基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备及其使用方法与流程

本发明属于能源自驱动还原二氧化碳缓解温室气体领域，具体涉及一种在阴极还原二氧化碳的设备及其使用方法。

背景技术：

改革开放以来，随着经济的高速发展，由于经济发展方式粗放、产业结构和布局不合理以及保护环境基础设施落后随之而带来的一系列的环境问题例如大气污染和水体污染。据资料显示，在全球范围内有将近80％的污水在没有收到任何处理过程就直接排放大量的污染物的排放对水体造成了严重的污染，破坏了原有的生态系统，对人类的健康构成了重要的威胁。目前常用的水处理工艺大多为活性污泥法及其变形式工艺，例如ao、aao法、氧化沟等。它们通过好氧微生物降解污水中有机物的方式达到处理废水的目的，为了保证微生物的活性以及其与污染物的充分接触需要曝入大量的气体，从而使污水厂成为了耗能大户，此外，污水厂在处理在废水的同时会排放大量的二氧化碳温室气体，据估计，2003-2008年我国污水处理过程中直接排放的温室气体量从0.53亿吨二氧化碳当量增加到了2009年0.75亿吨二氧化碳当量，事实上，污水中蕴含着大量的化学能。理论上，1kgcod完全氧化能产生3.86kwh的电能。近几年新出现的生物电化学技术可以利用微生物对有机物的降解达到同时净化污水以及产电的作用。该工艺操作简单、产泥量低、可在常温下进行、适合对浓度不同的废水处理，相比于传统的水处理工艺具有一定的优势。微生物电化学系统能利用阳极腔室内的微生物氧化水中的污染物质进而产生电子，该电子通过外电路传递在阴极形成回路。该系统不需要外界提供能量、产泥量低、所产生的能量可以被收集起来作为电催化强化去除污染物以及一些其他用处。海洋能是一种蕴藏于海洋中的可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海水盐差能等。其中盐差能是海洋能中能量密度最大的一种可再生能源，根据吉布斯自由能可以计算出海水与1m³的河水混合的理论上能产生2.3mj的能量。这种绿色的干净的盐差能数量巨大，根据文献的报道，在全世界范围内可供利用的盐差能约为2.6tw，国内可供利益的盐差能约为0.1tw。

技术实现要素：

本发明提供一种利用污水中的化学能和浓淡水的盐差能原位还原二氧化碳的设备，基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备及其使用方法。

基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备，包括阴极室、反向电渗析装置、阳极室、二氧化碳出气管、阴极参比电极、二氧化碳进气管、阴极工作电极、外接电阻、阳极工作电极和阳极参比电极；

二氧化碳出气管、阴极参比电极、二氧化碳进气管和阴极工作电极设置在阴极室中，阳极工作电极和阳极参比电极设置在阳极室中，利用导线将阳极工作电极与阴极工作电极连接，且在导线上设置外接电阻；

反向电渗析装置设置在阴极室和阳极室之间；

所述反向电渗析装置包括阴极浓淡水进出水室、若干张阳离子交换膜、若干张阴离子交换膜、若干淡水室、若干浓水室、阳极浓淡水进出水室、浓水进水管、淡水出水管、淡水进水管和浓水出水管；阴极浓淡水进出水室设置在阴极室的一侧，阳极浓淡水进出水室设置在阳极室的一侧，若干淡水室与若干浓水室交替设置在阴极浓淡水进出水室和阳极浓淡水进出水室之间，且与阴极浓淡水进出水室相邻的腔室为浓水室，与阳极浓淡水进出水室相邻的腔室为淡水室；在浓水室的靠近阴极室的一侧设置1张阳离子交换膜，靠近阳极室的一侧设置1张阴离子交换膜；在淡水室的靠近阴极室的一侧设置1张阴离子交换膜，靠近阳极室的一侧设置1张阳离子交换膜，且保证相邻的浓水室和淡水室之间有且仅有1张阳离子交换膜或1张阴离子交换膜；

阴极浓淡水进出水室的腔室与阴极室连通；

阳极浓淡水进出水室的腔室与阳极室连通；

在阳离子交换膜的上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，在阴离子交换膜的上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，在淡水室上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，且淡水室上部和下部设置的淡水出口与腔室连通，且淡水室上部和下部设置的浓水出口与腔室不连通，在浓水室上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，且浓水室上部和下部设置的淡水出口与腔室不连通，且浓水室上部和下部设置的浓水出口与腔室连通；

浓水进水管设置在阴极浓淡水进出水室顶部，且浓水进水管与阴极浓淡水进出水室相邻的阳离子交换膜上部设置的浓水出口连通，淡水出水管设置在阴极浓淡水进出水室底部，且淡水出水管与阴极浓淡水进出水室相邻的阳离子交换膜下部设置的淡水出口连通；

