專利名稱：一種生物燃?xì)庵卸趸几咧道梅椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物燃?xì)庵卸趸嫉睦茫绕涫嵌趸嫉脑孱愇绽眉白责B(yǎng)型生物燃料電池產(chǎn)電的資源循環(huán)及能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在生物燃?xì)獬煞种屑淄楹繛?5% 70%、二氧化碳含量為觀％ 44%。通過去除CO2可以提高單位體積氣體的能量值，此外，去除(X)2也可以提高沼氣品質(zhì)，用作甲烷汽車燃料。當(dāng)前，從沼氣中去除(X)2以使沼氣達(dá)到汽車燃料的標(biāo)準(zhǔn)或者達(dá)到輸入天然氣網(wǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，共有4種不同的工藝在工業(yè)中常用。(1)水洗工藝因為CO2和H2S在水中的溶解度比甲烷大，所以水洗不但可以去除CO2還可以去除 H2S,此吸收過程是純粹的物理反應(yīng)。通常沼氣通過壓縮后從吸收柱底部進(jìn)入，水從頂部進(jìn)人進(jìn)行反相流動吸收。因為H2S在水中的溶解度比CO2大，所以水洗也可以去除H2S。吸收了(X)2和H2S的水可以再生循環(huán)使用，可以在吸收柱中通過減壓或者用空氣吹脫再生，當(dāng)水中的H2S濃度比較高的時候，一般不推薦使用空氣吹脫，因為水很快又會被硫污染。如果有廢水可以利用，不推薦對水進(jìn)行再生。(2)聚乙二醇洗滌工藝聚乙二醇洗滌和水洗一樣也是一個物理吸收過程。Selexol是一種溶劑的商品名， 主要成份為二甲基聚乙烯乙二醇(DMPEG)。和在水中一樣，CO2和H2S在Selexol中的溶解度比甲烷大，不同之處是(X)2和吐3在％1^01中溶解度比水中大，這樣所需％16101的量也會減少，更加經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。另外，水和鹵化烴(填埋場沼氣中的成份)也可以用Selexol 洗滌去除。Selexol可以再生重復(fù)使用，可以使用水蒸汽或者惰性氣體(凈化后的沼氣和天然氣)吹脫klexol中的元素硫，但是不推薦使用空氣。(3)碳分子篩工藝分子篩在分離沼氣中特定的氣體組分上是一種非常好的產(chǎn)品。通常分子被松散地吸附在炭孔隙中，并且可以析出。通過不同的網(wǎng)孔大小或者壓力可進(jìn)行選擇性的吸收。當(dāng)壓力減小時，分子篩中吸收的化合物組分會釋放出來。所以這個過程常常被稱作“變壓吸附”(PSA)。可以用焦炭制作富有微米級孔隙結(jié)構(gòu)的分子篩凈化沼氣。(4)膜分離工藝膜法分離主要有兩種方法，一種是膜的兩邊都是氣相的高壓氣體分離；另一種是通過液體吸收擴(kuò)散穿過膜的分子的低壓氣相一液相吸收分離。高壓氣相分離壓縮到36X IO5Pa的沼氣首先通過活性炭床以去除鹵化烴和H2S, 接著便通人濾床和加熱器。膜是由醋酸纖維素制成，可以用來分離像CO2、水蒸汽和殘留的 H2S等極性分子，它有一定的選擇性，即在不同的區(qū)域吸收和C02，但不能分離甲烷中的 N2。膜可以持續(xù)使用三年.在使用一年半后，因為萎縮的緣故，膜的滲透性會減少30%。氣相一液相吸收膜分離氣相一液相吸收膜工藝最近才被用在沼氣凈化上，其實
\質(zhì)是沼氣中的和CO2分子穿過一個多孔的疏水膜在液相中被吸收去除。CO2可以通過胺溶液作液相去除，胺溶液可以通過加熱再生，釋放處純凈的(X)2可作工業(yè)應(yīng)用。可見，以上方法中生物燃?xì)庵蠧O2的去除多以吸附為主，而未達(dá)到(X)2的循環(huán)利用。利用生物的光合作用吸收固定CO2技術(shù)，由于不需要捕集分離CO2，安全性高，技術(shù)基本成熟，而且還可以在(X)2利用過程中獲取具有經(jīng)濟(jì)價值的副產(chǎn)品，是目前具有發(fā)展前景的技術(shù)之一。微藻吸收CO2后通過光合作用，可有效轉(zhuǎn)化成碳水化合物(糖類)、氫和氧。 