專利名稱：一種微生物電化學(xué)CO₂捕捉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境與二氧化碳捕獲封存領(lǐng)域，具體涉及一種集CO2捕獲、能量回收、 污水處理于一體的微生物電化學(xué)(X)2捕獲系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
能源是人類社會(huì)存在發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也關(guān)系到世界各國(guó)的安全穩(wěn)定?；剂显谶^去一個(gè)世紀(jì)為工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用，然而化石燃料作為主要的能源， 燃燒所釋放出的溫室氣體對(duì)氣候的影響問題日益突出，政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC) 第四次評(píng)估報(bào)告中對(duì)氣候變化的人為和自然驅(qū)動(dòng)因子、氣候變化觀測(cè)事實(shí)、氣候的多種過程及歸因以及一系列未來氣候變化預(yù)估結(jié)果的科學(xué)認(rèn)識(shí)水平進(jìn)行了闡述，并指出(X)2是最重要的人為溫室氣體。全球大氣中(X)2濃度已經(jīng)從工業(yè)化前的約^Oppm增加到了 2005年的379ppm。2005年大氣(X)2濃度值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了根據(jù)冰芯記錄得到的六十五萬年以來濃度的自然變化范圍(180-330ppm)。盡管大氣CO2濃度的增長(zhǎng)速率存在年際變率，其在近十年中(1995年-2005年平均；每年1. 9ppm)的增長(zhǎng)率，比有連續(xù)直接大氣觀測(cè)以來(1960 年-2005年平均；每年1. 4ppm)的增長(zhǎng)速率更高。迅速發(fā)展的工業(yè)帶來的環(huán)境問題也日益明顯，而大部分現(xiàn)行的環(huán)境處理工藝主要著眼于污染物的處理、轉(zhuǎn)移，并沒有兼顧到CO2減排與能量回收方面的問題。以傳統(tǒng)的有機(jī)廢水處理工藝為例，在有機(jī)廢水處理工藝中，生物法已經(jīng)占有很大比例，單純的從廢水處理效率來看，其工藝已經(jīng)比較成熟；但是，從可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，在整個(gè)工藝過程中仍然存在(X)2的排放以及可回收的能源流失等諸多問題。另外，從新能源的應(yīng)用來減少CO2排放密度的角度來看，其中微生物產(chǎn)能在未來能源中會(huì)扮演重要的角色。近年來，世界各國(guó)政府、企業(yè)和科研人員均認(rèn)識(shí)到微生物產(chǎn)業(yè)對(duì)緩解人類面臨的能源、環(huán)境以及糧食危機(jī)具有巨大潛力，紛紛積極尋找以微生物利用為核心技術(shù)的高效、規(guī)模化應(yīng)用的途徑。綜上所述，隨著(X)2減排以及環(huán)境、能源問題在生產(chǎn)中的重要性逐步提高，發(fā)展結(jié)合環(huán)境污染控制、能量回收以及CO2減排的技術(shù)是生產(chǎn)發(fā)展中迫切需要的。近年來，在污水處理行業(yè)興起的新技術(shù)——微生物燃料電池(microbial fuel cell，簡(jiǎn)稱MFC)技術(shù)，及以其為基礎(chǔ)而開發(fā)的微生物電解池(microbial electrolysis cell，簡(jiǎn)稱MEC)技術(shù)，作為污水處理的新工藝，引起國(guó)內(nèi)外的廣泛的關(guān)注。以微生物燃料電池(MFC)和微生物電解池 (MEC)為代表的微生物電化學(xué)系統(tǒng)(Bioelectrochemical System，簡(jiǎn)稱BES)，在處理廢水的同時(shí)可進(jìn)行不同形式能量(電能、可燃?xì)怏w)的回收，是一種兼顧環(huán)境、能源問題的新工藝，但其不足之處在于處理廢水和能量回收的同時(shí)，陽(yáng)極仍然會(huì)向大氣釋放CO2,不符合(X)2 減排的理念。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在捕捉(X)2的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能量回收與污水處理的