淡水进水管设置在阳极浓淡水进出水室顶部，且淡水进水管与阳极浓淡水进出水室相邻的阳离子交换膜上部设置的淡水出口连通，浓水出水管设置在阳极浓淡水进出水室底部，且浓水出水管与阳极浓淡水进出水室相邻的阳离子交换膜下部设置的浓水出口连通；

由浓水进水管、阳离子交换膜的上部和下部设置的浓水出口、浓水室、阴离子交换膜的上部和下部设置的浓水出口和浓水出水管组成浓水流道；

由淡水进水管、阳离子交换膜的上部和下部设置的淡水出口、淡水室、阴离子交换膜的上部和下部设置的淡水出口和淡水出水管组成淡水流道。

工作原理：本设备先在阳极工作电极上负载产电微生物，然后向阳极室内注入生活污水作为阳极液，在阴极室注入二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液作为阴极液，浓水流道和淡水流道分别流动浓盐水和淡水，在反向电渗析装置中形成离子迁移的内电流，在外电路连通的阴极发生得到电子的还原反应在阳极发生产生电子的氧化反应形成电子在外电路的迁移，整个系统构成完整的闭合回路；在阳极室内利用阳极工作电极上负载产电微生物消耗cod提供电子，在阴极室二氧化碳消耗电子转化为甲酸，最终在阳极室实现生活污水中cod的去除，在阴极室实现将二氧化碳还原为甲酸。

基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的使用方法，具体是按以下步骤完成的：

一、阳极微生物的培养：将带有阳极工作电极和阳极参比电极的阳极室从基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上卸下来，并在与阳极浓淡水进出水室的腔室连通的连通口安装空气阴极，利用导线将阳极工作电极与空气阴极连接，且在导线上连接阻值为500ω的电阻，阳极工作电极为碳刷，向阳极室中注满驯化培养液，所述驯化培养液中cod浓度为750mg/l～900mg/l，且驯化培养液中添加微量元素浓缩液、磷酸盐缓冲溶液和维生素浓缩液，微量元素浓缩液的添加量为1.5ml/l～2.5ml/l，所述微量元素浓缩液中氨三乙酸的浓度为15mg/l～25mg/l，七水硫酸镁的浓度为25mg/l～35mg/l，一水硫酸锰的浓度为4.5mg/l～5.5mg/l，氯化钠的浓度为9mg/l～11mg/l，七水硫酸亚铁的浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，二水氯化钙的浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，六水氯化钴的浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，氯化锌的浓度为1mg/l～1.6mg/l，五水硫酸铜的浓度为0.05mg/l～0.15mg/l，十二水硫酸铝钾的浓度为0.05mg/l～0.15mg/l，硼酸的浓度为0.05mg/l～0.15mg/l，二水钼酸钠的浓度为0.2mg/l～0.3mg/l，六水氯化镍的浓度为0.22mg/l～0.26mg/l，二水钨酸钠的浓度为0.2mg/l～0.3mg/l；维生素浓缩液的添加量为0.6ml/l～1.4ml/l，所述维生素浓缩液中生物素的浓度为5mg/l～15mg/l，叶酸的浓度为5mg/l～15mg/l，维生素b6的浓度为45mg/l～55mg/l，核黄素的浓度为20mg/l～30mg/l，硫铵的浓度为20mg/l～30mg/l，烟碱酸的浓度为20mg/l～30mg/l，泛酸的浓度为20mg/l～30mg/l，维生素b12的浓度为0.45mg/l～0.55mg/l，p-氨基苯酚的浓度为20mg/l～30mg/l，硫辛酸的浓度为20mg/l～30mg/l；磷酸盐缓冲溶液的添加量为50ml/l，磷酸盐缓冲溶液中nh4cl的浓度为3.1g/l，kcl的浓度为1.3g/l，nah2po4·2h2o的浓度为33.2g/l，na2hpo4·12h2o的浓度为103.2g/l；阳极室在温度为30℃±1℃下进行恒温间歇驯化培养，当输出电压低于50mv左右时，阳极室更换一次驯化培养液，并继续驯化，驯化至峰值电压达到0.5v以上，驯化完成，得到驯化后带有阳极工作电极和阳极参比电极的阳极室；

二、准备阶段：①、将驯化后带有阳极工作电极和阳极参比电极的阳极室重新安装到基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上，保证阳极浓淡水进出水室的腔室与阳极室连通，并利用导线将阳极工作电极与阴极工作电极连接；将阳极室中驯化培养液全部倒出，并注满生活污水，所述生活污水中cod的浓度为700mg/l～900mg/l，且生活污水中添加磷酸盐缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液的添加量为50ml/l，磷酸盐缓冲溶液中nh4cl的浓度为3.1g/l，kcl的浓度为1.3g/l，nah2po4·2h2o的浓度为33.2g/l，na2hpo4·12h2o的浓度为103.2g/l；②、阴极工作电极为附着bi催化剂铜片，向阴极室中注入阴极液，至阴极参比电极、二氧化碳进气管和阴极工作电极的一端淹没，且阴极液不与二氧化碳出气管下端接触，所述阴极液为二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液，且二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液中碳酸氢钾的浓度为0.1mol/l～0.5mol/l；③、从浓水进水管注入浓盐水，所述浓盐水为海水，浓盐水沿浓水流道流动，从浓水出水管流出；从淡水进水管注入淡水，所述淡水中nacl的浓度不高于0.7g/l，淡水沿淡水流道流动，从淡水出水管流出；

