一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽

本发明涉及资源利用回收，尤其是涉及一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽。

背景技术：

1、全球正面临着严峻的环境污染和能源短缺问题。氢气因为在燃烧时仅产生水，成为引起全世界广泛关注的重要新能源燃料。微生物电解池可以在处理废水的同时产生氢气，具有良好的环境和能源双重效益。但其存在诸如电流密度低、氢气产率慢和高压下产电菌失活甚至死亡等挑战，限制了微生物电解池的发展。水电解产氢是另一种有效的制氢方法，可以在大电流密度下高效产氢。但也存在诸如消耗大量优质淡水资源等问题。海水电解虽然可以节约淡水资源，但仍面临选择性差和易被腐蚀等问题，限制了其实际应用。

2、cn101597766a公开了用于有机废水制氢的阴极催化剂以及制备方法，公布了一种利用33-36％ni，33-63％al，0.5-6％co等合金粉末涂覆在微生物电解池的阴极上作为催化制氢的方法。cn101270368a公开了有机废水梯级产氢的方法，公布了一种利用双室微生物燃料电池中的阳极池利用厌氧微生物处理有机废水，而阴极池产氢。但前者存在着电流密度低，产氢速率慢、氢气纯度低等问题，后者存在着电流密度低、产氢速率慢，高电压下产电菌失活甚至死亡等问题。

3、因此，亟需一种电流密度高、产氢速率快的微生物水电解槽。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，涉及电解水制氢技术领域、微生物电解池制氢和污水处理技术领域，采用废水高效制氢，以解决传统微生物电解池电流密度低、产氢速率慢、产电菌高压下失活等问题，同时节约优质水资源。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的目的是提供一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，包括依次布置的前端端板、产氢室、膜电极组件、产氧室、质子交换膜、污水处理室和末端端板；所述产氢室和产氧室由膜电极组件分隔开；所述产氧室和污水处理室由质子交换膜分隔开；所述末端端板上固定有碳材料，所述碳材料负载有产电菌；所述微生物水电解槽包括阳极i和阳极ii和阴极；所述阳极i为膜电极组件的阳极侧，属于非生物阳极；所述阳极ii为负载有产电菌的碳材料，属于生物阳极；所述阳极i和阳极ii由一根导线相连；所述阴极为膜电极组件的阴极侧，属于非生物阴极。

4、进一步地，所述利用污水高效制氢的微生物水电解槽还包括硅胶垫片；所述前端端板、产氢室之间设有硅胶垫片，所述污水处理室、末端端板之间设有硅胶垫片。

5、进一步地，所述微生物水电解槽整体由端板(包括前端端板和末端端板)、硅胶垫片、环氧树脂胶密封。

6、进一步地，所述环氧树脂胶为环氧树脂ab胶。

7、进一步地，所述产氢室、产氧室和污水处理室通过膜电极组件和质子交换膜进行离子交换，通过外加导线进行电子的传递和运输。

8、进一步地，所述碳材料为碳刷或碳毡，碳刷或碳毡固定于末端端板上，碳刷或碳毡上负载有于微生物燃料电池中筛选培养好的高活性产电菌。

9、进一步地，所述产氢室上方设有一个圆柱气体导管，用于安插气袋收集氢气。

10、进一步地，所述产氢室整体由环氧树脂密封。

11、进一步地，所述产氧室上方设有一个开口，用于释放氧气，使氧气自由扩散到空气中，保证装置压强稳定；所述污水处理室上方设有一个开口，用于更新待处理的废水。

12、进一步地，所述污水处理室上方所设的开口由硅胶塞密封。

13、进一步地，膜电极组件包括多孔传输层、阳极催化剂、阴离子交换膜、阴极催化剂、气体扩散层，所述膜电极组件用于电解水。

14、进一步地，所述膜电极组件的阳极侧指的是：阳极催化剂、多孔传输层；所述膜电极组件的阴极侧指的是：气体扩散层、阴极催化剂。

15、进一步地，多孔传输层和气体扩散层由镍毡、钛毡充当。即：所述多孔传输层为镍毡或钛毡；所述气体扩散层为镍毡或钛毡。多孔传输层和气体扩散层也可以为碳毡、碳布、镍网、钛网等。

