[发明专利]一种基于碳电极电解耦合厌氧发酵产沼气的方法

说明书

本发明公开了一种基于碳电极电解耦合厌氧发酵产沼气的方法，以厌氧发酵液为电解质，设置电解电极，其中阳极采用主要成分为碳的电极材料；在厌氧发酵反应启动前，在电极两端施加电压进行电解反应，至厌氧发酵液中含有电解产生的石墨烯，将石墨烯直接用于沼气厌氧发酵，或者在厌氧发酵过程中，持续或间断地在电极两端施加电压，直至发酵周期结束。本发明的方法协同了电解水、电解剥离石墨烯和电极对功能微生物的富集作用这三者对厌氧发酵的强化作用，可以显著提高产气量和甲烷含量，增加生物质废弃物中有机质的降解率。本发明的方法流程简单，产气提高效果明显，生物质废弃物中有机质降解率大幅提高，适合在现有厌氧发酵产沼气装置中的应用。

技术领域

本发明属于资源与环境技术领域，涉及一种厌氧发酵产沼气的方法，特别是涉及一种基于碳电极电解耦合厌氧发酵产沼气的方法，以提高厌氧发酵产沼气的效能。

背景技术

厌氧发酵是一种产生再生能源的有效技术，同时也是减少环境污染的重要技术。其产物中的甲烷具有高热值、高热效率、清洁无污染、适用范围广、可再生等诸多优点。通过厌氧发酵产生的沼气中含有50％～60％的甲烷。因此提高厌氧发酵过程中总产气量以及甲烷含量具有极为重要的实际意义。

目前通过操控整个厌氧发酵过程中影响产甲烷菌活性的理化因子，比如碳氮比、pH、干物质发酵浓度(TS)等方面，来缩短发酵启动时间、增强发酵装置运行稳定性以及提高产气率和产气纯度的研究很多，在这些方面进行优化提高已经到了一定极限，继续优化提高的幅度并不可观，找寻从其他方面突破的方法更为重要。

石墨烯是一种由sp²杂化碳原子在六角形蜂窝状晶格中紧密堆积而成的二维结构，拥有高强度、高的导热性能[5000W/(m.K)]、高的透光率(97.7％)，几乎全透明、高的比表面积(2630m².g^-1)、高的电子迁移率(200000cm²/(V.s))等优异性质，基于这些优异的性质，石墨烯在电子、能源、材料和生物医药等很多领域都具有很大的潜在应用价值，石墨烯及其复合材料更是被认为是电化学应用的理想材料。石墨烯的制备方法有含多种，主要有微机械剥离法、还原氧化石墨法、电化学法等，其中电化学方法制得的石墨烯产率高且它是一种绿色简单且易重复操作的方法。电化学法制备石墨烯是一种电解的过程，通过以碳棒、石墨纸等含碳纯度高的材料作为电极材料，在某种电解质溶液中通过调节外加电压一步实现由石墨剥离制得石墨烯。电解石墨电极制备石墨烯是一种经济、高效的方法(Journal ofAmerican Chemical Society，2014，136：6083-6091)。石墨烯能够强化细菌之间的电子传递效率(Angewandte Chemie International Edition，2014，53：4480-4483)。

电解水产氢是一种应用广泛的高效产氢手段。氢气是产甲烷过程的重要前体。直接利用二氧化碳和电解水产生的氢气在复合电极表面催化合成甲烷已经获得成功。同时，提高发酵体系的产氢效率或外加氢气可以显著提高厌氧发酵过程的沼气产量(化工学报，2014，65(05)：1587～1593)。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中厌氧发酵产沼气工艺的限制，提供一种基于碳电极电解耦合厌氧发酵产沼气的方法，协同了碳电极原位电解合成石墨烯和电解水的效能，能够缩短发酵周期，提高沼气产气量和甲烷含量，增加生物有机质的降解率，从而显著提高厌氧发酵产沼气的效率。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于碳电极电解耦合厌氧发酵产沼气的方法，其特征在于，在底物接种驯化后的厌氧发酵液中，加入电解电极，其中阳极采用主要成分为碳的电极材料；在厌氧发酵反应启动前，以厌氧发酵液为电解质，在电极两端施加电压进行电解反应，至厌氧发酵液中含有阳极剥离产生的石墨烯；停止在电极两端施加电压，底物进行厌氧发酵反应，或者在厌氧发酵反应过程中，持续或间断地在电极两端施加电压，直至发酵周期结束。