一种微生物电化学CO₂捕捉系统的制作方法

专利名称：一种微生物电化学CO₂捕捉系统的制作方法
技术领域：
本发明属于环境与二氧化碳捕获封存领域，具体涉及一种集CO2捕获、能量回收、 污水处理于一体的微生物电化学(X)2捕获系统。
背景技术：
能源是人类社会存在发展的重要基础，也关系到世界各国的安全稳定。化石燃料在过去一个世纪为工业和经济的发展发挥了巨大的作用，然而化石燃料作为主要的能源， 燃烧所释放出的温室气体对气候的影响问题日益突出，政府间气候变化专门委员会(IPCC) 第四次评估报告中对气候变化的人为和自然驱动因子、气候变化观测事实、气候的多种过程及归因以及一系列未来气候变化预估结果的科学认识水平进行了阐述，并指出(X)2是最重要的人为温室气体。全球大气中(X)2浓度已经从工业化前的约^Oppm增加到了 2005年的379ppm。2005年大气(X)2浓度值已经远远超出了根据冰芯记录得到的六十五万年以来浓度的自然变化范围(180-330ppm)。尽管大气CO2浓度的增长速率存在年际变率，其在近十年中(1995年-2005年平均；每年1. 9ppm)的增长率，比有连续直接大气观测以来(1960 年-2005年平均；每年1. 4ppm)的增长速率更高。迅速发展的工业带来的环境问题也日益明显，而大部分现行的环境处理工艺主要着眼于污染物的处理、转移，并没有兼顾到CO2减排与能量回收方面的问题。以传统的有机废水处理工艺为例，在有机废水处理工艺中，生物法已经占有很大比例，单纯的从废水处理效率来看，其工艺已经比较成熟；但是，从可持续发展的长远角度来看，在整个工艺过程中仍然存在(X)2的排放以及可回收的能源流失等诸多问题。另外，从新能源的应用来减少CO2排放密度的角度来看，其中微生物产能在未来能源中会扮演重要的角色。近年来，世界各国政府、企业和科研人员均认识到微生物产业对缓解人类面临的能源、环境以及粮食危机具有巨大潜力，纷纷积极寻找以微生物利用为核心技术的高效、规模化应用的途径。综上所述，随着(X)2减排以及环境、能源问题在生产中的重要性逐步提高，发展结合环境污染控制、能量回收以及CO2减排的技术是生产发展中迫切需要的。近年来，在污水处理行业兴起的新技术——微生物燃料电池(microbial fuel cell，简称MFC)技术，及以其为基础而开发的微生物电解池(microbial electrolysis cell，简称MEC)技术，作为污水处理的新工艺，引起国内外的广泛的关注。以微生物燃料电池(MFC)和微生物电解池 (MEC)为代表的微生物电化学系统(Bioelectrochemical System，简称BES)，在处理废水的同时可进行不同形式能量(电能、可燃气体)的回收，是一种兼顾环境、能源问题的新工艺，但其不足之处在于处理废水和能量回收的同时，阳极仍然会向大气释放CO2,不符合(X)2 减排的理念。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在捕捉(X)2的同时，实现能量回收与污水处理的
3微生物电化学(X)2捕捉系统。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括微生物燃料电池组及微生物电解池，所述的微生物电解池包括电解池壳体，在电解池壳体内设置有将电解池壳体分隔为电解池阳极室和电解池阴极室的离子交换膜，盛放待处理污水的电解池阳极室和电解池阴极室内分别设置有与微生物燃料电池相连接的电解池阳极电极和电解池阴极电极，电解池阴极室的上端开设有气体出口，所述的电解池阳极室通过电解池导气管与电解池阴极室相连通。本发明的微生物燃料电池包括燃料电池壳体以及设置在该燃料电池壳体内的离子交换膜，所述的离子交换膜将燃料电池壳体分隔为燃料电池阳极室和光生物反应室，燃料电池阳极室和光生物反应室内分别设置有与燃料电池阳极电极和燃料电池阴极电极，其中燃料电池阳极电极与电解池阴极电极相连接，燃料电池阴极电极与电解池阳极电极相连接，光生物反应室的上端开设有碳源入口，所述的电池阳极室通过燃料电池导气管与光生物反应室相连通。所述的电解池壳体和燃料电池壳体均采用有机玻璃、玻璃或石英透明材质制成。所述的光生物反应器内加入蓝藻、小球藻、螺旋藻、衣藻、硅藻、金藻、甲藻、轮藻、 裸藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜的光合微生物。