一种生物炭基三维多孔电极材料、电极的制备方法及电极的应用

本发明涉及一种生物炭基三维多孔电极材料、电极的制备方法及电极的应用，属于有机废弃物处理。

背景技术：

1、厌氧消化技术是一种环境友好型有机废弃物处理技术，可实现有机废弃物的“三化”处理，同时获得清洁能源沼气。产甲烷是厌氧消化的最后一个阶段，并且是工程应用上对反应过程的不平衡性最敏感的一个阶段。这是由于系统产甲烷菌的低丰度及功能冗余，使得产甲烷过程很容易受到抑制。在特定的应用环境中，往往难以实现目标底物与其适配原料的联合厌氧消化。易酸、富氮原料在厌氧消化系统中，与发酵微生物存在营养失衡，由此造成中间代谢产物累积，导致微生物生命活动受到抑制，是厌氧消化系统运行效率低、稳定性差、产气量低、能量品质差的主要原因。目前，针对此问题已提出了多种解决途径，但因各途径存在技术、经济方面的局限性，难以从根本上有效解决上述问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供一种生物炭基三维多孔电极材料、电极的制备方法及电极在高有机负荷厌氧消化中的应用，通过将厌氧消化技术与生物电化学相结合，最大程度地降低高有机负荷冲击下厌氧反应器中间代谢产物(有机酸、氨氮)累积的风险。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，所述制备方法为如下：

4、将秸秆生物质粉末浸渍于nh3·h2o溶液中预处理，经预处理后的秸秆粉末经无氧热解制得秸秆原生生物炭，再将秸秆原生生物炭依次经碱液浸渍、高温活化、酸液清洗、水洗后，得所述电极材料。

5、优选地，预处理中，nh3·h2o溶液浓度为10-20％，浸渍时长≥24小时；秸秆生物质粉末与nh3·h2o溶液的浸渍比例为25g:(300-600)ml；

6、碱液浸渍中，所述的碱液为浓度5-10％的naoh溶液，浸渍时长≥24小时；秸秆生物质粉末与碱液的浸渍比例为10g:(35-60)ml；

7、酸液清洗中，所述的酸液为浓度10-25％的hcl溶液，酸洗时长5-20min；秸秆生物质粉末与酸液的清洗比例为10g:(85-120)ml。

8、优选地，所述的无氧热解条件为：氮气氛围下，升温速率1-5℃·min-1，热解温度300～700℃，热解时长2h；

9、所述的高温活化条件为：升温速率3-8℃·min-1，活化温度850-1000℃，活化时长0.5-2h。

10、优选地，所述的电极材料的粒径为100-200μm，颗粒硬度≥85％，表观密度0.5～2.0g/cm3，比表面积500-700m2·g-1。

11、一种生物炭基三维多孔电极的制备方法，包括如下步骤：

12、s1:将上述方法制备得到的电极材料与羟甲基壳聚糖、溶剂混合后分散均匀，并加热搅拌至粘稠状，得生物炭基多孔三维电极的交联层一；其中，电极材料与羟甲基壳聚糖、溶剂的投加比例为(3-8)g:1g:(12-20)ml；

13、s2:将上述方法制备得到的电极材料与丙烯酸树脂乳液、溶剂混合后分散均匀，并加热搅拌至粘稠状，得生物炭基多孔三维电极的交联层二；其中，电极材料与丙烯酸树脂乳液、溶剂的投加比例为(2-5)g:2g:(14-20)ml；

14、s3:将生物炭基多孔三维电极的交联层一、交联层二分别辊压至金属网的上、下表面，干燥，得到生物炭基多孔三维电极。

15、优选地，步骤s1中，所述的羟甲基壳聚糖的制备方法为：壳聚糖用异丙醇溶涨0.5-1.5h后碱化处理，再加入溶有氯乙酸钠的异丙醇溶液，于45-67℃下反应4-6h；调节体系ph至中性后静置；去上清后，抽滤，并用水溶解滤渣后过滤除杂，旋转蒸发，搅拌下向滤液内加入乙醇至大量絮状物析出，静置后离心洗涤，于50-70℃下烘干，得羟甲基壳聚糖；

16、壳聚糖、异丙醇、溶有氯乙酸钠的异丙醇溶液的投加比例为：1g:(8-15)ml:(7-12)ml；且溶有氯乙酸钠的异丙醇溶液中，氯乙酸钠与异丙醇溶液的比例为(3-6)g:10ml。

