[发明专利]一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微生物电解池及其使用方法。

背景技术

当今世界面临有机废物的有效处置与新能源有效开发两大挑战。微生物电解池（MEC）可依托系统内阳极产电菌将贮存在有机物中的化学能直接转化为电流，从而在外电势的辅助下形成氢气，具有处理有机废物与回收新型能源—氢能的双重功效。生活污水、糖蜜废水、餐厨废水、啤酒废水和剩余污泥可作为MEC的底物。MEC是一种具有巨大发展潜力的生物质制氢技术，有望成为未来有机污染物控制与资源化利用的一项重要技术。

MEC的原理：附着在阳极的产电微生物以废水中有机物质为电子供体，在氧化有机物的同时，向胞外转移质子和电子，质子通过电解液到达阴极，电子经过阳极和外电路到达阴极，在外加电势的辅助下，质子与电子在阴极结合，生成氢气，即将有机底物中的化学能转化为氢能。

早期MEC的原始构型为双室，在双室构型中，阴极和阳极被质子交换膜分开，分别形成独立的阴极室与阳极室。隔膜的材料有多种选择，如阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜和双极膜等。双极室的结构降低了阴极产生的氢气扩散至阳极从而被利用的可能性，收集得到的氢气纯度较高。然而，MEC系统内阻会随着膜的使用而增大，产氢性能受到较大的影响。

单室结构MEC没有质子交换膜的阻隔，这样的结构设计极大的降低了系统内阻，提高了系统所能产生的最大电流密度和平均电流密度，使得单位时间、单位体积的氢气产生能力也随之得到大幅度提高，同时，这种简化的结构有助于降低基建成本和运行费用，为MEC未来的规模化应用提供了良好的构型基础。

目前关于MEC系统放大从而使得其工作效率提升的研究存在的限制因素主要如下：（1）阴极材料碳纤维布和催化剂铂碳催化剂成本较高，不利于进行放大的研究；（2）简单的电极组合形式如果单纯的进行放大，很难保证有效的极板间距；（3）构型体积小，产气量低，发展有局限，单纯的放大不利于连续流运行，而实现稳定的连续流运行才是放大MEC的主要目的之一。

发明内容

本发明是要解决目前MEC系统中阴极材料及其催化剂成本较高、MEC系统体积小从而产生氢气和甲烷量低、发展有局限和难以规模化发展的技术问题，从而提供一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池及其使用方法。

本发明的一种内置多电极体系的导流板式微生物电解池，它包括水箱、水泵、电阻、电源、阳极碳纤维刷、阴极钢网和折流板箱体；折流板箱体上设置有一个进水口、一个出水口、一个回流出水口、一个回流入水口和两个放水口，水箱的出水口与水泵的进水口相连，水泵的出水口与折流板箱体的进水口相连，折流板箱体的回流出水口与回流入水口连接，折流板箱体中的每组下降流板和上升流板形成一个格室，折流板箱体中有3～6个格室，每个格室的体积为0.5L～1L，每个格室内设置多个阳极碳纤维刷和一个阴极钢网，阴极钢网为一个被折成两个互相垂直面的长方形钢网，其中一面紧贴着其所在的格室的上升流板，另一面紧贴着折流板箱体的内壁，多个阳极碳纤维刷从上至下并列排列，每个碳纤维刷呈圆柱状，每个碳纤维刷中间的钛丝线均穿过折流板箱体并用灰胶密封穿孔，每个碳纤维刷中间的钛丝线与折流板箱体外的电源的正极连接，阴极钢网通过10Ω的电阻与折流板箱体外的电源的负极连接，阴极钢网的两个垂直面与阳极碳纤维刷的距离均为2cm～4cm，集气管设置于折流板箱体的顶部，集气袋与集气管密封连接。

本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池的使用方法如下：

将阳极碳纤维刷在微生物燃料电池中富集微生物，然后将富集有微生物的阳极碳纤维刷安装到本发明的内置多电极体系的导流板式微生物电解池中，首先在序批式模式下运行，当内置多电极体系的导流板式微生物电解池中的集气袋中有气体产生时随即将模式转换成连续流模式，设置水力停留时间为0.5天～2天。

本发明的原理：本发明采用多组电极共处一个反应器壳体内，在流态上呈串联式，以压有活性炭催化剂的钢网为阴极材料，阳极是由多把碳纤维刷并排置于一起构成，为实现较短的阴阳极间距，将阴极钢网的一部分折起形成两个相互垂直的面半包围阳极碳刷，以导流板构型为基础，可以完成大体积的多电极导流板式微生物电解池，从而可以使得装置的产气效率大幅度提高。

本发明的优点如下：

（1）本发明采用廉价的阴极材料和阴极催化剂，降低了反应器的整个搭建成本，在造价上相比于铂炭催化剂阴极成本降低了30%～50%；