[发明专利]利用有机固废厌氧发酵制甲烷的电化学反应器以及方法

说明书

本发明公开了利用有机固废厌氧发酵制甲烷的电化学反应器以及方法；利用有机固废厌氧发酵制甲烷的方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)电极制备：采用金属丝为支撑体，制成刷状阴极；将导电碳质材料剪裁至特定尺寸并通过导电金属丝穿引，制成具有通孔的圆筒形阳极；(2)催化电极制备：①预处理：清洗刷状阴极以去除表面杂质；②催化剂生长：将前驱体混合溶液转移至水热反应釜，并将预处理后的刷状阴极置入水热反应釜，在180～220℃条件下发生溶剂热反应，使刷状阴极表面生长出具有纳米结构析氢催化剂；可广泛应用于环境、能源等领域。

技术领域

本发明涉及制甲烷的方法以及电化学反应器，具体涉及利用有机固废厌氧发酵制甲烷的电化学反应器以及方法。

背景技术

随着我国经济水平和人民生活质量的逐步提高，有机固废数量的增长速度逐年增加。据报道，我国2010-2018年间，年产生有机固废以年均8％的速度高速增长，其中2018年我国有机固废产生量已超1亿吨，严重威胁到居民健康、生活环境治理以及食品安全等方面。同时，富含有机物和拥有较高水解率的有机固废也是固体废弃物中重要的能源之一。目前有机固废的处理手段主要包括卫生填埋、焚烧、厌氧发酵等，但公认的资源化无害化的有机固废处理手段为厌氧发酵。该技术可在降解有机固废的同时，生产沼气等可回收利用的资源。然而常规厌氧发酵技术所产生的可燃气体为粗沼气，甲烷含量为50～70％，热值约为37MJ/m³，无法达到生物天然气(甲烷含量95％以上)的标准。2019年12月国家发改委、能源局等十部委发布了《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》提出2025年和2030，我国生物天然气规模应分别达到100及200亿m³的发展目标。截止2018年底，我国生物天然气总产能仅为约5760万m3，不到目标的0.5％，无法对我国生物甲烷的中长期发展形成有效支撑。面向有机固废处理的厌氧发酵反应器沼气增产提纯制生物甲烷的研究符合我国能源产业结构调整和环境治理的重大需求。生物电化学系统(Bioelectrochemical system，BES)是一种能够利用微生物代谢过程实现化学能与电能相互转化的电化学装置。因此可通过在常规厌氧发酵体系中耦合BES系统以实现沼气增产提纯制生物甲烷。其基本原理为：施加特定电压使阳极表面的产电微生物通过代谢氧化抑制性底物(挥发性脂肪酸)产生乙酸、氢离子、电子等；随后电子通过外电路传输至阴极，同时氢离子在反应器腔室内扩散传递至阴极，并在阴极表面氢离子与电子结合生成氢气；产生的这部分氢气又可被反应器中嗜氢产甲烷菌所代谢，与反应器中原有的二氧化碳反应并产生甲烷(反应1)，从而实现厌氧发酵沼气增产提质制生物天然气。

BES产氢的能量需求低，远低于常规电解水制氢技术。电解水产氢技术每生成1m³氢气的能耗为4.5～5kWh，而BES仅需0.6kWh/m³。因此，针对有机固废厌氧发酵特点，合理设计电化学协助厌氧发酵反应器，并在此基础上开展对粗沼气的增产提质研究对于提高有机固废处理的甲烷产量和纯度以及有机固废处理的经济效益都具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供利用有机固废厌氧发酵制甲烷的电化学反应器以及方法。从低成本、易获取的有机固废中制备高品质甲烷，实现有机物垃圾高效降解。

为了解决上述问题，本发明技术方案为：

利用有机固废厌氧发酵制甲烷的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)电极制备：采用金属丝为基底材料，导电金属丝为支撑体，制成刷状阴极；将导电碳质材料剪裁至特定尺寸并通过导电金属丝穿引，制成具有通孔的圆筒形阳极；

(2)催化电极制备：

①预处理：清洗刷状阴极以去除表面杂质；

②催化剂生长：将前驱体混合溶液转移至水热反应釜，并将预处理后的刷状阴极置入水热反应釜，在180～220℃条件下发生溶剂热反应，使刷状阴极表面生长出具有纳米结构析氢催化剂；