由于微藻具有光合速率高、繁殖快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、處理效率高以及易與其它工程技術(shù)集成等優(yōu)點，已針對藻類在煙氣中(X)2的脫除性能進(jìn)行了大量的研究，如^iler等在1995年研究了微藻對化石燃料火電廠所排放出的煙氣中的CO2的吸收和利用(Zeiler，1995, The use of microalgae for assimilation and utilization of carbon dioxide from fossil fuel-fired power plant flue gas.)。微生物燃料電池(MFCs)是一種利用微生物的催化，將儲存于有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。由于其可在進(jìn)行生物代謝時同時產(chǎn)生電能，引起了研究學(xué)者們廣泛的興趣。北京科技大學(xué)的馮雅麗等證實以小球藻構(gòu)建微生物燃料電池是可行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種生物燃?xì)庵卸趸几咧道梅椒?，通過對生物燃?xì)庵?CO2的吸收及利用，形成CO2的多循環(huán)利用和能源轉(zhuǎn)化，將生物燃?xì)鈨艋?、CO2吸收、藻類培養(yǎng)及生物燃料電池產(chǎn)電集成為一體化的方法，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境效益。本發(fā)明主要是通過藻類的呼吸代謝吸收利用生物燃?xì)庵械腃O2，并利用微生物燃料電池利用呼吸代謝過程中產(chǎn)生的電子從而產(chǎn)生電流，以此通過藻類的生長實現(xiàn)了(X)2的吸收，凈化生物燃?xì)?，并通過微生物燃料電池提高整個系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下，如圖1所示，包括如下步驟(1)原料預(yù)處理對生物質(zhì)原料進(jìn)行除雜、破碎處理，采用現(xiàn)有技術(shù)預(yù)處理。所述預(yù)處理的現(xiàn)有技術(shù)指現(xiàn)有技術(shù)中對原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵前預(yù)處理的技術(shù)手段。調(diào)節(jié)原料液的pH至7. 0左右。(2)厭氧發(fā)酵對處理后的原料采用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行厭氧發(fā)酵以得到(X)2和CH2混合氣體。所述厭氧發(fā)酵，通過水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷三個主要階段，使原料轉(zhuǎn)化為以ω2和CH4為主要成分的混合氣體。(3)光照生物反應(yīng)將步驟(2)得到的混合氣體輸送到光照生物反應(yīng)器內(nèi)，并以混合氣體中(X)2為光照生物反應(yīng)器內(nèi)的藻類生長所需的碳源和能源；(4)自養(yǎng)型微生物燃料裝置發(fā)電與光照生物反應(yīng)器相結(jié)合設(shè)置自養(yǎng)型微生物燃料裝置，由附著在陽極上的藻類構(gòu)成生物陽極，生物陽極、外電路、空氣陰極組成微生物燃料電池系統(tǒng)回收電能。其中的生物陽極傳遞藻類呼吸代謝產(chǎn)生的電子，通過外電路輸出電子到達(dá)空氣陰極，并在Pt催化劑作用下反應(yīng)產(chǎn)生電流。(5)生物燃?xì)饨?jīng)過光照生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的利用后降低了其中的CO2含量，并提高了 CH4含量。可排出備用。上述步驟還可以有以下補(bǔ)充光照生物反應(yīng)器內(nèi)的藻類可選用綠藻門的小球藻，其生長后可用作厭氧發(fā)酵的原料或用于提取高附加值物質(zhì)。