3微生物電化學(xué)(X)2捕捉系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括微生物燃料電池組及微生物電解池，所述的微生物電解池包括電解池殼體，在電解池殼體內(nèi)設(shè)置有將電解池殼體分隔為電解池陽(yáng)極室和電解池陰極室的離子交換膜，盛放待處理污水的電解池陽(yáng)極室和電解池陰極室內(nèi)分別設(shè)置有與微生物燃料電池相連接的電解池陽(yáng)極電極和電解池陰極電極，電解池陰極室的上端開設(shè)有氣體出口，所述的電解池陽(yáng)極室通過電解池導(dǎo)氣管與電解池陰極室相連通。本發(fā)明的微生物燃料電池包括燃料電池殼體以及設(shè)置在該燃料電池殼體內(nèi)的離子交換膜，所述的離子交換膜將燃料電池殼體分隔為燃料電池陽(yáng)極室和光生物反應(yīng)室，燃料電池陽(yáng)極室和光生物反應(yīng)室內(nèi)分別設(shè)置有與燃料電池陽(yáng)極電極和燃料電池陰極電極，其中燃料電池陽(yáng)極電極與電解池陰極電極相連接，燃料電池陰極電極與電解池陽(yáng)極電極相連接，光生物反應(yīng)室的上端開設(shè)有碳源入口，所述的電池陽(yáng)極室通過燃料電池導(dǎo)氣管與光生物反應(yīng)室相連通。所述的電解池殼體和燃料電池殼體均采用有機(jī)玻璃、玻璃或石英透明材質(zhì)制成。所述的光生物反應(yīng)器內(nèi)加入藍(lán)藻、小球藻、螺旋藻、衣藻、硅藻、金藻、甲藻、輪藻、 裸藻、石莼、海帶、裙帶菜、紫菜或石花菜的光合微生物。所述的微生物燃料電池組能夠?yàn)槲⑸镫娊獬靥峁?. OV 1. 4V的恒定外接電壓。所述的燃料電池陽(yáng)極電極，燃料電池陰極電極，電解池陽(yáng)極電極和電解池陰極電極均采用碳布、碳紙、碳?xì)?、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網(wǎng)、鈦板或鈦網(wǎng)作為電極材料，且燃料電池陰極電極表面涂有Pt/c催化劑。所述的燃料電池陽(yáng)極電極和電解池陽(yáng)極電極上附著有厭氧產(chǎn)電細(xì)菌，電解池陰極電極上附著有產(chǎn)甲烷細(xì)菌。本發(fā)明提出的微生物電化學(xué)CO2捕捉系統(tǒng)集CO2捕獲、污水處理、能量回收為一體 一、CO2捕獲燃料電池陽(yáng)極釋放的CO2以及額外碳源由光生物反應(yīng)器內(nèi)的微藻吸收，電解池陽(yáng)極釋放的CO2由電解池陰極室細(xì)菌吸收，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)(X)2的捕獲。二、廢水處理將廢水同時(shí)注入系統(tǒng)各腔室內(nèi)作為各微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)源，在室溫下，微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行分解代謝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廢水處理過程。三、能量回收整個(gè)系統(tǒng)以光能及廢水為能量來源，最終以生物質(zhì)和可燃?xì)怏w的形式對(duì)能量進(jìn)行回收。本發(fā)明具有以下效果本發(fā)明的微生物電化學(xué)(X)2捕獲系統(tǒng)在進(jìn)行(X)2捕獲的同時(shí)可進(jìn)行污水處理及能量回收，整個(gè)過程無需額外的電能消耗。本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)且便于操作。


圖1為微生物電化學(xué)(X)2捕捉系統(tǒng)的示意圖。圖中，燃料電池陽(yáng)極室1和光生物反應(yīng)器2、電解池陽(yáng)極室3和電解池陰極室4、燃料電池陽(yáng)極電極5、燃料電池陰極電極6、電解池陽(yáng)極電極7、電解池陰極電極8、燃料電池離子交換膜9、電解池離子交換膜10、碳源入口 11、氣體出口 12、電解池導(dǎo)氣管13-2、燃料電池導(dǎo)氣管13-1，燃料電池殼體14，電解池殼體15。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，本發(fā)明包括微生物燃料電池及微生物電解池，所述的微生物燃料電池包括有機(jī)玻璃、玻璃、石英等透明材質(zhì)制成的燃料電池殼體14以及設(shè)置在該燃料電池殼體14 內(nèi)的離子交換膜9，所述的離子交換膜將燃料電池殼體14分隔為燃料電池陽(yáng)極室1和光生物反應(yīng)室2，光生物反應(yīng)器2內(nèi)加入藍(lán)藻、小球藻、螺旋藻、衣藻、硅藻、金藻、甲藻、輪藻、裸藻、石莼、海帶、裙帶菜、紫菜或石花菜等光合微生物，燃料電池陽(yáng)極室1和光生物反應(yīng)室2 內(nèi)分別設(shè)置有與燃料電池陽(yáng)極電極5和燃料電池陰極電極6，其中燃料電池陽(yáng)極電極5與電解池陰極電極8相連接，燃料電池陰極電極6與電解池陽(yáng)極電極7相連接，光生物反應(yīng)室 2的上端開設(shè)有碳源入口 11，所述的電池陽(yáng)極室1通過燃料電池導(dǎo)氣管13-1與光生物反應(yīng)室2相連通。