一种利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的装置及方法
【专利摘要】本发明属于清洁能源生产及应用领域，具体地，涉及一种利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的装置及方法。本发明的装置，包括电解槽（4）、电解槽阳极（9）以及电解槽阴极（10）；还包括生物质能转换反应器（3）；所述生物质能转换反应器（3），包括：池体（12）、生物质能转换反应器阴极（7）以及生物质能转换反应器阳极（8）；所述生物质能转换反应器阴极（7）覆盖于池体（12）的池口，并与电解槽阳极（9）相连接；所述生物质能转换反应器阳极（8）位于池体（12）内，并穿透生物质能转换反应器阴极（7）与电解槽阴极（10）相连。本发明将化学能转换为电能再转换为化学能，实现了清洁能源运用于工业生产的直接转换，对节能减排及可持续发展有重要的意义。
【专利说明】—种利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于清洁能源生产及应用领域，具体地，涉及一种利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的装置及方法。特别涉及一种以可生化的生物质作为微生物的营养物质，经微生物的电化学反应过程产生电能，然后利用该电能对金属盐溶液进行电解，使其电解槽阴极发生还原作用从而获得高纯金属或其氧化物的方法及装置。
【背景技术】
[0002]电解是湿法冶金过程中一个重要的单元过程，是目前工业生产纯有色金属的主要方法，但长期以来存在着能耗大的缺点，特别是电解沉积过程，随着世界能源的日趋紧缺，开发清洁能源是企业降低生产成本和应对世界能源供应日趋紧张的必然要求。
[0003]生物质能源是仅次于石油、煤炭和天然气的世界第四大能源，具有可再生和环境友好双重属性，其开发利用是发展新型能源的重要选择，是国际可再生能源领域的焦点。生物质能转换直接获得电能是一种新型的环境生物技术，是利用微生物的催化作用降解生物质从而将生物质能转换为电能，利用该电能直接电解金属或金属氧化物不仅具有清洁、低碳、低成本的特点，还可以省去交流变直流的整流过程，对电解工业的发展具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种利用生物质能经转化所获得的电能来进行电解制备高纯金属或金属氧化物的装置及方法，减少了对传统能源的利用，降低了生产成本以及对环境的污染。
[0005]本发明的利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的装置，包括电解槽4、电解槽阳极9以及电解槽阴极10 ;还包括生物质能转换反应器3 ；
[0006]所述生物质能转换反应器3，包括:池体12、生物质能转换反应器阴极7以及生物质能转换反应器阳极8 ;所述生物质能转换反应器阴极7覆盖于池体12的池口，并与电解槽阳极9相连接；所述生物质能转换反应器阳极8位于池体12内，并穿透生物质能转换反应器阴极7与电解槽阴极10相连。
[0007]根据本发明的装置，所述生物质能转换反应器阴极7与生物质能转换反应器阳极8的材料优选为碳纤维毡或碳纤维布。
[0008]本发明所述的电解槽阴极材料和电解槽阳极材料根据电解金属材料的不同，依据本领域公知的方法选取材料，例如纯金属板、粗金属板或石墨板等。
[0009]具体地，例如针对不同的物质，电解的方法主要有下面几种:
[0010]对于电解精炼:比如电解铜，就是把粗铜板(杂质含量高)作为阳极，纯的铜板作为阴极，电解时阳极粗铜会逐渐溶解，溶解下来的铜离子会在阴极上沉积下来，从而达到纯的金属。
[0011]电解:比如锰，它需要用不锈钢板作为阴极，石墨板作为阳极，电解液为硫酸锰，这样溶液中的锰离子会沉积在不锈钢板上，然后把它剥落下来。
[0012]对于电解金属氧化物，比如二氧化锰，需要钛板作为阳极，石墨板作为阴极，硫酸锰作为电解液，锰离子与氧气生成二氧化锰，沉积在阳极。
[0013]根据本发明的装置，优选地，所述生物质能转换反应器阳极8填充体积为池体12内部容积的1/10~1/2。
[0014]根据本发明的装置，所述生物质能转换反应器3的池体12侧壁依次连接生物质投料泵2和生物质储备槽I。
[0015]根据本发明的装置，所述电解槽4侧壁依次连接电解液投料泵13和电解液储备槽6。
[0016]根据本发明的装置，所述生物质能转换反应器阴极7通过恒电流控制器5与电解槽阳极9相连接；所述生物质能转换反应器阳极8通过恒电流控制器5与电解槽阴极10相连接。
[0017]本发明的基于上述装置利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的方法，包括以下步骤:
[0018]I)将菌液添加入生物质能转换反应器的池体内，液面接触生物质能转换反应器阴极；
[0019]2)将生物质加入生物质能转换反应器的池体内，当生物质能转换反应器内电压稳定后，将电解液装入电解槽内，使电解槽内电解液温度达到30~100°C ；
[0020]3)将生物质能转换反应器阳极连入电解槽阴极，将生物质能转换反应器阴极连入电解槽阳极，进行电解。
[0021]根据本发明的方法，在生物质能转换反应器使用前，电极需要预处理。具体为，将生物质能转换反应器阳极经200~600°C预氧化处理；在生物质能转换反应器阴极的触空气面涂覆催化剂(如Fe-N-C催化剂等可以催化H+与氧气常温下生成为水)，在触水面涂覆疏水剂。所述生物质能转换反应器阴极与阳极通过绝缘套管隔离。
