一种太阳能间歇电驱动提升产甲烷效能的方法

本发明涉及太阳能应用，更具体地说，它涉及一种太阳能间歇电驱动提升产甲烷效能的方法。

背景技术：

1、由于全球人口的不断上升以及工业化的迅猛发展，能源危机和环境污染被认为是不可避免的主要问题，引起全世界的广泛关注。发明新能源方法的同时，也要尽可能减少新能源开采带来的环境影响，这对于可持续的经济增长和维持人类的绿色居住环境至关重要。尽管利用厌氧微生物从废水或废弃物中回收生物能源是一种被广泛接受和发展的技术，但是在特定的生态位中促进微生物生长和生物化学反应仍然有很大的潜力。在一定程度上，外界能量可以为微生物生长代谢提供动力。生物电化学系统(bioelectrochemicalsystems，bess)需要相对较低的能量输入(0.2-0.8v)，从而促进微生物从废水或废物中回收可再生生物能源，此外当进一步耦合厌氧消化系统时，复合系统可以同时降解污染物。虽然bess需要较低的能量驱动氧化还原反应的发生，但是电力的投入却也是另外一种巨大的能源消耗，而且，在农村或偏远地区，电力供应的长期稳定运行将受到限制。太阳能被认为是满足全球能源需求最可行的选择之一，因为它的可用性和巨大的太阳能(12万太瓦)每天照射地球，而探索成本效益高的技术或者可行的方法对太阳能进行储存或者利用，同时避免太阳能资源的间歇性问题，这对于太阳能资源的更深层次的挖掘显得尤为重要。

2、目前，关于生物电化学系统在生物气生产或污染物降解中的作用研究主要集中在以下几个方面：(1)系统结构，如单室或双室电池反应器、膜、电极材料选择或修饰等；(2)系统操作参数，如ph值、基质类型，有机负荷率(organicloadingrate，olr)、水力停留时间(hydraulicretentiontime，hrt)、温度、外加电压等；(3)生物参数，如纯培养或混合培养、接种物、微生物群落动力学等；(4)技术经济评价，如产品收益、可重复性、耐用性、可扩展性等。外部电能在bess中的应用会影响细胞生长和微生物的代谢行为。各种研究表明，生物电化学的性1太阳能间歇电驱动提升产甲烷效能及机制研究能与上述因素有关，但遗憾的是，电驱动的模式对生物电化学性能的影响并没有引起足够的重视，尤其是间歇供电或者是周期性极化却鲜有报道。相反，大多数的研究都关注在对直流电压的调节上，包括电压值、电极电位、生物膜群落结构等。例如，在一个带有质子交换膜(protonexchangemembrane，pem)的双室立方生物膜反应器上施加0.8v(供电时长3d)的电压时，甲烷产率最高，达到0.052m3ch4/m3反应器/d。在另一项研究中发现，与纯厌氧膜生物反应器(空白组)相比，当提供0.6v的外加电压给微生物电解池(microbialelectrolysiscells，mecs)耦合厌氧膜生物的复合反应器时，复合反应器的系统化学需氧量(chemicaloxygendemand，cod)去除率达到最大值，几乎是空白组的1.2倍，然而，随着外加电压的增加，系统的膜污染率逐渐减缓。结果表明，随着电压从0.1v增加到1.0v，氢气产率逐渐升高，最高产率为2.1molh2/mol乙酸盐，但是较高的外加电压意味着较高的阳极电子损失。在功能群落方面，研究发现在电极电位存在时会影响微生物生物膜群落，此外，在开路状态的时候，更丰富的功能基因得到表达。综上，这些结果都暗示着，连续的电能输入可能为微生物新陈代谢以及氧化还原活动提供过多的能量。