三、正常运行：外接电阻的阻值设置为30ω，将浓水出水管和淡水出水管放入去离子水中，利用蠕动泵以流速为30ml/min～40ml/min进行倒抽，至气泡出现为止，再以流速为4ml/min～6ml/min从浓水进水管注入浓盐水，以流速为4ml/min～6ml/min从淡水进水管)注入淡水，以流量为10ml/min～15ml/min从二氧化碳进气管向阴极室注入二氧化碳，持续运行至阴极电势＞-1.2v时停止。

本发明有益效果：

一、本发明基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备利用盐差能和化学能直接对二氧化碳进行还原。在不外加电源的情况下，利用不同浓度的盐溶液的势差能，以及生活污水中化学能为阴极催化剂提供所需的电压，将二氧化碳还原为甲酸。

二、本发明基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备不仅实现阴极对二氧化碳还原，还能实现阳极对污染物的去除，工艺简单，无污染，实现系统能量自给下的二氧化碳的固定和转化。

三、本发明基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备中阳极进水中cod的浓度为750mg/l～900mg/l，阳极出水中cod的浓度为78mg/l～82mg/l，去除率达到了89％。

四、本发明基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的阴极产甲酸的法拉第效率为41％。

附图说明

图1是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备结构示意图；图中1表示二氧化碳出气管，2表示阴极参比电极，3表示二氧化碳进气管，4表示阴极工作电极，5表示浓水进水管，6表示淡水出水管，7表示淡水进水管，8表示浓水出水管，9表示外接电阻9，10表示阳极工作电极，11表示阳极参比电极，16表示阴极室，17表示反向电渗析装置，18表示阳极室；

图2是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的膜堆组装方式示意图；图中5表示浓水进水管，6表示淡水出水管，7表示淡水进水管，8表示浓水出水管，12表示阴极浓淡水进出水室，13表示阳离子交换膜，14表示阴离子交换膜，15表示阳极浓淡水进出水室，19表示淡水室，20表示浓水室；

图3是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的工作原理示意图；图中4表示阴极工作电极，5表示浓水进水管，8表示浓水出水管，9表示外接电阻，10表示阳极工作电极，13表示阳离子交换膜，14表示阴离子交换膜，16表示阴极室，17表示反向电渗析装置，18表示阳极室；

图4是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的阴极电势随时间变化图；

图5是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的阳极电势随时间变化图；

图6是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的膜电压随时间变化图；

图7是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的电压/电流随时间变化图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备，包括阴极室16、反向电渗析装置17、阳极室18、二氧化碳出气管1、阴极参比电极2、二氧化碳进气管3、阴极工作电极4、外接电阻9、阳极工作电极10和阳极参比电极11；

二氧化碳出气管1、阴极参比电极2、二氧化碳进气管3和阴极工作电极4设置在阴极室16中，阳极工作电极10和阳极参比电极11设置在阳极室18中，利用导线将阳极工作电极10与阴极工作电极4连接，且在导线上设置外接电阻9；

反向电渗析装置17设置在阴极室16和阳极室18之间；

所述反向电渗析装置17包括阴极浓淡水进出水室12、若干张阳离子交换膜13、若干张阴离子交换膜14、若干淡水室19、若干浓水室20、阳极浓淡水进出水室15、浓水进水管5、淡水出水管6、淡水进水管7和浓水出水管8；阴极浓淡水进出水室12设置在阴极室16的一侧，阳极浓淡水进出水室15设置在阳极室18的一侧，若干淡水室19与若干浓水室20交替设置在阴极浓淡水进出水室12和阳极浓淡水进出水室15之间，且与阴极浓淡水进出水室12相邻的腔室为浓水室20，与阳极浓淡水进出水室15相邻的腔室为淡水室19；在浓水室20的靠近阴极室16的一侧设置1张阳离子交换膜13，靠近阳极室18的一侧设置1张阴离子交换膜14；在淡水室19的靠近阴极室16的一侧设置1张阴离子交换膜14，靠近阳极室18的一侧设置1张阳离子交换膜13，且保证相邻的浓水室20和淡水室19之间有且仅有1张阳离子交换膜13或1张阴离子交换膜14；