所述的微生物燃料电池组能够为微生物电解池提供1. OV 1. 4V的恒定外接电压。所述的燃料电池阳极电极，燃料电池阴极电极，电解池阳极电极和电解池阴极电极均采用碳布、碳纸、碳毡、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网作为电极材料，且燃料电池阴极电极表面涂有Pt/c催化剂。所述的燃料电池阳极电极和电解池阳极电极上附着有厌氧产电细菌，电解池阴极电极上附着有产甲烷细菌。本发明提出的微生物电化学CO2捕捉系统集CO2捕获、污水处理、能量回收为一体 一、CO2捕获燃料电池阳极释放的CO2以及额外碳源由光生物反应器内的微藻吸收，电解池阳极释放的CO2由电解池阴极室细菌吸收，以此实现对(X)2的捕获。二、废水处理将废水同时注入系统各腔室内作为各微生物生长的营养源，在室温下，微生物对废水中的有机物进行分解代谢，进而实现废水处理过程。三、能量回收整个系统以光能及废水为能量来源，最终以生物质和可燃气体的形式对能量进行回收。本发明具有以下效果本发明的微生物电化学(X)2捕获系统在进行(X)2捕获的同时可进行污水处理及能量回收，整个过程无需额外的电能消耗。本发明易于实现且便于操作。


图1为微生物电化学(X)2捕捉系统的示意图。图中，燃料电池阳极室1和光生物反应器2、电解池阳极室3和电解池阴极室4、燃料电池阳极电极5、燃料电池阴极电极6、电解池阳极电极7、电解池阴极电极8、燃料电池离子交换膜9、电解池离子交换膜10、碳源入口 11、气体出口 12、电解池导气管13-2、燃料电池导气管13-1，燃料电池壳体14，电解池壳体15。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。参见图1，本发明包括微生物燃料电池及微生物电解池，所述的微生物燃料电池包括有机玻璃、玻璃、石英等透明材质制成的燃料电池壳体14以及设置在该燃料电池壳体14 内的离子交换膜9，所述的离子交换膜将燃料电池壳体14分隔为燃料电池阳极室1和光生物反应室2，光生物反应器2内加入蓝藻、小球藻、螺旋藻、衣藻、硅藻、金藻、甲藻、轮藻、裸藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜等光合微生物，燃料电池阳极室1和光生物反应室2 内分别设置有与燃料电池阳极电极5和燃料电池阴极电极6，其中燃料电池阳极电极5与电解池阴极电极8相连接，燃料电池阴极电极6与电解池阳极电极7相连接，光生物反应室 2的上端开设有碳源入口 11，所述的电池阳极室1通过燃料电池导气管13-1与光生物反应室2相连通。所述的微生物电解池包括有机玻璃制成的电解池壳体15，在电解池壳体15内设置有将电解池壳体15分隔为电解池阳极室3和电解池阴极室4的离子交换膜10，盛放待处理污水的电解池阳极室3和电解池阴极室4内分别设置有与微生物燃料电池相连接的电解池阳极电极7和电解池阴极电极8，电解池阴极室4的上端开设有气体出口 12，所述的电解池阳极室3通过电解池导气管13-2与电解池阴极室4相连通。本发明的燃料电池阳极电极5，燃料电池阴极电极6，电解池阳极电极7和电解池阴极电极8均采用碳布、碳纸、碳毡、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网作为电极材料，且燃料电池阴极电极6表面涂有Pt/C催化剂。所述的燃料电池阳极电极5和电解池阳极电极8上附着有厌氧产电细菌，电解池阴极电极7上附着有产甲烷细菌。本发明提出的微生物电化学CO2捕捉系统的启动过程如下一、燃料电池阳极电极、电解池阳极电极的制作构造一个无膜的空气阴极微生物燃料电池完成生物阳极的制作，将营养液与接种污泥以1 1体积比注入电池中进行启动。 营养液配方为=NH4Cl 310mg/L，KCl 130mg/L，NaH2PO4 · H2O 4. 97g/L, Na2HPO4 ‘ H202. 75g/L, CH3COONalg/L 以及微量元素(CoCl2 ·6Η20 2500mg mg/L, MnCl2 ^H2OTOOmg mg/L，CuCl2 ·2Η20 50mgmg/L)。待其电压经历“上升_平稳-下降”趋势认为完成一个周期，运行三个周期后认为阳极制作完成。二、燃料电池的启动将注入藻类的光生物反应器与步骤1)制备的燃料电池阳极电极进行组装，在阳极腔放置生活污水，利用燃料电池导气管13-1将燃料电池阳极室顶部的气体导入光生物反应器并在有外接电阻的情况下对燃料电她输出电压进行监测，待稳定运行几个周期后完成燃料电池的启动。