一種電合成偶聯(lián)膜分離的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)合成技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種改進(jìn)的利用微生物電合成技術(shù)回收高附加值產(chǎn)物的電合成偶聯(lián)膜分離的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]生物電化學(xué)技術(shù)(B1-electrochemistry, BES)是將蘊(yùn)含在有機(jī)廢物或生物質(zhì)里面的化學(xué)能通過(guò)微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)或電解池(Microbialelectrolysis cell, MEC)轉(zhuǎn)化為電能或氫氣/化學(xué)產(chǎn)品的過(guò)程。和傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相比，生物電化學(xué)合成運(yùn)行條件相對(duì)溫和，且可以利用的有機(jī)底物范圍比較廣，且不需要稀有金屬作催化劑。最新的利用生物電合成生產(chǎn)產(chǎn)物的研宄極大的拓展了 BES的應(yīng)用范圍。然而，目前仍存在一些制約生物電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用的問(wèn)題，比如電極的替代材料，產(chǎn)物分離裝置，和催化劑的選擇以及創(chuàng)新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)等。
[0003]電化學(xué)膜反應(yīng)器是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)電化學(xué)合成技術(shù)有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理與回用技術(shù)，因其處理效率高、出水水質(zhì)好、便于產(chǎn)物回收等優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來(lái)得到迅猛發(fā)展，但是仍存在一些制約電化學(xué)膜反應(yīng)器規(guī)?；瘧?yīng)用的因素，比如連接在陰極室和陽(yáng)極室之間的膜面積較小，限制了傳質(zhì)和產(chǎn)物回收效率，另外，膜類(lèi)型單一，使得電化學(xué)膜反應(yīng)器的應(yīng)用具有一定的局限性。
[0004]因此，如何在處理廢棄物(污水、有機(jī)固體廢物或其他廢棄物)的同時(shí)回收更多的高附加值產(chǎn)物，并且降低反應(yīng)器運(yùn)行的能耗，成為本領(lǐng)域亟待解決的重要技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上【背景技術(shù)】，本發(fā)明提供了一種具有高效選擇性膜分離單元，偶聯(lián)在電解池-陰極室和陽(yáng)極室之間，用以選擇性的透過(guò)目標(biāo)產(chǎn)物或目標(biāo)產(chǎn)物的前體物質(zhì)或者降低目標(biāo)產(chǎn)物在體系中的積累抑制效應(yīng)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:一種電合成偶聯(lián)膜分離的裝置，包括與電源的正極連接的電解池陽(yáng)極室、與電源的負(fù)極連接的電解池陰極室、膜單元及連接管路，所述膜單元為膜分離單元或膜供給單元，所述膜單元中設(shè)有一片或多片離子交換膜，所述離子交換膜為同種膜或不同種膜間隔排列；所述陽(yáng)極室及陰極室分別通過(guò)連接管路與膜單元連接。
[0007]進(jìn)一步的，所述離子交換膜之間連接排水池、反應(yīng)池或供液池，在陽(yáng)極室及陰極室之間實(shí)現(xiàn)單擴(kuò)散、雙擴(kuò)散、供給合成擴(kuò)散或補(bǔ)給擴(kuò)散。
[0008]進(jìn)一步的，所述離子交換膜是濃度擴(kuò)散滲析膜或電驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散滲析膜。
[0009]進(jìn)一步的，所述陰極室及陽(yáng)極室上均設(shè)有進(jìn)水口和出水口，所述進(jìn)水口、出水口通過(guò)連接管路與膜單元連接；所述陰極室及陽(yáng)極室內(nèi)部設(shè)有工作電極和參比電極。
[0010]進(jìn)一步的，所述陰極室及陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)置pH值傳感器、壓力傳感器和溫度傳感器。
[0011]進(jìn)一步的，分別設(shè)置陽(yáng)極室及陰極室的頂空氣體組成，所述頂空氣體是氮?dú)狻⒍趸?、氫氣和二氧化碳的一種或多種以不同比率的混合氣。
[0012]本發(fā)明的一種電合成偶聯(lián)膜分離的方法，是將所述陽(yáng)極室與電源正極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物化學(xué)氧化反應(yīng)生成荷正電產(chǎn)物，將所述陰極室與電源負(fù)極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物化學(xué)還原反應(yīng)；在膜分離單元中設(shè)置陽(yáng)離子交換膜；所述陽(yáng)極室中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入陰極室進(jìn)行反應(yīng)，完成單擴(kuò)散電合成反應(yīng)。
