员要求低。附图说明

[0016] 图1为本实用新型结构示意图；

[0017] 图2为复合生物电极安装示意图。

具体实施方式

[0018] 参阅附图1，本实用新型包括：质子交换膜（PEM）3隔开的双室微生物电解池（双室MEC反应器）1，阳极室内设有阳极复合生物电极2，阴极室内设有阴极复合生物电极7、参比电极11和底部的CO2曝气管6，所述阴极复合生物电极7设置在CO2曝气管6上方，且与阳极复合生物电极2通过电路与恒电位仪4与电流记录仪5电性连接；所述阳极室底部设有连接进水蠕动泵8的进水管道，上部设有连接质子跨膜蠕动泵9的管路与阴极室底部连通；所述进水蠕动泵8将预降解基质送入该双室微生物电解池1的阳极室；所述质子跨膜蠕动泵9将与阳极降解后的基质抽吸出来并泵入阴极室，实现质子跨膜传输的强化，避免因反应器运行过程中，由于PEM污染而导致的质子传输受阻，最终导致阴极室CH4产生效率低下。

[0019] 参阅附图2，所述阳极复合生物电极2和阴极复合生物电极7包含：设置在碳棒电极21中心的两个石墨毡22，所述石墨毡22分别叠加包裹在碳棒电极21外围，并由碳丝23包覆固定。

[0020] 本实用新型采用双室微生物电解池1实现CO2甲烷化，较单室而言，可有效减少微生物和终产物的交叉，提高产物纯度和避免短路。同时，阳极复合生物电极2与阴极复合生物电极7由碳棒电极21、石墨毡22以及负载微生物制成，具有良好的三维结构利于微生物附着。并且，将CO2 进气口沿PEM膜面切向设置进行 C 源补给，这一设置可实现膜界面液体的微流态化，增强膜面剪切冲刷，降低膜面积垢和膜阻，提高质子H+传输通量，利于提高CH4产生效率。同时将阳极出水基质循环补入阴极室，提高阴极室质子H+补入，最终提高CO2电甲烷合成效率。

[0021] 以上只是对本实用新型做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本实用新型等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。

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