三、电解池的启动使用厌氧活性污泥作为阴极接种物，采用上述营养液和接种物 1 1混合液进行电解池阴极制作；利用恒电位仪为阴极提供-0.25 -0.35V(相对于Ag/ AgCl (饱和氯化钾)参比电极)的电势，同时将阳极室内产生的CO2气体通过导气管13-2 导入阴极室，通过阴极室内厌氧活性污泥中的产甲烷细菌的催化作用，CO2气体被还原为甲烷，定期对阴极室内气体进行测试，待有大量甲烷气体产生后，认为产电细菌、产甲烷细菌成功附着在阳极和阴极上，去除阳极腔和阴极腔内的液体，阴极、阳极的制作完成；三、系统集成对燃料电池及电解池的内阻进行测量，据此确定燃料电池组的连接方式(串联、并联或者混联)，为电解池提供匹配的外接电源(稳定运行时，维持MEC两端所需电压为1.0V 1.4V左右)。 本发明提出的微生物电化学CO2捕捉系统结构简单，可在原有的微藻固碳工程中的光生物反应器之上进行改造，以实现(X)2捕捉、污水处理和能量回收的多重目的，具有较好的应用前景。
权利要求
1.一种微生物电化学(X)2捕捉系统，其特征在于包括微生物燃料电池组及微生物电解池，所述的微生物电解池包括电解池壳体(15)，在电解池壳体(1 内设置有将电解池壳体(1 分隔为电解池阳极室C3)和电解池阴极室(4)的离子交换膜(10)，盛放待处理污水的电解池阳极室C3)和电解池阴极室(4)内分别设置有与微生物燃料电池相连接的电解池阳极电极(7)和电解池阴极电极(8)，电解池阴极室的上端开设有气体出口(12)，所述的电解池阳极室⑶通过电解池导气管(13-2)与电解池阴极室⑷相连通。
2.根据权利要求1所述的微生物电化学CO2捕捉系统，其特征在于所述的微生物燃料电池包括燃料电池壳体(14)以及设置在该燃料电池壳体(14)内的离子交换膜(9)，所述的离子交换膜将燃料电池壳体(14)分隔为燃料电池阳极室(1)和光生物反应室O)，燃料电池阳极室⑴和光生物反应室⑵内分别设置有与燃料电池阳极电极(5)和燃料电池阴极电极(6)，其中燃料电池阳极电极( 与电解池阴极电极( 相连接，燃料电池阴极电极 (6)与电解池阳极电极(7)相连接，光生物反应室( 的上端开设有碳源入口(11)，所述的电池阳极室(1)通过燃料电池导气管(13-1)与光生物反应室( 相连通。
3.根据权利要求1或2所述的微生物电化学0)2捕捉系统，其特征在于所述的电解池壳体(1 和燃料电池壳体(14)均采用有机玻璃、玻璃或石英透明材质制成。
4.根据权利要求2所述的微生物电化学(X)2捕捉系统，其特征在于所述的光生物反应器O)内加入蓝藻、小球藻、螺旋藻、衣藻、硅藻、金藻、甲藻、轮藻、裸藻、石莼、海带、裙带菜、紫菜或石花菜的光合微生物。
5.根据权利要求1或2所述的微生物电化学0)2捕捉系统，其特征在于所述的微生物燃料电池组能够为微生物电解池提供1. OV 1. 4V的恒定外接电压。
6.根据权利要求1或2所述的微生物电化学0)2捕捉系统，其特征在于所述的燃料电池阳极电极(5)，燃料电池阴极电极(6)，电解池阳极电极(7)和电解池阴极电极( 均采用碳布、碳纸、碳毡、碳刷、活性炭颗粒、石墨板、石墨颗粒、不锈钢板、不锈钢网、钛板或钛网作为电极材料，且燃料电池阴极电极(6)表面涂有Pt/C催化剂。
7.根据权利要求1或2所述的微生物电化学0)2捕捉系统，其特征在于所述的燃料电池阳极电极(5)和电解池阳极电极⑶上附着有厌氧产电细菌，电解池阴极电极(7)上附着有产甲烷细菌。
全文摘要
一种微生物电化学CO2捕捉系统，包括微生物燃料电池及微生物电解池，所述的微生物电解池包括电解池壳体，在电解池壳体内设置有将电解池壳体分隔为电解池阳极室和电解池阴极室的离子交换膜，盛放待处理污水的电解池阳极室和电解池阴极室内分别设置有与微生物燃料电池相连接的电解池阳极电极和电解池阴极电极，电解池阴极室的上端开设有气体出口，所述的电解池阳极室通过电解池导气管与电解池阴极室相连通。本发明利用有机废水作为微生物营养源，进行污水处理；能够在进行CO2捕获的同时，兼顾污水处理及能量回收等问题。
文档编号B01D53/62GK102351310SQ201110209149
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者何雅玲, 姚森, 席奂, 王云海, 王白石 申请人:西安交通大学