一种厨余垃圾的H₂捕集系统的制作方法

专利名称：一种厨余垃圾的H₂捕集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及微生物电化学相关的技术领域，具体涉及一种集厨余垃圾处理、能源回收和H2捕集为一体的装置。
背景技术：
能源是人类社会存在的重要基础，一直以来，我们将化石燃料作为赖以生存的能源，但是随着社会的进步发展，可持续发展战略已经成为整个人类的共识，化石燃料产生的温室气体对气候的影响以及化石燃料自身不可再生的特点，都在督促我们寻找新的可再生清洁能源作为代替。而众所周知，氢气燃烧产生的唯一产物是水，同时水又可以再次参与自然循环，实现真正的“零污染”和“零排放”，因此，氢气是一种真正清洁的能源，氢能源的开发与应用研究，成为全球共同关注的重要课题。传统的制氢技术主要有三种，一是以天然气、煤、重油等化石燃料通过裂解等方法 制氢，二是以电解水的方法制氢，但是这两者都存在着能源消耗大，产生二次污染的问题，而第三种生物制氢的方法以生物质为原料，原料简单易得，过程消耗能源小，安全环保，但是生物质的利用率较低，利用微生物的产电特性，结合电解水技术开发了微生物电解池制氢系统，可利用可降解生物质产氢，且能量利用率高，是一种有效的氢气开发技术。微生物电解池(MEC)由微生物燃料电池(MFC)转化而来，MFC是一种微生物的产能技术，在微生物的催化作用下将有机物化学能直接转化为电能。在MFC阳极，微生物氧化有机物释放出CO2和质子到溶液中，产生的电子则到达电极。电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜传递至阴极，形成电流；在阴极，电子和质子与氧气反应生成水。将MFC进行改装，使其整体保持厌氧条件，再加外电压，使阴极内电子与质子反应而产生H2或其他产物，即形成了 MEC。在MEC中，阳极微生物将溶液中有机物降解，同时产生氢离子和电子，产生的电子通过位于细胞外膜的电子载体传递到阳极，再经过外电路到达阴极，氢离子通过质子交换膜或直接通过电解质到达阴极，在外加低电压电源的作用下，在阴极上还原为氢气。专利公开号为CN102400169A的发明专利，公布了一种碱性微生物电解制氢方法，通过在微生物燃料电池模式下启动微生物电解池，在外加电压下，电解池实现制氢。该发明具有抑制甲烷产生，产出的气体甲烷含量低，长时间连续运行，成本低，产氢速率高等特点，但是该发明中微生物电解池仍需要外加电源的供给，尽管MEC制氢所需的电能远低于化学电解水制氢，但这部分能量消耗仍成为MEC的主要成本，依然存在技术改进的潜力，以彻底摆脱对外电源的依赖。同时，在现存的微生物电解制氢技术中，多以有机废水为电解池的可降解原料，鲜有以有机固体废物为原料进行产氢的方法。