所述的微生物電解池包括有機(jī)玻璃制成的電解池殼體15，在電解池殼體15內(nèi)設(shè)置有將電解池殼體15分隔為電解池陽(yáng)極室3和電解池陰極室4的離子交換膜10，盛放待處理污水的電解池陽(yáng)極室3和電解池陰極室4內(nèi)分別設(shè)置有與微生物燃料電池相連接的電解池陽(yáng)極電極7和電解池陰極電極8，電解池陰極室4的上端開設(shè)有氣體出口 12，所述的電解池陽(yáng)極室3通過電解池導(dǎo)氣管13-2與電解池陰極室4相連通。本發(fā)明的燃料電池陽(yáng)極電極5，燃料電池陰極電極6，電解池陽(yáng)極電極7和電解池陰極電極8均采用碳布、碳紙、碳?xì)?、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網(wǎng)、鈦板或鈦網(wǎng)作為電極材料，且燃料電池陰極電極6表面涂有Pt/C催化劑。所述的燃料電池陽(yáng)極電極5和電解池陽(yáng)極電極8上附著有厭氧產(chǎn)電細(xì)菌，電解池陰極電極7上附著有產(chǎn)甲烷細(xì)菌。本發(fā)明提出的微生物電化學(xué)CO2捕捉系統(tǒng)的啟動(dòng)過程如下一、燃料電池陽(yáng)極電極、電解池陽(yáng)極電極的制作構(gòu)造一個(gè)無膜的空氣陰極微生物燃料電池完成生物陽(yáng)極的制作，將營(yíng)養(yǎng)液與接種污泥以1 1體積比注入電池中進(jìn)行啟動(dòng)。 營(yíng)養(yǎng)液配方為=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)。待其電壓經(jīng)歷“上升_平穩(wěn)-下降”趨勢(shì)認(rèn)為完成一個(gè)周期，運(yùn)行三個(gè)周期后認(rèn)為陽(yáng)極制作完成。二、燃料電池的啟動(dòng)將注入藻類的光生物反應(yīng)器與步驟1)制備的燃料電池陽(yáng)極電極進(jìn)行組裝，在陽(yáng)極腔放置生活污水，利用燃料電池導(dǎo)氣管13-1將燃料電池陽(yáng)極室頂部的氣體導(dǎo)入光生物反應(yīng)器并在有外接電阻的情況下對(duì)燃料電她輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，待穩(wěn)定運(yùn)行幾個(gè)周期后完成燃料電池的啟動(dòng)。三、電解池的啟動(dòng)使用厭氧活性污泥作為陰極接種物，采用上述營(yíng)養(yǎng)液和接種物 1 1混合液進(jìn)行電解池陰極制作；利用恒電位儀為陰極提供-0.25 -0.35V(相對(duì)于Ag/ AgCl (飽和氯化鉀)參比電極)的電勢(shì)，同時(shí)將陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的CO2氣體通過導(dǎo)氣管13-2 導(dǎo)入陰極室，通過陰極室內(nèi)厭氧活性污泥中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌的催化作用，CO2氣體被還原為甲烷，定期對(duì)陰極室內(nèi)氣體進(jìn)行測(cè)試，待有大量甲烷氣體產(chǎn)生后，認(rèn)為產(chǎn)電細(xì)菌、產(chǎn)甲烷細(xì)菌成功附著在陽(yáng)極和陰極上，去除陽(yáng)極腔和陰極腔內(nèi)的液體，陰極、陽(yáng)極的制作完成；三、系統(tǒng)集成對(duì)燃料電池及電解池的內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，據(jù)此確定燃料電池組的連接方式(串聯(lián)、并聯(lián)或者混聯(lián))，為電解池提供匹配的外接電源(穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，維持MEC兩端所需電壓為1.0V 1.4V左右)。 