自養(yǎng)型微生物燃料裝置所產(chǎn)生的電可用于光照生物反應(yīng)器所需的光照系統(tǒng)電源。 所述的光照生物反應(yīng)器中的藻類在進(jìn)行自身代謝時可同時利用由藻類生物陽極、外電路、 空氣陰極所組成的微生物燃料電池系統(tǒng)回收電能。所述的光照生物反應(yīng)器的光照系統(tǒng)所需電能可來源于微生物燃料電池系統(tǒng)所回收電能，實現(xiàn)光照系統(tǒng)電能的自給自足。本發(fā)明中，光照生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的設(shè)計均可采用現(xiàn)有技術(shù)。生物燃?xì)饨?jīng)過光照生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的利用后降低了其中的CO2含量，并提高了 014含量。本發(fā)明與常規(guī)的生物燃?xì)庵?X)2吸收利用技術(shù)不同，由于本發(fā)明中生物燃?xì)庵械?CO2可用于藻類的生長繁殖，本發(fā)明在不影響CH2含量的同時提高了 CO2的利用效率，并在此過程中回收電能用于系統(tǒng)自身所需的電能，其提高了系統(tǒng)的物質(zhì)流和能量流的轉(zhuǎn)化效率。


圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步說明。實施例1 :以能源草為原料的厭氧發(fā)酵與(X)2高值利用系統(tǒng)(1)能源草的預(yù)處理將刈割后的能源草用破碎機(jī)將原料粉碎，使原料的長度在 l-2cm之間，將粉碎的原料用2%濃度堿50°C處理他，堿法可中和產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的酸，調(diào)節(jié)原料液的pH至7. 0左右，可在一定程度上避免酸過度積累所導(dǎo)致的酸抑制。(2)厭氧發(fā)酵將預(yù)處理后的原料通過螺旋進(jìn)料方式進(jìn)入到反應(yīng)器內(nèi)，采用中溫連續(xù)進(jìn)料連續(xù)出料的方法進(jìn)行厭氧發(fā)酵，厭氧發(fā)酵的溫度為35-55°C，加入碳酸氫銨作為 PH的緩沖劑，pH控制在7. 0-7. 5，將原料的發(fā)酵液濃度控制在6-8%，并將pH、溫度和產(chǎn)氣量作為指標(biāo)監(jiān)測厭氧發(fā)酵性能。物料停留時間為20-30天，發(fā)酵后得到以(X)2和CH2為主的混合氣體。同時將一部分出料的液體回流至發(fā)酵罐作為補(bǔ)充接種物。由能源草為原料的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的混合氣體中，CH4含量一般在55%左右，而(X)2濃度一般在35-45%之間。(3)光照生物反應(yīng)厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的混合氣體經(jīng)管道輸送到光照生物反應(yīng)器中，反應(yīng)器中藻類選用綠藻門的小球藻，以混合氣體中的(X)2為生長所需的碳源和能源，控制微藻培養(yǎng)的溫度為20-40°C，光照強(qiáng)度為1000-8000LUX，人造光源連續(xù)光照12h。在降低 CO2的同時，實現(xiàn)了藻類自身的生長和繁殖。(4)微生物燃料電池系統(tǒng)發(fā)電與光照生物反應(yīng)器相結(jié)合設(shè)置自養(yǎng)型微生物燃料裝置，由附著在陽極上的藻類構(gòu)成生物陽極，生物陽極、外電路、空氣陰極所組成的微生物燃料電池系統(tǒng)回收電能。陽極材料和陰極材料為導(dǎo)電性能高的石墨或碳材料組成，陽極所用材料可為石墨氈，石墨顆粒，碳?xì)郑疾蓟蛘呤撬鼈兊幕旌喜牧?，陰極主要為碳布或石墨氈，陰陽兩極室通過膜分離，所用膜為質(zhì)子交換膜或陽離子交換膜，電路通過導(dǎo)線連接，導(dǎo)線主要為抗腐蝕性強(qiáng)的鎳或合金材料組成。