[0013]本發(fā)明的一種電合成偶聯(lián)膜分離的方法，是將所述陽(yáng)極室與電源正極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物化學(xué)氧化反應(yīng)生成荷正電產(chǎn)物，將所述陰極室與電源負(fù)極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物化學(xué)還原反應(yīng)生成荷負(fù)電產(chǎn)物；在膜分離單元中依次交替設(shè)置陰離子交換膜、陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、陽(yáng)離子交換膜；所述陽(yáng)極室中的帶正電產(chǎn)物透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入中間膜室，所述陰極室中的荷負(fù)電產(chǎn)物透過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入中間膜室，在中間膜室來(lái)自于陰陽(yáng)極室的產(chǎn)物進(jìn)行反應(yīng)生成高附加值產(chǎn)物，同時(shí)降低陰陽(yáng)極室的產(chǎn)物抑制效應(yīng)。
[0014]本發(fā)明的一種電合成偶聯(lián)膜分離的裝置，是將所述陽(yáng)極室與電源正極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物化學(xué)氧化反應(yīng)生成荷正電產(chǎn)物，將所述陰極室與電源負(fù)極連通后加入外源陰離子或進(jìn)行化學(xué)、生物化學(xué)還原反應(yīng)生成荷負(fù)電產(chǎn)物；在膜供給單元中依次交替設(shè)置陰離子交換膜、陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、陽(yáng)離子交換膜；所述陽(yáng)極室中的陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入反應(yīng)池，所述陰極室中的陰離子透過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入反應(yīng)池，所述反應(yīng)池中通入外源物質(zhì)，與經(jīng)離子交換膜透過(guò)的陽(yáng)離子和陰離子混合，進(jìn)行反應(yīng)，完成供給合成擴(kuò)散生物電合成。
[0015]本發(fā)明的一種電合成偶聯(lián)膜分離的方法，是在所述供液池中加入外源補(bǔ)給物質(zhì)，在膜供給單元中設(shè)置離子交換膜；供液池中的補(bǔ)給物質(zhì)透過(guò)離子交換膜進(jìn)入陽(yáng)極反應(yīng)池和陰極反應(yīng)池；將所述陽(yáng)極室與電源正極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)消耗外源補(bǔ)給物質(zhì)，所述陰極室與電源負(fù)極連通后進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)消耗補(bǔ)給物質(zhì)，完成補(bǔ)給擴(kuò)散電合成
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的電化學(xué)膜反應(yīng)器裝置，可以用于從有機(jī)或無(wú)機(jī)廢棄物中回收高附加值產(chǎn)品或者回收高附加值產(chǎn)品的前體物質(zhì)，涉及生物電化學(xué)合成和廢物資源化領(lǐng)域，具體提供了一種改進(jìn)的生物電合成偶聯(lián)膜分離的方法及裝置。所述方法包括電解池陽(yáng)極室和陰極室以及偶聯(lián)在陰極室和陽(yáng)極室之間的膜分離單元；膜分離單元獨(dú)立于陰、陽(yáng)極電解池之外，可以實(shí)現(xiàn)分離膜的疊加和放大，并可以在膜組件之間設(shè)置排水池、反應(yīng)池或供液池等外源池，擴(kuò)大了電合成偶聯(lián)膜分離裝置的應(yīng)用范圍。本發(fā)明將傳統(tǒng)連接在電解池陰、陽(yáng)極室間的分離膜進(jìn)行模塊化放置，可以擴(kuò)大膜面積，提高溶質(zhì)透過(guò)量和透過(guò)速度，降低工作電阻，增加系統(tǒng)靈活性，降低占地面積，便于規(guī)?；瘧?yīng)用，且操作簡(jiǎn)單；在高附加值產(chǎn)物回收及合成，廢物資源化領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
[0016]
【附圖說(shuō)明】