阴极浓淡水进出水室12的腔室与阴极室16连通；

阳极浓淡水进出水室15的腔室与阳极室18连通；

在阳离子交换膜13的上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，在阴离子交换膜14的上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，在淡水室19上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，且淡水室19上部和下部设置的淡水出口与腔室连通，且淡水室19上部和下部设置的浓水出口与腔室不连通，在浓水室20上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，且浓水室20上部和下部设置的淡水出口与腔室不连通，且浓水室20上部和下部设置的浓水出口与腔室连通；

浓水进水管5设置在阴极浓淡水进出水室12顶部，且浓水进水管5与阴极浓淡水进出水室12相邻的阳离子交换膜13上部设置的浓水出口连通，淡水出水管6设置在阴极浓淡水进出水室12底部，且淡水出水管6与阴极浓淡水进出水室12相邻的阳离子交换膜13下部设置的淡水出口连通；

淡水进水管7设置在阳极浓淡水进出水室15顶部，且淡水进水管7与阳极浓淡水进出水室15相邻的阳离子交换膜13上部设置的淡水出口连通，浓水出水管8设置在阳极浓淡水进出水室15底部，且浓水出水管8与阳极浓淡水进出水室15相邻的阳离子交换膜13下部设置的浓水出口连通；

由浓水进水管5、阳离子交换膜13的上部和下部设置的浓水出口、浓水室20、阴离子交换膜14的上部和下部设置的浓水出口和浓水出水管8组成浓水流道；

由淡水进水管7、阳离子交换膜13的上部和下部设置的淡水出口、淡水室19、阴离子交换膜14的上部和下部设置的淡水出口和淡水出水管6组成淡水流道。

由若干张阳离子交换膜、若干张阴离子交换膜、若干淡水室和若干浓水室组成基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的膜堆，如图2所示，图2是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的膜堆组装方式示意图。

为了保证浓水流道或淡水流道中水流顺畅，并且防止由于多对膜之间的挤压使得膜与膜之间贴合而使得水流出现堵塞以及增加水流的紊动性，在每个淡水室19的腔室内安装1cm×1cm的导流网，在每个浓水室20的腔室内安装1cm×1cm的导流网。

由于浓淡水流通管道内会带入少量的气泡，长时间的运行会导致膜堆堆积大量气泡，大量的气泡减少了离子交换的有效面积，使得膜堆提供的电压减低。在这个时候需要对气泡进行一个抽吸，具体做法为：将出水管作为进水管，抽取去离子水用蠕动泵用高的流速进行反冲洗，冲洗至无气泡出现。

本实施方式基于反向电渗析的生物电化学系统，它通过将反向电渗析同微生物电化学系统耦合起来，可以进一步增强微生物电化学系统的电极作用，协同增强能量的输出，强化处理污水，该系统主要应用在向外输出电能，该部分的电能可以被利用用来将二氧化碳气体还原成功能性产品。实现系统能量自给下的二氧化碳的固定和转化。采用生物电化学耦合反向电渗析系统用来还原二氧化碳，实现污水和废气的联合处理，对促进碳的资源化循环具有重要的意义。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述阴极浓淡水进出水室12的腔室与阴极室16连通，在阴极浓淡水进出水室12的顶部设置浓水进水口，阴极浓淡水进出水室12的上部侧壁上设置90°弯头，利用90°弯头将浓水进水管与浓水进水口连通；在阴极浓淡水进出水室12的底部设置淡水出水口，阴极浓淡水进出水室12的下部侧壁上设置90°弯头，利用90°弯头将淡水出水口与淡水出水管连通，其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述阳极浓淡水进出水室15的腔室与阳极室18连通，在阳极浓淡水进出水室15的顶部设置淡水进水口，阳极浓淡水进出水室15的上部设置90°弯头，利用90°弯头将淡水进水管与淡水进水口连通；在阳极浓淡水进出水室15的底部设置浓水出水口，阳极浓淡水进出水室15的下部设置90°弯头，利用90°弯头将浓水出水口与浓水出水管连通。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：在阳极浓淡水进出水室15与相邻的阳离子交换膜13之间设置密封硅胶垫。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：在阴极浓淡水进出水室12与相邻的阳离子交换膜13之间设置密封硅胶垫。其他与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：所述阴极工作电极4为附着bi催化剂铜片。其他与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述阳极工作电极10为碳刷。其他与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：所述反向电渗析装置17包括11个淡水室19和11个浓水室20。

具体实施方式八：本实施方式是基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的使用方法，具体是按以下步骤完成的：

