一种流动电极电容去离子装置及其在生物气提纯中的应用

本发明涉及电化学膜分离领域，具体涉及一种流动电极电容去离子装置及其在生物气提纯中的应用。

背景技术：

1、厌氧消化是重要的生物质能源化技术，它基于复杂的微生物协同作用，将粪便、污水污泥、食物垃圾、农业残留物等有机废弃物降解并转化为生物气。厌氧消化产生的生物气含有50％～70％的甲烷，30％～50％的二氧化碳和1％～10％的杂质。其中，二氧化碳含量是影响生物气品质及最终用途的最主要因素。二氧化碳不具有可燃性且在生物气中体积分数较大。通过提纯技术去除二氧化碳，提升甲烷含量至超过90％，可以显着提高生物气的热值。提纯后的生物气可直接燃烧及转化，以获取热能及电能；也可直接注入天然气管网。

2、生物气提纯已有多种方法，物化生物气提质是最悠久、最成熟的方法。目前，物化方法包括变压吸附、水洗涤、化学吸收、膜分离等。现有的物化生物气提质方法，如膜分离和深冷分离，可以将甲烷含量提高到99％。然而，这些技术仍然具有高能耗、需要投加化学吸收剂和催化剂的缺点。因此，开发更节能、更环保的生物气提纯技术受到关注。其中，应用电化学技术进行生物气提纯，操作条件更加温和，不需要外部热源或高压/真空来运行，也不会发生吸附剂材料的降解。

3、近年来，一种新兴的电化学技术——电容去离子技术因其具有能耗低、价格低廉、应用广、制作简单等优点而成为研究热点。电容去离子技术通过在一对固定多空电极之间施加低电势后，本体溶液中的带电物质被固定在电极内，当电极饱和时，施加短路或极性反转，捕获的离子可以释放到本体溶液中。然而，吸附到电极上的离子不能被完全解吸，因此电容去离子技术效率受限且无法连续运行。而流动电极电容去离子利用流动电极代替固态电极，可实现更强的吸附效果、实现连续运行，具有广阔的应用前景。注意到，二氧化碳溶于水，会和水反应，产生碳酸，碳酸在水中可电离出正负离子，即质子和碳酸(氢)根；而ch4在水中的溶解性低，且不存在电离过程。因此，可望通过设计和运行流动电极电容去离子装置，进行生物气提纯。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对目前厌氧消化生物气提纯技术存在的高能耗、需要投加化学吸收剂和催化剂的缺点，在无额外添加化学药剂的情况下，提供一种流动电极电容去离子装置及其在生物气提纯中的应用，以粉末活性炭和nacl(作为支撑电解质)配制浆液，作为流动电极；以填充离子交换树脂的中空硅胶垫、阳离子交换膜和阴离子交换膜共同组成流动电极电容去离子装置的分离室；将所述流动电极同时通入阳极室和阴极室；为流动电极电容去离子装置施加电压；在电场的作用下，溶解在水中的二氧化碳以碳酸氢根和碳酸根的形式进入阳极室，而质子进入阴极室。由于溶解平衡被破坏，气相中的co2会不断溶解在水中，在无额外添加化学药剂的情况下，实现ch4提纯。本发明中，分离室以去离子水作为co2吸收液，由于去离子水的电导率低，会导致电阻增加及离子迁移受阻。因此，在流动电极电容去离子装置的脱盐室中填充离子交换树脂来增强导电和离子迁移。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种流动电极电容去离子装置，包括依次排列设置的第一亚克力板、阴极石墨板、阳离子交换膜、填充离子交换树脂的中空硅胶垫、阴离子交换膜、阳极石墨板、第二亚克力板；阴极石墨板和阳极石墨板上均刻有蛇形流道；阳离子交换膜、填充离子交换树脂的中空硅胶垫和阴离子交换膜构成分离室，阴极石墨板和阳离子交换膜构成阴极室，阴离子交换膜和阳极石墨板构成阳极室，所述阴极室和阳极室内均能够通入流动电极。

3、本发明还提供了一种采用上述所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，以粉末活性炭和nacl配制浆液，作为流动电极，其中nacl作为支撑电解质；在中空硅胶垫中填充离子交换树脂，与阳离子交换膜、阴离子交换膜共同形成分离室；使得流动电极电容去离子装置能够实现针对厌氧消化产生的生物气，实现对co2的选择性并纯化ch4，具体实现如下：

4、在无额外添加化学药剂的情况下，以去离子水作为电解质溶液通入分离室(具体即以ch4和co2的混合气对分离室储存器中的去离子水进行冲洗，并使混合气充满储存器的顶空，将分离室储存器中的电解质溶液通入分离室)，将配制的流动电极同时通入阳极室和阴极室，为流动电极电容去离子装置施加恒定电流；在电场的作用下，溶解在水中的二氧化碳以碳酸氢根和碳酸根的形式进入阳极室，而质子进入阴极室，因此co2的溶解平衡被破坏，并持续溶解在去离子水中，使得储存器顶空中的co2不断溶解到去离子水中，而ch4在水中的溶解性低，且不存在电离过程，被保留在电解质溶液储存器顶空中，实现生物气提纯。