17、优选地，所述碱化处理的具体方法为：滴加110-140ml、10mol/l的naoh溶液至体系中，于常温下搅拌1.5-3h。

18、优选地，步骤s1、s2中，所述的加热温度均为110-125℃；步骤s3中，所述的干燥条件为：40-60℃下干燥18-30h。

19、优选地，步骤s3中，金属网的孔径范围是0.5-1.5mm。

20、上述方法制得的生物炭基三维多孔电极在高有机负荷厌氧消化中的应用，采用电解法对污水进行处理，且所述生物炭基三维多孔电极作为阴极。

21、本发明的有益效果在于：

22、1、生物炭基电极材料来源广泛，制备成本低廉。在电极材料原材料的选取方面，石墨烯、碳纳米管等材料由于其价格昂贵，无法实现大规模生产，秸秆生物质作为常见的农业废弃物，其生长周期较短，收集成本较低，来源广泛且稳定，是一种优良的生物质原料；

23、2、羟甲基壳聚糖与丙烯酸树脂乳液能够产生自交联，使得到的电极物理稳固性更好，长时间使用后不会造成电极材料的流失；

24、3、本发明的生物炭基多孔三维电极，据测试对甲烷八叠球菌、甲烷杆菌具有显著的选择性定植作用，提高产甲烷微生物代谢活性，甲烷产率提升95％；

25、4、使用本发明的生物炭基多孔三维电极并以廉价的电能作为激发能，能够快速启动高负荷冲击厌氧消化产甲烷过程，有效预防高负荷冲击造成反应液过度酸化导致的启动失败。

技术特征：

1.一种生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为如下：

2.根据权利要求1所述的生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，其特征在于，预处理中，nh3·h2o溶液浓度为10-20％，浸渍时长≥24小时；秸秆生物质粉末与nh3·h2o溶液的浸渍比例为25g:(300-600)ml；

3.根据权利要求1所述的生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，其特征在于，所述的无氧热解条件为：氮气氛围下，升温速率1-5℃·min-1，热解温度300～700℃，热解时长2h；

4.根据权利要求1所述的生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，其特征在于，所述的电极材料的粒径为100-200μm，颗粒硬度≥85％，表观密度0.5～2.0g/cm3，比表面积500-700m2·-1

5.一种生物炭基三维多孔电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求4所述的生物炭基三维多孔电极的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述的羟甲基壳聚糖的制备方法为：壳聚糖用异丙醇溶涨0.5-1.5h后碱化处理，再加入溶有氯乙酸钠的异丙醇溶液，于45-67℃下反应4-6h；调节体系ph至中性后静置；去上清后，抽滤，并用水溶解滤渣后过滤除杂，旋转蒸发，搅拌下向滤液内加入乙醇至大量絮状物析出，静置后离心洗涤，于50-70℃下烘干，得羟甲基壳聚糖；

7.根据权利要求6所述的生物炭基三维多孔电极的制备方法，其特征在于，所述碱化处理的具体方法为：滴加110-140ml、10mol/l的naoh溶液至体系中，于常温下搅拌1.5-3h。

8.根据权利要求4所述的生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1、s2中，所述的加热温度均为110-125℃；步骤s3中，所述的干燥条件为：40-60℃下干燥18-30h。

9.根据权利要求4所述的生物炭基三维多孔电极材料的制备方法，其特征在于，步骤s3中，金属网的孔径范围是0.5-1.5mm。

10.一种权利要求5-9任一所述方法制备得到的生物炭基三维多孔电极在高有机负荷厌氧消化中的应用，其特征在于，采用电解法对污水进行处理，且所述生物炭基三维多孔电极作为阴极。

技术总结
本发明公开了一种生物炭基三维多孔电极材料、电极的制备方法及电极的应用，通过将秸秆生物质粉碎后充分浸渍于NH<subgt;3</subgt;·H<subgt;2</subgt;O溶液中预处理，再经过无氧热解制备秸秆原生生物炭，将产物分别经过碱浸渍、高温活化、酸洗、水洗后得生物炭基三维多孔电极材料；将生物炭基电极材料、羟甲基壳聚糖和溶剂按比例混合并加热搅拌至粘稠状，得到生物炭基多孔三维电极的交联层一；将生物炭基电极材料、丙烯酸树脂乳液和溶剂按比例混合并加热搅拌至粘稠状，得到生物炭基多孔三维电极的交联层二；将交联层一、交联层二分别辊压至金属网的上下表面并干燥，得到生物炭基多孔三维电极，该电极在应用于高有机负荷厌氧消化中时，对高负荷冲击带来的厌氧消化料液pH维稳十分显著。

技术研发人员：邓媛方,许家兴,贺爱永,邱忠洋,苗涛
受保护的技术使用者：淮阴师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29