[0022]本发明依据具体电解金属或金属氧化物来选取电解液，优选地，所述电解液为50~200g/L的金属盐溶液和50~250g/L的相对应的无机酸溶液。优选电解液的pH值为2~7。
[0023]根据本发明的方法，所述菌液中细菌为克雷伯杆菌属、希瓦氏菌属、地杆菌属、假单胞菌属和铁还原红螺菌中的一种或几种。优选的菌液中细菌处在对数生长期，种子液的OD600为0.3~0.7，接种量为菌液培养基体积的20%~60%。
[0024]本发明所述菌液的培养基配方为:KC10.1~0.5g/L、NaCl2~4g/L、NH4Cl0.1~0.5g/L、KH2P042 ~3g/L、Κ2ΗΡ043.5 ~4.5g/L、wolfe 微量维生素混合溶液 I ~10mL/L 和wolfe微量矿物质元素I~10mL/L。
[0025]本发明可以将若干生物质能转换反应器串并联进行电解金属或金属氧化物，以增大其输出电压和电流。
[0026]本发明所使用的生物质包括农林资源、餐厨垃圾、畜禽粪便、有机污废水或污水污泥中的一种或几种。对于生物质尤其是固态生物质，需对其进行预处理，包括破碎、发酵等。
[0027]本发明的原理为:生物质在产电微生物的作用下被氧化，产生电子和质子，电子经传递至生物质能转换反应器中的阳极，然后通过外电路传递给阴极。在阴极，扩散过来的质子和氧气得到电子而发生还原反应，生成水，其反应方程式如下:
[0028]阳极反应:
【权利要求】
1.一种利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的装置，其特征在于，所述装置包括电解槽(4)、电解槽阳极(9)以及电解槽阴极(10);还包括生物质能转换反应器(3)； 所述生物质能转换反应器(3)，包括:池体(12)、生物质能转换反应器阴极(7)以及生物质能转换反应器阳极(8); 所述生物质能转换反应器阴极(7)覆盖于池体(12)的池口，并与电解槽阳极(9)相连接；所述生物质能转换反应器阳极(8)位于池体(12)内，并穿透生物质能转换反应器阴极(7)与电解槽阴极(10)相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生物质能转换反应器阴极(7)与生物质能转换反应器阳极(8)的材料为碳纤维毡或碳纤维布。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生物质能转换反应器(3)的池体(12)侧壁依次连接生物质投料泵(2 )和生物质储备槽(I)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电解槽(4)侧壁依次连接电解液投料泵(13)和电解液储备槽(6)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生物质能转换反应器阴极(7)通过恒电流控制器(5)与电解槽阳极(9)相连接；所述生物质能转换反应器阳极(8)通过恒电流控制器(5)与电解槽阴极(10)相连接。
6.一种基于权利要求1-5所述装置利用生物质能转换电解金属或金属氧化物的方法，包括以下步骤: 1)将菌液添加入生物质能转换`反应器的池体内，液面接触生物质能转换反应器阴极；` 2)将生物质加入生物质能转换反应器的池体内，当生物质能转换反应器电压稳定后，将电解液装入电解槽内，使电解槽内电解液温度达到30~100°C ； 3)将生物质能转换反应器阳极连入电解槽阴极，将生物质能转换反应器阴极连入电解槽阳极，进行电解。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生物质能转换反应器阳极经200~600 °C预氧化。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在生物质能转换反应器阴极的接触空气面涂覆催化剂，在触水面涂覆疏水剂；生物质能转换反应器阴极与阳极通过绝缘套管隔离。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电解液为50~200g/L的金属盐溶液和50~250g/L的无机酸溶液。
10.根据权利要求6或9所述的方法，其特征在于，所述电解液的pH值为2~7。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述菌液中细菌为克雷伯杆菌属、希瓦氏菌属、地杆菌属、假单胞菌属和铁还原红螺菌中的一种或几种。
12.根据权利要求6或11所述的方法，其特征在于，所述菌液中细菌处在对数生长期，种子液的OD6tltl为0.3~0.7，接种量为菌液培养基体积的20%~60%。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，若干所述生物质能转换反应器串并联进行电解金属或金属氧化物。
14.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生物质包括农林资源、餐厨垃圾、畜禽粪便、有机污废水或污水污泥中的一种或几种。
【文档编号】H01M8/16GK103526228SQ201310439637
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】李浩然, 王维大, 杨志超, 蔡震雷 申请人:中国科学院过程工程研究所