一、阳极微生物的培养：将带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18从基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上卸下来，并在与阳极浓淡水进出水室15的腔室连通的连通口安装空气阴极，利用导线将阳极工作电极10与空气阴极连接，且在导线上连接阻值为500ω的电阻，阳极工作电极10为碳刷，向阳极室18中注满驯化培养液，所述驯化培养液中cod浓度为750mg/l～900mg/l，且驯化培养液中添加微量元素浓缩液、磷酸盐缓冲溶液和维生素浓缩液，微量元素浓缩液的添加量为1.5ml/l～2.5ml/l，所述微量元素浓缩液中氨三乙酸的浓度为15mg/l～25mg/l，七水硫酸镁的浓度为25mg/l～35mg/l，一水硫酸锰的浓度为4.5mg/l～5.5mg/l，氯化钠的浓度为9mg/l～11mg/l，七水硫酸亚铁的浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，二水氯化钙的浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，六水氯化钴的浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，氯化锌的浓度为1mg/l～1.6mg/l，五水硫酸铜的浓度为0.05mg/l～0.15mg/l，十二水硫酸铝钾的浓度为0.05mg/l～0.15mg/l，硼酸的浓度为0.05mg/l～0.15mg/l，二水钼酸钠的浓度为0.2mg/l～0.3mg/l，六水氯化镍的浓度为0.22mg/l～0.26mg/l，二水钨酸钠的浓度为0.2mg/l～0.3mg/l；维生素浓缩液的添加量为0.6ml/l～1.4ml/l，所述维生素浓缩液中生物素的浓度为5mg/l～15mg/l，叶酸的浓度为5mg/l～15mg/l，维生素b6的浓度为45mg/l～55mg/l，核黄素的浓度为20mg/l～30mg/l，硫铵的浓度为20mg/l～30mg/l，烟碱酸的浓度为20mg/l～30mg/l，泛酸的浓度为20mg/l～30mg/l，维生素b12的浓度为0.45mg/l～0.55mg/l，p-氨基苯酚的浓度为20mg/l～30mg/l，硫辛酸的浓度为20mg/l～30mg/l；磷酸盐缓冲溶液的添加量为50ml/l，磷酸盐缓冲溶液中nh4cl的浓度为3.1g/l，kcl的浓度为1.3g/l，nah2po4·2h2o的浓度为33.2g/l，na2hpo4·12h2o的浓度为103.2g/l；阳极室18在温度为30℃±1℃下进行恒温间歇驯化培养，当输出电压低于50mv左右时，阳极室18更换一次驯化培养液，并继续驯化，驯化至峰值电压达到0.5v以上，驯化完成，得到驯化后带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18；

二、准备阶段：①、将驯化后带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18重新安装到基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上，保证阳极浓淡水进出水室15的腔室与阳极室18连通，并利用导线将阳极工作电极(10)与阴极工作电极(4)连接；将阳极室18中驯化培养液全部倒出，并注满生活污水，所述生活污水中cod的浓度为700mg/l～900mg/l，且生活污水中添加磷酸盐缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液的添加量为50ml/l，磷酸盐缓冲溶液中nh4cl的浓度为3.1g/l，kcl的浓度为1.3g/l，nah2po4·2h2o的浓度为33.2g/l，na2hpo4·12h2o的浓度为103.2g/l；②、阴极工作电极4为附着bi催化剂铜片，向阴极室16中注入阴极液，至阴极参比电极2、二氧化碳进气管3和阴极工作电极4的一端淹没，且阴极液不与二氧化碳出气管1下端接触，所述阴极液为二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液，且二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液中碳酸氢钾的浓度为0.1mol/l～0.5mol/l；③、从浓水进水管5注入浓盐水，所述浓盐水为海水，浓盐水沿浓水流道流动，从浓水出水管8流出；从淡水进水管7注入淡水，所述淡水中nacl的浓度不高于0.7g/l，淡水沿淡水流道流动，从淡水出水管6流出；

三、正常运行：外接电阻9的阻值设置为30ω，将浓水出水管8和淡水出水管6放入去离子水中，利用蠕动泵以流速为30ml/min～40ml/min进行倒抽，至气泡出现为止，再以流速为4ml/min～6ml/min从浓水进水管5注入浓盐水，以流速为4ml/min～6ml/min从淡水进水管7注入淡水，以流量为10ml/min～15ml/min从二氧化碳进气管3向阴极室16注入二氧化碳，持续运行至阴极电势＞-1.2v时停止。

本实施方式所述的碳刷采用的是上海河森电气有限公司生产的hcp330制备而成。

本实施方式所述的附着bi催化剂铜片具体制备方法如下：

①、配置硝酸铋溶液：将2.4gbi(no3)3·5h2o置于500ml容量瓶中，将7ml的浓硝酸和10ml的去离子水混合，得到浓度为0.2mol/l的稀硝酸，并将浓度为0.2mol/l的稀硝酸全部加入容量瓶中，摇晃容量瓶至bi(no3)3·5h2o完全溶解，采用去离子水进行定容，定容至500ml，得到硝酸铋溶液，所述硝酸铋溶液中bi(no3)3的浓度为10mmol/l；

②、电沉积：以硝酸铋溶液作为电镀液体，将40ml硝酸铋溶液置于电解池中，以不锈钢片作为对电极，铜片作为工作电极，采用控制电位法施加35ma的电流，沉积时间控制为1200s，在铜片上得到电沉积产物；对电极的面积为6cm²，工作电极的工作面积为2cm²；