[0017]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要的附圖作簡(jiǎn)單介紹，非常明顯地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1實(shí)施例1的單擴(kuò)散型結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2實(shí)施例2的雙擴(kuò)散型結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3實(shí)施例2中氫離子/氯離子擴(kuò)散進(jìn)入排水池濃度隨時(shí)間關(guān)系圖；
圖4實(shí)施例3的供給合成擴(kuò)散結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5實(shí)施例4的補(bǔ)給擴(kuò)散結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
本發(fā)明的電合成偶聯(lián)膜分離的裝置，包括與電源的正極連接的陽(yáng)極電解池1、與電源的負(fù)極連接的陰極電解池2、膜單元3及連接管路4，所述膜單元為膜分離單元或膜供給單元，所述電解池陽(yáng)極室及陰極室分別通過(guò)連接管路與膜單元連接。
[0020]所述陰極電解池上分別設(shè)有陰極室進(jìn)水口和陰極室出水口；內(nèi)部設(shè)有工作電極7以及參比電極8，所述工作電極可以為碳刷電極或其他類(lèi)型的電極；接種微生物時(shí)，產(chǎn)電微生物附著在電極表面；根據(jù)需要可在電解池陰極室內(nèi)設(shè)置檢測(cè)器5，如pH檢測(cè)器、壓力傳感器或溫度傳感器，根據(jù)需要還可設(shè)置攪拌裝置6。
[0021]所述陽(yáng)極電解池上分別設(shè)有陽(yáng)極室進(jìn)水口和陽(yáng)極室出水口 ；內(nèi)部設(shè)有工作電極7以及參比電極8，所述工作電極可以為碳刷電極或其他類(lèi)型的電極，所述電極串聯(lián)外電阻；接種微生物時(shí)，產(chǎn)電微生物附著在電極表面；根據(jù)需要可在電解池陰極室內(nèi)設(shè)置檢測(cè)器5，如PH檢測(cè)器、壓力傳感器和溫度傳感器，根據(jù)需要還可設(shè)置攪拌裝置6。
[0022]所述陽(yáng)極電解池用于分解無(wú)機(jī)物、有機(jī)物或有機(jī)物含量較高的廢棄物，如氫氣、葡萄糖、纖維素、餐廚垃圾，剩余污泥和發(fā)酵廢水等；有機(jī)物在陽(yáng)極室中被降解為醇類(lèi)、有機(jī)酸和溶劑類(lèi)產(chǎn)物。陽(yáng)極室中可以接種混合菌群微生物，分離純化的功能菌群，功能性酶或無(wú)機(jī)催化劑。
[0023]所述陰極電解池用于降解氧化性較高的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物或中間產(chǎn)物，如氧氣、發(fā)酵廢水、餐廚垃圾，葡萄糖和乙酸等；有機(jī)物或中間產(chǎn)物在陰極室中被降解為醇類(lèi)和溶劑類(lèi)等還原性較高的產(chǎn)物。陰極室中可以接種混合菌群微生物，分離純化的功能菌群或純菌，以及功能性酶或無(wú)機(jī)催化劑。
[0024]所述電解池陽(yáng)極室及陰極室中壓力范圍可以是-1-1000 bar，溫度可以是0-100°C，pH值可以是0-14.0。所述電解池陰極室和陽(yáng)極室可以是序批式運(yùn)行，也可以是半連續(xù)或連續(xù)進(jìn)樣。
[0025]所述膜單元中設(shè)有一片或多片離子交換膜，所述離子交換膜可以為同種膜或是不同種膜間隔排列，可以在膜之間連接排水池、反應(yīng)池或供液池，在陽(yáng)極電解池及陰極電解池之間實(shí)現(xiàn)單擴(kuò)散、雙擴(kuò)散、供給合成擴(kuò)散或補(bǔ)給擴(kuò)散，用以選擇性的透過(guò)目標(biāo)產(chǎn)物或目標(biāo)產(chǎn)物的前體物質(zhì)或降低目標(biāo)產(chǎn)物在體系中的積累抑制效應(yīng)。
[0026]所述陽(yáng)極電解池及陰極電解池的上端分別設(shè)置頂空氣體，所述頂空氣體可以是氮?dú)?、二氧化碳、氫氣和二氧化碳的各比例組合或任何可以影響代謝途徑的頂空組成。
[0027]所述離子交換膜可以是濃度擴(kuò)散滲析膜或電驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散滲析膜。根據(jù)需要可以為膜單元提供外加電源。
[0028]實(shí)施例1
一種單擴(kuò)散生物電合成裝置，包括與電源正極連接的電解池陽(yáng)極室1、與電源負(fù)極連接的電解池陰極室2、膜分離單元3及連接管4。所述膜分離單元包括從正極到負(fù)極依次排列的多組離子交換膜5，相鄰兩組離子交換膜之間形成膜室。所述陽(yáng)極連接管與電解池陽(yáng)極室的出水口連接，在陽(yáng)極膜室之間穿過(guò)之后，再與電解池陽(yáng)極室的進(jìn)水口連接，形成閉合循環(huán)。同樣的，所述陰極連接管與電解池陰極室的出水口連接，在陰極膜室之間穿過(guò)之后，再與電解池陰極室的進(jìn)水口連接，形成閉合循環(huán)。
[0029]一種單擴(kuò)散生物電合成方法，在所述電解池陽(yáng)極室中加入餐廚垃圾，與電源正極連通后進(jìn)行生物反應(yīng)生成H+離子；在所述電解池陰極室中通入空氣，與電源負(fù)極連通后進(jìn)行生物反應(yīng)生成0H_離子；在膜分離單元中依次設(shè)置離子交換膜；所述離子交換膜僅允許H +離子通過(guò)。所述電解池陽(yáng)極室中的濃液由陽(yáng)極連接管流出，進(jìn)入離