附著在微生物燃料電池陽極上的藻類，在利用 CO2進(jìn)行呼吸代謝的同時會將產(chǎn)生的電子傳遞到陽極上，并通過與之相連的外電路到達(dá)陰極，而產(chǎn)生的質(zhì)子則在液體間傳遞達(dá)到陰極，電子、質(zhì)子和空氣中氧通過陰極上Pt催化劑的作用下反應(yīng)，從而形成了閉合回路，并產(chǎn)生電流。微生物燃料電池系統(tǒng)的外電路上的電負(fù)荷主要為光照生物反應(yīng)器上的光照系統(tǒng)，微生物燃料電池系統(tǒng)可實現(xiàn)光照系統(tǒng)的電源自給自足。 (5) CH4含量提高經(jīng)過光照生物反應(yīng)器后的氣體成分中的CH含量提高，而(X)2濃度降低。
權(quán)利要求
1.一種生物燃?xì)庵?X)2高值利用方法，其特征在于包括如下步驟(1)原料預(yù)處理對生物質(zhì)原料進(jìn)行除雜、破碎處理，并進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)原料液的PH 至7.0左右，；(2)厭氧發(fā)酵對處理后的原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵以得到(X)2和CH2混合氣體；(3)光照生物反應(yīng)將步驟(2)得到的混合氣體輸送到光照生物反應(yīng)器內(nèi)，并以混合氣體中(X)2為光照生物反應(yīng)器內(nèi)的藻類生長所需的碳源和能源；(4)自養(yǎng)型微生物燃料裝置發(fā)電與光照生物反應(yīng)器相結(jié)合設(shè)置自養(yǎng)型微生物燃料裝置，由附著在陽極上的藻類構(gòu)成生物陽極，生物陽極、外電路、空氣陰極組成微生物燃料電池系統(tǒng)回收電能；(5)經(jīng)光照生物反應(yīng)器和微生物燃料電池處理后降低了CO2含量的生物燃?xì)馀懦鰝溆谩?br> 2.如權(quán)利要求1所述的生物燃?xì)庵蠧O2高值利用方法，其特征在于還包括如下步驟光照生物反應(yīng)器內(nèi)的藻類生長后用作厭氧發(fā)酵的原料。
3.如權(quán)利要求1或2所述的生物燃?xì)庵?X)2高值利用方法，其特征在于，所述的藻類選自綠藻門的小球藻。
4.如權(quán)利要求1所述的生物燃?xì)庵蠧O2高值利用方法，其特征在于還包括如下步驟自養(yǎng)型微生物燃料裝置所產(chǎn)生的電用于光照生物反應(yīng)器所需的光照系統(tǒng)電源。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生物燃?xì)庵蠧O2高值利用方法。預(yù)處理后的原料經(jīng)厭氧發(fā)酵后，產(chǎn)生由CO2和CH4為主要成分的混合氣體，混合氣體輸送到光照生物反應(yīng)器內(nèi)，光照生物反應(yīng)器內(nèi)的藻類利用混合氣體中CO2作為生長所需的碳源和能源，同時附著在自養(yǎng)型微生物燃料裝置中的生物陽極上的藻類將呼吸代謝產(chǎn)生的電子通過外電路輸出到達(dá)空氣陰極，并在催化劑作用下反應(yīng)產(chǎn)生電流，所產(chǎn)生的電可用于光照生物反應(yīng)器所需的光照系統(tǒng)電源。而藻類則可以通過進(jìn)一步的利用用作厭氧發(fā)酵的原料或用于提取高附加值物質(zhì)。生物燃?xì)饨?jīng)過光照生物反應(yīng)器和微生物燃料電池的利用后降低了其中的CO2含量，并提高了CH4含量。本發(fā)明提高整個系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號C10L3/10GK102295968SQ20111018862
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者孔曉英, 孫永明, 李 東, 李連華, 楊改秀, 王忠銘, 袁振宏 申請人:中國科學(xué)院廣州能源研究所