③、清洗、干燥：先采用去离子水对电沉积产物进行清洗，洗涤至洗涤液呈中性为止，然后置于真空干燥箱内，在温度为60℃下干燥12h，得到附着bi催化剂铜片，所述附着bi催化剂铜片表面的bi催化剂呈纳米树枝状。

由于阴阳离子交换膜的选择性透过原则以及盐差的存在，使得浓水室内的钠离子和氯离子分别透过浓水室左右的阳膜和阴膜流向两侧的淡水室内，发生离子的定向迁移，从而形成内部电流，对外提供一个电势差。

本实施方式以附着bi催化剂铜片作为阴极工作电极4，以碳刷作为阳极工作电极10，在阴极室16设置甘汞电极作为阴极参比电极2，连接外接电阻9的导线将阴极工作电极4和阳极工作电极10连接，形成通路；利用蠕动泵将浓盐水和淡水在基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的浓水流道和淡水流道流动，若干张阳离子交换膜13、和若干张阴离子交换膜14的选择性透过原则以及盐差的存在，使得浓水室20内的钠离子和氯离子分别透过浓水室20左右的阳离子交换膜13和阴离子交换膜14流向两侧的淡水室19内，发生离子的定向迁移，形成离子迁移的内电流，通过阴极和阳极的电化学反应将离子迁移电流转化为电子迁移的外电路电流，形成完整的电路；在驯化过程，将带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18从基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上卸下来，并在与阳极浓淡水进出水室15的腔室连通的连通口安装空气阴极，利用导线将阳极工作电极10与空气阴极连接，且在导线上连接阻值为500ω的电阻，在温度为30℃±1℃下进行恒温间歇驯化，使碳刷上载有产电微生物，当驯化至峰值电压达到0.5v以上时，完成产电微生物的培养；正常运行过程，碳刷在驯化过程接种微生物培养，碳刷上附着有大量的稳定的产电微生物，这些产电微生物在对有机物消耗的同时会产生大量的电子，通过外电路的，在电压的驱动下，从阳极流到阴极，电子和足够的阴极电势(还原二氧化碳所需要的电位电位≤-1.2v，由附着bi催化剂铜片上的bi催化剂本身性质决定)使得阴极工作电极4上bi催化剂在充满二氧化碳气体的水溶液中发生二氧化碳还原反应，还原的产物为甲酸，因此在阳极室18中注满生活污水，利用蠕动泵开始注入浓盐水和淡水，使浓水流道内浓盐水和淡水流道流动内淡水流动，阴极室16通入二氧化碳，将外接电阻9的阻值调至为30ω，通过数据采集系统对系统运行时的阴极电势、电压、电流的变化进行检测。但随着阳极室18内产电微生物将有机物消耗，阳极提供的电压逐渐降低，当阴极电势＞-1.2v时，反应停止，正常反应时间能达到24h以上，反应停止后，阴极室16中阴极液为含甲酸溶液，阳极室18中生活污水完成cod的去除(cod的低于80mg/l)，并且需要同时更换阴极室16中阴极液和阳极室18中生活污水后，本实施方式设备才可以再次运行。

就本实施方式设备而言，反向电渗析装置17作为内部电源，微生物电化学系统(由阳极室18、阳极工作电极10和阳极参比电极11构成微生物电化学系统)以及阴极(阴极室16、阴极参比电极2和阴极工作电极4组成阴极)作为电解池，其中微生物电化学系统不仅能提供还原二氧化碳所需要的电子，还能提供一部分的电压减少压降，它与反向电渗析装置17共同提供还原二氧化碳所需要的电压使得阴极电势达到启动还原二氧化碳所需要的电势。阴极和阳极发生的反应为：

阳极：ch3coo^-+4h2o→2hco3^-+9h⁺+8e^-

阴极：co2+e^-→co2·

co2·+2e^-+h⁺→hcoo^-

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八的不同点是：步骤一中微量元素浓缩液的添加量为2ml/l，所述微量元素浓缩液中氨三乙酸的浓度为20mg/l，七水硫酸镁的浓度为30mg/l，一水硫酸锰的浓度为5mg/l，氯化钠的浓度为10mg/l，七水硫酸亚铁的浓度为1mg/l，二水氯化钙的浓度为1mg/l，六水氯化钴的浓度为1mg/l，氯化锌的浓度为1.3mg/l，五水硫酸铜的浓度为0.1mg/l，十二水硫酸铝钾的浓度为0.1mg/l，硼酸的浓度为0.1mg/l，二水钼酸钠的浓度为0.25mg/l，六水氯化镍的浓度为0.24mg/l，二水钨酸钠的浓度为0.25mg/l。其他与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八的不同点是：步骤一中维生素浓缩液的添加量为1ml/l，所述维生素浓缩液中生物素的浓度为10mg/l，叶酸的浓度为10mg/l，维生素b6的浓度为50mg/l，核黄素的浓度为25mg/l，硫铵的浓度为25mg/l，烟碱酸的浓度为25mg/l，泛酸的浓度为25mg/l，维生素b12的浓度为0.5mg/l，p-氨基苯酚的浓度为25mg/l，硫辛酸的浓度为25mg/l。其他与具体实施方式八相同。