5、在本发明一实施例中，所述流动电极由预定比例的粉末活性炭和预定浓度的nacl混合而成，粉末活性炭的含量为不大于10wt％，nacl的浓度为1g/l。优选的，粉末活性炭的粒径为10μm。

6、在本发明一实施例中，所述流动电极的循环流速为2-20ml/min。优选的，流动电极的循环流速为8ml/min。

7、在本发明一实施例中，所述离子交换树脂为强酸型离子交换树脂，以通过提高质子的电迁移性能，减小装置内阻。

8、在本发明一实施例中，所述分离室中，经过ch4与co2混合气冲洗的去离子水形成的电解质溶液的流速控制为0.5-5ml/min。电解质溶液的流速控制为2ml/min。

9、在本发明一实施例中，所述流动电极与作为电解质溶液的离子的体积比为1:1。

10、在本发明一实施例中，所述电流为0-60ma。优选的，电流为30ma，运行时间为60min。

11、在本发明一实施例中，所述流动电极的运行方式为：短路闭合循环。

12、在本发明一实施例中，所述流动电极电容去离子装置的运行方式为：batch模式。

13、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过对流动电极电容去离子装置施加恒定电流，阴极室中的流动电极因与阴极石墨板接触而带负电荷，阳极室中的流动电极因与阳极石墨板接触而带正电荷；在电场的作用下质子穿过阳离子交换膜进入阴极室并吸附于带负电荷的电极上；带负电的碳酸氢根离子以及碳酸根离子穿过阴离子交换膜进入阳极室并吸附于带正电荷的电极上，储存器顶空中的co2不断溶解到去离子水中，ch4保留在储存器顶空中。因此，针对厌氧消化产生的生物气，ch4与co2在去离子水中的溶解度不同，使用流动电极电容去离子装置这一膜电化学技术，实现产物生物气提纯，达到本发明的目的。

技术特征：

1.一种流动电极电容去离子装置，其特征在于，包括依次排列设置的第一亚克力板、阴极石墨板、阳离子交换膜、填充离子交换树脂的中空硅胶垫、阴离子交换膜、阳极石墨板、第二亚克力板；阴极石墨板和阳极石墨板上均刻有蛇形流道；阳离子交换膜、填充离子交换树脂的中空硅胶垫和阴离子交换膜构成分离室，阴极石墨板和阳离子交换膜构成阴极室，阴离子交换膜和阳极石墨板构成阳极室，所述阴极室和阳极室内均能够通入流动电极。

2.一种采用权利要求1所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，以粉末活性炭和nacl配制浆液，作为流动电极，其中nacl作为支撑电解质；在中空硅胶垫中填充离子交换树脂，与阳离子交换膜、阴离子交换膜共同形成分离室；使得流动电极电容去离子装置能够实现针对厌氧消化产生的生物气，实现对co2的选择性并纯化ch4，具体实现如下：

3.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述流动电极由预定比例的粉末活性炭和预定浓度的nacl混合而成，粉末活性炭的含量为不大于10wt％，nacl的浓度为1g/l。

4.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述流动电极的循环流速为2-20ml/min。

5.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述离子交换树脂为强酸型离子交换树脂，以通过提高质子的电迁移性能，减小装置内阻。

6.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述分离室中，经过ch4与co2混合气冲洗的去离子水形成的电解质溶液的流速控制为0.5-5ml/min。

7.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述流动电极与作为电解质溶液的离子的体积比为1:1。

8.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述电流为0-60ma。

9.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述流动电极的运行方式为：短路闭合循环。

10.根据权利要求2所述的一种流动电极电容去离子装置在生物气提纯中的应用，其特征在于，所述流动电极电容去离子装置的运行方式为：batch模式。

技术总结
本发明涉及一种流动电极电容去离子装置及其在生物气提纯中的应用。以粉末活性炭和NaCl配制浆液，作为流动电极；以填充离子交换树脂的中空硅胶垫、阳离子交换膜和阴离子交换膜共同组成流动电极电容去离子装置的分离室；将流动电极同时通入阳极室和阴极室；为流动电极电容去离子装置施加恒定电流；在电场的作用下质子穿过阳离子交换膜进入阴极室，带负电的碳酸氢根以及碳酸根离子穿过阴离子交换膜进入阳极室，CO<subgt;2</subgt;由于溶解平衡被破坏而不断溶解于去离子水中；相反，而CH<subgt;4</subgt;在水中的溶解性低，且不存在电离过程，被保留在电解质溶液储存器顶空中，实现生物气提纯。本发明可提供一种基于电化学的，且不需要投加化学吸收剂和催化剂的生物气提纯方法。

技术研发人员：蒋永,周继载,曾建雄
受保护的技术使用者：福建农林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7