本發(fā)明提出的微生物電化學(xué)CO2捕捉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在原有的微藻固碳工程中的光生物反應(yīng)器之上進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)(X)2捕捉、污水處理和能量回收的多重目的，具有較好的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種微生物電化學(xué)(X)2捕捉系統(tǒng)，其特征在于包括微生物燃料電池組及微生物電解池，所述的微生物電解池包括電解池殼體(15)，在電解池殼體(1 內(nèi)設(shè)置有將電解池殼體(1 分隔為電解池陽(yáng)極室C3)和電解池陰極室(4)的離子交換膜(10)，盛放待處理污水的電解池陽(yáng)極室C3)和電解池陰極室(4)內(nèi)分別設(shè)置有與微生物燃料電池相連接的電解池陽(yáng)極電極(7)和電解池陰極電極(8)，電解池陰極室的上端開設(shè)有氣體出口(12)，所述的電解池陽(yáng)極室⑶通過電解池導(dǎo)氣管(13-2)與電解池陰極室⑷相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物電化學(xué)CO2捕捉系統(tǒng)，其特征在于所述的微生物燃料電池包括燃料電池殼體(14)以及設(shè)置在該燃料電池殼體(14)內(nèi)的離子交換膜(9)，所述的離子交換膜將燃料電池殼體(14)分隔為燃料電池陽(yáng)極室(1)和光生物反應(yīng)室O)，燃料電池陽(yáng)極室⑴和光生物反應(yīng)室⑵內(nèi)分別設(shè)置有與燃料電池陽(yáng)極電極(5)和燃料電池陰極電極(6)，其中燃料電池陽(yáng)極電極( 與電解池陰極電極( 相連接，燃料電池陰極電極 (6)與電解池陽(yáng)極電極(7)相連接，光生物反應(yīng)室( 的上端開設(shè)有碳源入口(11)，所述的電池陽(yáng)極室(1)通過燃料電池導(dǎo)氣管(13-1)與光生物反應(yīng)室( 相連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微生物電化學(xué)0)2捕捉系統(tǒng)，其特征在于所述的電解池殼體(1 和燃料電池殼體(14)均采用有機(jī)玻璃、玻璃或石英透明材質(zhì)制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微生物電化學(xué)(X)2捕捉系統(tǒng)，其特征在于所述的光生物反應(yīng)器O)內(nèi)加入藍(lán)藻、小球藻、螺旋藻、衣藻、硅藻、金藻、甲藻、輪藻、裸藻、石莼、海帶、裙帶菜、紫菜或石花菜的光合微生物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微生物電化學(xué)0)2捕捉系統(tǒng)，其特征在于所述的微生物燃料電池組能夠?yàn)槲⑸镫娊獬靥峁?. OV 1. 4V的恒定外接電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微生物電化學(xué)0)2捕捉系統(tǒng)，其特征在于所述的燃料電池陽(yáng)極電極(5)，燃料電池陰極電極(6)，電解池陽(yáng)極電極(7)和電解池陰極電極( 均采用碳布、碳紙、碳?xì)?、碳刷、活性炭顆粒、石墨板、石墨顆粒、不銹鋼板、不銹鋼網(wǎng)、鈦板或鈦網(wǎng)作為電極材料，且燃料電池陰極電極(6)表面涂有Pt/C催化劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微生物電化學(xué)0)2捕捉系統(tǒng)，其特征在于所述的燃料電池陽(yáng)極電極(5)和電解池陽(yáng)極電極⑶上附著有厭氧產(chǎn)電細(xì)菌，電解池陰極電極(7)上附著有產(chǎn)甲烷細(xì)菌。
全文摘要
一種微生物電化學(xué)CO2捕捉系統(tǒng)，包括微生物燃料電池及微生物電解池，所述的微生物電解池包括電解池殼體，在電解池殼體內(nèi)設(shè)置有將電解池殼體分隔為電解池陽(yáng)極室和電解池陰極室的離子交換膜，盛放待處理污水的電解池陽(yáng)極室和電解池陰極室內(nèi)分別設(shè)置有與微生物燃料電池相連接的電解池陽(yáng)極電極和電解池陰極電極，電解池陰極室的上端開設(shè)有氣體出口，所述的電解池陽(yáng)極室通過電解池導(dǎo)氣管與電解池陰極室相連通。本發(fā)明利用有機(jī)廢水作為微生物營(yíng)養(yǎng)源，進(jìn)行污水處理；能夠在進(jìn)行CO2捕獲的同時(shí)，兼顧污水處理及能量回收等問題。
文檔編號(hào)B01D53/62GK102351310SQ201110209149
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者何雅玲, 姚森, 席奐, 王云海, 王白石 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)