采用下述试验验证本发明效果

实施例1：基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备，包括阴极室16、反向电渗析装置17、阳极室18、二氧化碳出气管1、阴极参比电极2、二氧化碳进气管3、阴极工作电极4、外接电阻9、阳极工作电极10和阳极参比电极11；

二氧化碳出气管1、阴极参比电极2、二氧化碳进气管3和阴极工作电极4设置在阴极室16中，阳极工作电极10和阳极参比电极11设置在阳极室18中，利用导线将阳极工作电极10与阴极工作电极4连接，且在导线上设置外接电阻9；

反向电渗析装置17设置在阴极室16和阳极室18之间；

所述反向电渗析装置17包括阴极浓淡水进出水室12、若干张阳离子交换膜13、若干张阴离子交换膜14、若干淡水室19、若干浓水室20、阳极浓淡水进出水室15、浓水进水管5、淡水出水管6、淡水进水管7和浓水出水管8；阴极浓淡水进出水室12设置在阴极室16的一侧，阳极浓淡水进出水室15设置在阳极室18的一侧，若干淡水室19与若干浓水室20交替设置在阴极浓淡水进出水室12和阳极浓淡水进出水室15之间，且与阴极浓淡水进出水室12相邻的腔室为浓水室20，与阳极浓淡水进出水室15相邻的腔室为淡水室19；在浓水室20的靠近阴极室16的一侧设置1张阳离子交换膜13，靠近阳极室18的一侧设置1张阴离子交换膜14；在淡水室19的靠近阴极室16的一侧设置1张阴离子交换膜14，靠近阳极室18的一侧设置1张阳离子交换膜13，且保证相邻的浓水室20和淡水室19之间有且仅有1张阳离子交换膜13或1张阴离子交换膜14；

阴极浓淡水进出水室12的腔室与阴极室16连通；

阳极浓淡水进出水室15的腔室与阳极室18连通；

在阳离子交换膜13的上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，在阴离子交换膜14的上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，在淡水室19上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，且淡水室19上部和下部设置的淡水出口与腔室连通，且淡水室19上部和下部设置的浓水出口与腔室不连通，在浓水室20上部和下部各设置1个浓水出口和淡水出口，且浓水室20上部和下部设置的淡水出口与腔室不连通，且浓水室20上部和下部设置的浓水出口与腔室连通；

浓水进水管5设置在阴极浓淡水进出水室12顶部，且浓水进水管5与阴极浓淡水进出水室12相邻的阳离子交换膜13上部设置的浓水出口连通，淡水出水管6设置在阴极浓淡水进出水室12底部，且淡水出水管6与阴极浓淡水进出水室12相邻的阳离子交换膜13下部设置的淡水出口连通；

淡水进水管7设置在阳极浓淡水进出水室15顶部，且淡水进水管7与阳极浓淡水进出水室15相邻的阳离子交换膜13上部设置的淡水出口连通，浓水出水管8设置在阳极浓淡水进出水室15底部，且浓水出水管8与阳极浓淡水进出水室15相邻的阳离子交换膜13下部设置的浓水出口连通；

由浓水进水管5、阳离子交换膜13的上部和下部设置的浓水出口、浓水室20、阴离子交换膜14的上部和下部设置的浓水出口和浓水出水管8组成浓水流道；

由淡水进水管7、阳离子交换膜13的上部和下部设置的淡水出口、淡水室19、阴离子交换膜14的上部和下部设置的淡水出口和淡水出水管6组成淡水流道。

所述阴极浓淡水进出水室12的腔室与阴极室16连通，在阴极浓淡水进出水室12的顶部设置浓水进水口，阴极浓淡水进出水室12的上部侧壁上设置浓水出水口，利用90°弯头将浓水进水口与浓水进水管5连通；在阴极浓淡水进出水室12的底部设置淡水出水口，利用90°弯头将淡水出水口与淡水进水管6连通。

所述阳极浓淡水进出水室15的腔室与阳极室18连通，在阳极浓淡水进出水室15的顶部设置淡水进水口，阳极浓淡水进出水室15的上部侧壁上设置淡水出水口，利用90°弯头将淡水进水口与淡水进水管7连通；在阳极浓淡水进出水室15的底部设置浓水出水口，阳极浓淡水进出水室15的下部设置90°弯头，利用90°弯头将浓水出水口与浓水出水管8连通。