3、近年来，国内外对生物电化学间歇运行模式也开展了一些研究。ailijiang等人(2016)考查了不同的电刺激模式对单室生物电化学反应器降解苯酚的效能影响，研究表明，与连续施加2ma的直流电相比，对生物电化学反应器施加间歇电流(间歇模式：1天开/1天关)可以获得更高和更稳定的苯酚去除效率。hussain等人(2018)发现周期性电源断开(间歇模式：2秒开/2秒关)显著提高了mecs的长期性能，而且反应器系统内阻随着长期开/关的操作而降低。研究结果显示，与连续施加电压(阳极电势设置为-0.2v)的对照组相比，被提供60秒开/15秒关的间歇供电模式的mecs，反应器的氢气产量得到提升。这表明间歇供电可以使生物电化学系统更具可持续性和实用性。然而，不同的电驱动模式对于电极生物膜中电子转移和电容性存储行为的间歇性影响，特别是电场中的限制因素，如生物膜内的ph梯度，或电活性微生物，甲烷微生物的进化，目前还尚未有研究报道。因此，本发明旨在提供一种太阳能间歇电驱动有机废水提升产甲烷效能的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种太阳能间歇电驱动有机废水提升产甲烷效能的方法，该方法通过间歇式电驱动模式，尤其是自然的太阳能直接电驱动模式，显著提高了生物电化学性能，提升了甲烷回收率，增强了废水处理能力，通过自然的太阳能直接电驱动模式不仅解决了生物电化学的能量投入，维持了整体耦合系统的能量自给，同时为加速生物电化学系统的进一步开发打开了新的视角，有望可以进一步促进废水/废物的生物能源回收，为其在工程化应用方面展示出更多的经济可行性以及可持续性。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种太阳能间歇电驱动有机废水提升产甲烷效能的系统，包括微生物电解池反应器、天然太阳能间歇供电电源、电阻、多层箔取样袋和气相色谱仪；

3、所述微生物电解池反应器上设有阳极和阴极，所述天然太阳能间歇供电电源上设有正极和负极，所述正极与阳极电性连接，所述负极和阴极电性连接；所述电阻的两端分别与负极和阴极电性连接；所述多层箔取样袋固定安装在微生物电解池反应器的顶部用于收集反应气体；所述气相色谱仪用于测量反应气体的成分和体积。

4、本发明进一步设置为：所述阳极由碳纤维构成的碳刷电极组成，所述阴极由碳布电极组成。

5、本发明进一步设置为：所述碳刷电极在使用前需要进行预处理，所述预处理流程包括首先在丙酮中浸泡，然后在马弗炉中按照设定温度和时间加热进行预处理。

6、本发明进一步设置为：所述碳布电极上均匀涂抹有铂/碳催化剂。

7、本发明进一步设置为：所述铂/碳催化剂的涂抹流程包括以下步骤：

8、s11、取定量的铂/碳催化剂通过涡流与去离子水混合，得到溶液ⅰ；

9、s12、以定量的铂/碳催化剂加入全氟磺酸型聚合物溶液和纯异丙醇试剂，然后涡流形成溶液ⅱ；

10、s13、将溶液ⅰ和溶液ⅱ混合得到混合溶液ⅲ，用眉笔将混合溶液ⅲ均匀涂抹在碳布电极的无防水层的一侧；

11、s14、最后将碳布电极的涂层处在室温下进行干燥，完成铂/碳催化剂的涂抹。

12、通过采用上述技术方案，。

13、本发明还提供一种太阳能间歇电驱动有机废水提升产甲烷效能的方法，其特征是：包括以下步骤：

14、s21、将微生物电解池反应器按照提前设定的方式进行设置和组装；

15、s22、运行设置组装后的微生物电解池反应器，收集其反应气体；

16、s23、采用气相色谱仪测量反应气体的成分和体积；

17、s24、利用测量的成分和体积，通过计算公式计算微生物电解池反应器产生的氢气和甲烷总量；

18、s25、通过产生的氢气和甲烷总量，对甲烷产生路径的贡献进行计算，结果表明自然太阳能间歇电驱动模式在产甲烷效能上更具优越性。

19、本发明还提供一种太阳能间歇电驱动有机废水在提升产甲烷效能中的应用。

20、综上所述，本发明具有以下有益效果：

21、1、本发明综合地探究了两种间歇电驱动模式与连续电驱动模式对生物电化学系统甲烷回收和废水处理的能力，证明了间歇供电模式不仅可以节约能量的投入，而且还提升了生物电化学的性能，时本发明构建的自然的太阳能电池直接电驱动生物电化学的耦合系统，进一步提高了其从废水中回收生物能源甲烷的能力，能量收益最显著，为生物电化学系统进一步扩大化应用提供了新的思路。

22、2、本发明综合地从生物膜电化学性能、生物量、分子测序技术等不同角度挖掘不同电驱动模式下功能微生物的差异，多角度阐明间歇式电驱动模式提高生物电化学系统整体性能的原因，为太阳能直接驱动生物电化学系统回收甲烷打下了夯实的理论基础。