一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法

摘要

一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，涉及环境与生物能源领域，本发明通过利用生物燃料电池(BFC)反应器处理固体或液体有机废弃物，可以将有机物转化为高附加值的氢气燃料或转化为电能，通过对BFC反应器产氢/发电转换电极过程的调控，可以提高能量的转化和使用效率。该方法将厌氧BFC反应器的电极与微生物耦合于一体，根据需要对有机物进行厌氧发酵，联动生物电化学单元反应进行产氢或发电转换。该方法通过直接有机物生物发酵的BFC反应器的电极过程的转换，可发展产氢或发电的清洁生物能源系统，进行产氢和发电生产的合理切换，提高反应效率。

说明书

技术领域

本发明涉及环境与生物能源领域，特别是涉及一种利用生物燃料电池(BFC)反应器处理固体或液体有机废弃物、将有机物转化为高附加值的氢气燃料或转化为电能的方法。

背景技术

有机污染物的无害资源化处理，一直是世界各国面临的问题。口蹄疫、疯牛病、禽流感已经使人们改变了传统的传统餐饮有机垃圾用于饲料的处理方式，垃圾焚烧过程中产生的二噁英等有害气体，也使许多国家制定了慎用该技术的严格法规，因此，人们日益感觉到开发绿色有机物处理资源化系统的急迫性。为解决有机废水和废弃物无害化和资源化问题，全球普遍采用生物堆肥技术将垃圾转变为肥料或进行填埋处置。随着世界石油燃料的日益短缺和对温室气体排放危害的认识，氢燃烧由于热量高，不产生CO和CO₂仅产生水的特点，而被日益关注。许多研究表明，有机物质制氢或发电有望可持续性解决一些环境和能源问题，有机物生物产氢或发电是其卫生无害化和资源化途径的重要选择之一。在环境污染控制过程中，利用微藻(Microalgae)和梭菌(Clostridia)等微生物，进行光合与厌氧有机废弃物和废水中有机物分解制氢气。生物燃料电池(Biofuel cell，缩写为BFC)可以利用液体或固体有机污染物发电，是一种有效的生物电化学在污染控制方法。本发明将生物产氢与BFC相结合，利用有机废弃物或废水中有机污染物为原料，以微生物或酶为催化剂，利用生物-电化学过程进行污染物产氢与发电的转换，解决了生物燃料电池在环境污染控制过程应用中的多功能化方便使用的问题，更好地将有机污染物按照需转化为高附加值的氢气或电能。可以在环境污染控制、污水发电、氢能源燃料、交通和农村使用。

发明内容

本发明的目的在于通过对生物燃料电池反应器处理有机生物废弃物或废液的产氢/发电转换过程方法的建立，解决了生物燃料电池在环境污染控制过程应用中的多功能化方便使用的问题，更好地将有机污染物按照需转化为高附加值的氢气或电能。可以在环境污染控制、污水发电、氢能源燃料、交通和农村使用。促进可持续生物质能源BFC的利用水平，增强生物质能利用的竞争力，化解石油能源国家安全风险。

本发明的目的通过以下技术方案实现的：

一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，该方法包括将固体发酵和生物燃料电池相结合的过程，构建一体两段式固体发酵耦合离子膜生物电池系统的一体化生物燃料电池反应器；该生物电池系统由上下两段构成，或各自独立构成两个反应单元，进行固液分离、产氢或发电，有机废水直接进入BFC中，有机固体通过进料口的切割粉碎装置将固体有机物粉碎后进入发酵反应单元进行液化，液体经渗滤装置进入BFC单元，残渣排除用作肥料；体系的温度控制在30-60℃，并对BFC反应器产氢并发电转换电极过程的调控，将污染物转化为高附加值的氢气或电能。

所述的一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，所述的生物燃料电池反应器，在处理有机生物污染物时产氢或进行发电转换，质子形成微生物或酶是进行有机污染物生物-电化学过程产氢与发电转换的关键；质子形成微生物或酶的生物培养基配方为：COD 6～25g/L，尿素0.5～1.0g/L，磷酸盐0.1～0.2g/L，其它生长因子的比例为MgSO₄·7H₂O∶FeCl₃∶NiSO₄∶CaCl₂∶Na₂BO₇·H₂O∶(NH₄)₆Mo₇O₂₄∶ZnCl₂∶CuCl₂·2H₂O∶CoCl·6H₂O∶MnCl₂·4H₂O＝56∶9∶6∶9∶1∶3∶4∶4∶2∶2∶5的比例。

所述的一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，在生物电池系统中有机固体发酵菌系I将有机生物固体废弃物液化；有机固体发酵菌系I选用酵母源微生物；质子形成菌系II利用热阻技术、80-110℃的操作温度，和批次反应技术筛选，由低温、中温土著质子形成微生物组成；由产氢/发电转换功能菌系II评估反应运行评价。

所述的一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，生物电池系统由启动至稳定态阶段的运行中调查产氢、CO₂和H₂S气体量，H₂S气体采用化学吸收或生物脱硫过程进行；利用气相色谱和液相色谱-串联质谱，分析生物电池系统气、液两相微生物代谢过程中的产物组分，控制体系运行状态。