在阳极浓淡水进出水室15与相邻的阳离子交换膜13之间设置密封硅胶垫。

在阴极浓淡水进出水室12与相邻的阳离子交换膜13之间设置密封硅胶垫。

所述阴极工作电极4为附着bi催化剂铜片。

所述阳极工作电极10为碳刷。

实施例2：实施例1所述的基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备的使用方法，具体是按以下步骤完成的：

一、阳极微生物的培养：将带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18从基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上卸下来，并在与阳极浓淡水进出水室15的腔室连通的连通口安装空气阴极，利用导线将阳极工作电极10与空气阴极连接，且在导线上连接阻值为500ω的电阻，阳极工作电极10为碳刷，向阳极室18中注满驯化培养液，所述驯化培养液中cod浓度为800mg/l，且驯化培养液中添加微量元素浓缩液、维生素浓缩液和磷酸盐缓冲溶液，微量元素浓缩液的添加量为2ml/l，所述微量元素浓缩液中氨三乙酸的浓度为20mg/l，七水硫酸镁的浓度为30mg/l，一水硫酸锰的浓度为5mg/l，氯化钠的浓度为10mg/l，七水硫酸亚铁的浓度为1mg/l，二水氯化钙的浓度为1mg/l，六水氯化钴的浓度为1mg/l，氯化锌的浓度为1.3mg/l，五水硫酸铜的浓度为0.1mg/l，十二水硫酸铝钾的浓度为0.1mg/l，硼酸的浓度为0.1mg/l，二水钼酸钠的浓度为0.25mg/l，六水氯化镍的浓度为0.24mg/l，二水钨酸钠的浓度为0.25mg/l；维生素浓缩液的添加量为1ml/l，所述维生素浓缩液中生物素的浓度为10mg/l，叶酸的浓度为10mg/l，维生素b6的浓度为50mg/l，核黄素的浓度为25mg/l，硫铵的浓度为25mg/l，烟碱酸的浓度为25mg/l，泛酸的浓度为25mg/l，维生素b12的浓度为0.5mg/l，p-氨基苯酚的浓度为25mg/l，硫辛酸的浓度为25mg/l；磷酸盐缓冲溶液的添加量为50ml/l，磷酸盐缓冲溶液中nh4cl的浓度为3.1g/l，kcl的浓度为1.3g/l，nah2po4·2h2o的浓度为33.2g/l，na2hpo4·12h2o的浓度为103.2g/l；阳极室18在温度为30℃±1℃下进行恒温间歇驯化培养，当输出电压低于50mv左右时，阳极室18更换一次驯化培养液，并继续驯化，驯化至峰值电压达到0.5v以上，驯化完成，得到驯化后带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18；

二、准备阶段：①、将驯化后带有阳极工作电极10和阳极参比电极11的阳极室18重新安装到基于生物电化学的反向电渗析系统原位还原二氧化碳的设备上，保证阳极浓淡水进出水室15的腔室与阳极室18连通，并利用导线将阳极工作电极10与阴极工作电极4连接；将阳极室18中驯化培养液全部倒出，并注满生活污水，所述生活污水中cod的浓度为752mg/l，且生活污水中添加磷酸盐缓冲溶液，磷酸盐缓冲溶液的添加量为50ml/l，磷酸盐缓冲溶液中nh4cl的浓度为3.1g/l，kcl的浓度为1.3g/l，nah2po4·2h2o的浓度为33.2g/l，na2hpo4·12h2o的浓度为103.2g/l；②、阴极工作电极4为附着bi催化剂铜片，向阴极室16中注入阴极液，至阴极参比电极2、二氧化碳进气管3和阴极工作电极4的一端淹没，且阴极液不与二氧化碳出气管1下端接触，所述阴极液为二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液，且二氧化碳气体饱和的碳酸氢钾溶液中碳酸氢钾的浓度为0.1mol/l～0.5mol/l；③、从浓水进水管5注入浓盐水，所述浓盐水为海水，浓盐水沿浓水流道流动，从浓水出水管8流出；从淡水进水管7注入淡水，所述淡水中nacl的浓度不高于0.7g/l，淡水沿淡水流道流动，从淡水出水管6流出；

三、正常运行：外接电阻9的阻值设置为30ω，将浓水出水管8和淡水出水管6放入去离子水中，利用蠕动泵以流速为30ml/min进行倒抽，至气泡出现为止，再以流速为5ml/min从浓水进水管5注入浓盐水，以流速为5ml/min从淡水进水管7注入淡水，以流量为10ml/min从二氧化碳进气管3向阴极室16注入二氧化碳，持续运行至阴极电势＞-1.2v时停止。

通过对浓盐水进出水和淡水进出水进行检测，进水的浓盐水的浓度为36g/l，电导率为56ms/cm；出水的浓盐水电导率为53ms/cm；进水的淡水的浓度为0.72g/l，电导率为1.458ms/cm，出水的淡水电导率为2.37ms/cm。

阳极进水中cod的浓度为752mg/l，阳极出水中cod的浓度为79mg/l，去除率为89.49％。