16、进一步地，所述阳极催化剂由氧化铱、氧化钌、或其他用于碱性电解水的镍、铁合金等阳极催化剂充当。

17、进一步地，所述阴极催化剂由铂碳或其他用于碱性电解水的阴极催化剂充当。

18、进一步地，所述生物阳极为阳极ii，由碳刷或碳毡等载体，及其上负载的产电菌等组成。生物阳极放置于污水处理室一端，由末端端板固定。

19、进一步地，所述阳极ii放置于污水处理室一端，由端板固定；所述阳极ii的数量为一个或多个；多个阳极ii时采用并联模式，布置多个对应的污水处理室。

20、进一步地，所述污水处理室的数量为一个或多个，多个污水处理室时布置在同一侧，均用质子交换膜隔开，并采取并联模式。

21、进一步地，污水处理室内定期更换废水，进行废水中的有机物降解处理。

22、进一步地，所述产氢室和产氧室采用koh作为电解质进行碱性水电解。

23、进一步地，所述产氧室通过与污水处理室的离子交换对消耗的水资源进行补充。

24、进一步地，对所述微生物水电解槽施加外加电压；所述外加电压为直流电，直流电为1.6v-2.4v，即包括但不限于从1.6v-2.4v的电解范围。

25、进一步地，所述微生物水电解槽(mwec)为水电解槽(we)和微生物电解池(mec)的结合。

26、进一步地，所述污水处理室的数量为一个或多个，多个污水处理室时采用串联或并联模式。

27、进一步地，所述微生物水电解槽的数量为一个或多个，多个微生物水电解槽可采取并联或串联模式。

28、进一步地，所述前端端板、产氢室、膜电极组件、产氧室、质子交换膜、污水处理室和末端端板通过螺杆或其他紧固件连接。

29、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

30、1)本发明提供的微生物水电解槽利用废水产氢，能有效解决水污染问题，并实现水资源的合理配置，保护了优质水资源和水环境；

31、2)本发明提供的微生物水电解槽能达到工业级电流密度，突破了阻碍传统微生物电解池产业化发展的电流密度低、产氢速率慢、产电菌在高电压(2.2v)下失活甚至死亡等瓶颈问题，使其工业应用成为可能；

32、3)本发明提供的微生物水电解槽，能够高效生产氢气，对解决全球能源短缺与新能源氢能的绿色可持续生产有着重要意义。本发明达到的工业级电流密度和污染物降解速率使其有着广泛的应用前景，对解决全球当下严峻的水污染和能源短缺问题有重要意义。

33、基于上述理由，本发明可在水电解制氢领域和污水处理领域广泛推广。

技术特征：

1.一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，包括依次布置的前端端板(1)、产氢室(2)、膜电极组件(3)、产氧室(4)、质子交换膜(5)、污水处理室(6)和末端端板(7)；

2.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述碳材料为碳刷或碳毡。

3.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述产氢室(2)上方设有一个圆柱气体导管，用于安插气袋收集氢气；

4.根据权利要求3所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述污水处理室(6)上方所设的开口由硅胶塞密封。

5.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述利用污水高效制氢的微生物水电解槽还包括硅胶垫片(8)；

6.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，膜电极组件(3)包括多孔传输层(34)、阳极催化剂(35)、阴离子交换膜(33)、阴极催化剂(31)、气体扩散层(32)，所述膜电极组件(3)用于电解水。

7.根据权利要求6所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述多孔传输层(34)为碳毡、碳布、镍毡、镍网、钛毡或钛网；

8.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述阳极ii放置于污水处理室(6)一端，由末端端板(7)固定；

9.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，所述产氢室(2)和产氧室(4)采用koh作为电解质进行碱性水电解。

10.根据权利要求1所述一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，其特征在于，对所述微生物水电解槽施加外加电压；

技术总结
本发明涉及一种利用污水高效制氢的微生物水电解槽，包括依次布置的前端端板、产氢室、膜电极组件、产氧室、质子交换膜、污水处理室和末端端板；所述产氢室和产氧室由膜电极组件分隔开；所述产氧室和污水处理室由质子交换膜分隔开；所述末端端板上固定有负载有产电菌的碳材料；所述微生物水电解槽包括阳极I和阳极II和阴极；所述阳极I为膜电极组件的阳极侧；所述阳极II为负载有产电菌的碳材料；所述阳极I和阳极II由一根导线相连；所述阴极为膜电极组件的阴极侧。与现有技术相比，本发明能有效应对电解水制氢对优质水资源的浪费和微生物水电解制氢电流密度低、产氢速率慢等挑战。

技术研发人员：朱秀萍,董秀婷
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19