所述的一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，过程产氢/发电转换过程体系pH呈酸性，通过质子形成微生物或酶、微量电源的加载、进料参数和pH的控制来实现体系产氢/发电转换过程；过程不可利用的残渣经过调质用于肥料。

所述的一种利用生物燃料电池反应器产氢并发电转换的方法，反应器产氢并发电转换电极过程的调控电极采用等离子体多孔稀土改性石墨阴极和阳极，或采用碳纤维布经过激光溅射参杂铂贵金属或稀土元素的改性阴极和阳极；其中，阳极与阴极由性能修饰重建的碳纤维质子交换膜分开为阴阳两极室，阳极室为液体有机物与生物催化剂，阴极为阳离子传导液或空气。

本发明的优点与效果是：

1.本发明利用生物固体发酵和生物燃料电池相结合的过程，形成了一体两段式固体发酵耦合离子膜生物燃料电池反应器。该系统由上下两段构成，也可各自独立构成两个反应单元。有机废水可直接进入BFC中，有机固体通过进料口的切割粉碎装置将固体有机物粉碎，进入发酵反应单元进行液化，渗滤装置进入BFC单元，体系的温度控制在30-60℃，残渣排除用作肥料。

2.电极采用碳纤维布经过激光溅射参杂铂等贵金属或稀土元素的改性阴极和阳极。阳极室为液体有机物与生物催化剂，阴极室为阳离子传导液或空气。通过质子形成菌、体系加载微量电(2-45mV)实现系统在处理有机生物污染物时产氢，通过质子膜钝化处理与阳极混织的方法形成电子采集系统进行发电，将污染物转化为高附加值的氢气或电能。

3.在反应系统中有机固体发酵菌系I可以将有机生物固体废弃物液化。有机固体发酵菌系I选用酵母源微生物。质子形成菌系II利用热阻技术(80-110℃的操作温度)和批次反应技术筛选，由北方低温、中温土著质子形成微生物组成。功能由产氢/发电转换功能菌系II评估反应运行评价，提高过程效率，解决生物燃料电池在环境污染控制过程应用中的多功能化方便使用的问题。

4.系统由启动至稳定态等各阶段的运行中，过程产氢/发电转换过程体系pH呈酸性。通过质子形成微生物或酶、微量电源的加载、进料参数和pH的控制来实现体系产氢/发电转换过程。

具体实施方式

利用本发明的两段一体式固体发酵耦合离子膜生物燃料电池反应器，将有机废水直接进入BFC中或将有机生物废弃物原料经粉碎后送入发酵反应室，在酵母源发酵菌系I的作用下，将有机物降解转化为糖类、有机酸等物质，经渗滤后滤液进入生物燃料电池室，污染物中的糖类和有机酸等物质，经质子形成菌系II的生物催化作用，进行制氢或发电。反应系统的参数，如pH4～6、温度控制在30-60℃，生长因子按下述比例操作，残渣排除用作肥料，产生的氢气或电能以合适的方式使用。生长因子的比例：COD 6～25g/L，尿素0.5～1.0g/L，磷酸盐0.1～0.2g/L，其它主要生长因子的比例为MgSO₄·7H₂O∶FeCl₃∶NiSO₄∶CaCl₂∶Na₂BO₇·H₂O∶(NH₄)₆Mo₇O₂₄∶ZnCl₂∶CuCl₂·2H₂O∶CoCl·6H₂O∶MnCl₂·4H2O＝56∶9∶6∶9∶1∶3∶4∶4∶2∶2∶5的比例，主要生长因子的变化范围为5～15％。使用的菌系I和菌系II的菌株来源于牲畜粪便、土壤和河流底泥。使用的菌系I为酵母源菌，菌系II使用质子形成菌系。分离采用80～110℃的温度操作热阻技术筛选菌株，经过批次培养，分离筛选北方低温、中温土著菌系II。在一体两段式固体发酵耦合离子膜生物燃料电池反应器中，电极采用等离子体多孔稀土改性石墨阴极和阳极，也可以采用碳纤维布经过激光溅射参杂铂等贵金属或稀土元素的改性阴极和阳极。其中，阳极与阴极由性能修饰重建的碳纤维质子交换膜分开为阴阳两极室，阳极室为液体有机物与生物催化剂，阴极为阳离子传导液或空气。使用空气阴极可用质子交换树脂成膜技术制成复合阴极。通过质子形成菌、体系加载微量电(2-45mV)实现系统在处理有机生物污染物时产氢，通过质子膜钝化处理与阳极混织的方法形成电子采集系统进行发电，将污染物转化为高附加值的氢气或电能。系统由启动至稳定态等各阶段的运行中，调查产氢、CO₂和H₂S气体量，H₂S气体可以采用化学吸收或生物脱硫过程进行。利用气相色谱和液相色谱-串联质谱，分析系统气、液两相微生物代谢过程中的主要产物组分，控制体系运行状态。过程产氢/发电转换过程体系pH呈酸性。通过质子形成微生物或酶、微量电源的加载、进料参数和pH的控制来实现体系产氢/发电转换过程。过程不可利用的残渣可以通过经过简单调质用于肥料。