发明内容
根据现有技术存在的不足，本发明提出了一种厨余垃圾的H2捕集系统，以有机的厨余垃圾作为原料，设计微生物燃料电池和微生物电解池组成的微生物电化学系统，利用微生物燃料电池的产能特性，为微生物电解池提供外接电压，在微生物电解池中进行氢气的产生收集，实现了废物的资源化利用，集固体垃圾处理、能量回收和H2能源产生为一体。—种厨余垃圾的H2捕集系统，包括垃圾预处理单元，微生物电解池和微生物燃料电池。所述的垃圾预处理单元主要作用是粉碎打浆。在垃圾预处理单元，通过打浆将筛选过的有机厨余垃圾制成浆液。厨余垃圾的含水量一般可高达80%，静止I 2h后，40% 50%的上清液通过管道连接进入微生物燃料电池的阳极室产电，余下的上清液和固体渣(含固率为20% 45% )通过管道进入微生物电解池。所述的微生物电解池顶部为盖板，使得池体内保持一个厌氧的环境，盖板边界处设环形气体收集口，用于捕集阴极产生的h2。电解池底部为圆台型，池底中心和池顶中心以驱动轴连接，设垂直螺旋输送装置，采用叶片螺旋面，其直径为池面直径的1/2，以垂直向上为推进方向。设垂直螺旋输送装置的目的是实现池体内浆液的混匀搅拌，以充分利用其中的有机物质，同时加快池体内电子和质子的传递速率，提高产氢效率。电解池的阴极环绕池壁设定，且环绕螺旋输送装置设置4 6个阳极，相比单个阳极的设计，这样可充分保证电 流在整个电解池中的均匀作用，提高有机物的利用效率及产氢效率。控制微生物电解池内的pH为7. I 9. O,因为单室产氢技术的最大技术障碍在于阴极产生的氢气会扩散到阳极被产甲烷菌利用，将二氧化碳还原为甲烷，长期运行电解池的产氢效率降低，而产甲烷菌在中性条件下快速生长，过酸或过碱条件下则活动减缓，所以本发明设置电解池PH为碱性，以提闻广氢!的效率。所述的微生物燃料电池是由阳极室和阴极室组成的双室结构，中间以质子交换膜隔开，阳极室的阳极液为垃圾打浆上清液，阴极室的阴极液为O. 2 O. 4氯化钠，O. 5
O.8g磷酸二氢钾和O. 5 O. 8g磷酸二氢钠在200ml水中形成的缓冲液，可为微生物电解池提供O. 6 I. IV的电压。厨余垃圾的上清液进入微生物燃料电池，阳极室中的微生物将其中的有机物氧化分解，产生的电子通过外电路达到阴极，而质子通过质子交换膜达到阴极，由此形成了电流，将有机化学能转化为电能，电能进入蓄电池存储，并向电解池稳定供电，使得电解池摆脱对外界电源的依赖。而利用厨余垃圾上清液产电的做法，实现了能量的回收，充分利用了垃圾中的有效资源。所述的微生物电解池阳极和电解池阴极，微生物燃料电池阳极和燃料电池阴极均可米用碳布、碳租等碳基材料和石墨颗粒、石墨棒、石墨租、不镑钢等材料，这些材料均具有高导电性，且石墨材料具有较高的表面积和孔隙率，适合微生物的生长，微生物电解池的阴极采用碳载钼为催化剂，这是因为加入催化剂可降低阴极反应的活化能，加快反应速度，降低析氢电势。所述的微生物电解池阳极和微生物燃料电池阴极相连，微生物电解池阴极和微生物燃料电池的阳极相连。所述的一个微生物电解池和一个微生物燃料电池为一组微生物电化学系统，所述的每个垃圾预处理单元至少连接两组微生物电化学系统，交替使用。为了保证产氢的持续进行，设置两组或两组以上的微生物电化学系统，每组的反应时间为3 5d。当一组微生物电化学系统的反应停止以后，垃圾预处理单元中的浆液进入其他的微生物电化学系统，清空该组微生物电化学系统以待下一轮反应进行。本发明的突出创新之处在于，率先采用有机厨余垃圾作为微生物燃料电池和微生物电解池的原料，实现了固体废物的资源化利用，微生物燃料电池和微生物电解池组合的设计方式，将厨余垃圾中的有机化学能转化为电能，做到了资源的充分利用、能源回收，而燃料电池产生的电压供微生物电解池使用，进一步较低了微生物电解池制氢的运行成本。采用固体废物产能制氢的方法，取得清洁能源氢气，摆脱了电解池对外加电源的依赖，且为低成本获得新型清洁能源提供了一种新的技术方法。


图I为本发明系统的剖面结构示意图；图2为本发明中微生物电解池的内部平面图；附图标记说明I-微生物燃料电池；2_质子交换膜；3_微生物燃料电池阴极；4_微生物燃料电池阳极；5_垃圾预处理单元；6_微生物电解池；7_微生物电解池阴极；8_微生物电解池阳极； 9-环形气体收集口 ； 10-垂直螺旋输送装置；11_盖板；12-蓄电池。
具体实施例方式下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。如图I、图2所示的一种厨余垃圾的H2捕集系统，包括垃圾预处理单元5，微生物电解池6和微生物燃料电池I。所述的垃圾预处理单元5的主要作用是粉碎打浆，通过打浆将筛选过的有机厨余垃圾制成浆液，静止I 2h后，40% 50%的上清液通过管道连接进入微生物燃料电池I的阳极室，余下的上清液和固体渣通过管道进入微生物电解池6。所述的微生物电解池6顶部为盖板11，盖板11边界处设环形气体收集口 9，底部为圆台型，池底中心和池顶中心以驱动轴连接，设垂直螺旋输送装置10，采用叶片螺旋面，其直径为池面直径的1/2，以垂直向上为推进方向。所述的微生物电解池6的阴极7环绕池壁设定，且环绕螺旋输送装置10设置4 6个阳极8，控制微生物电解池6内的pH为
7.O 9. O。所述的微生物燃料电池I是由阳极室和阴极室组成的双室结构，中间以质子交换膜2隔开，阳极室的阳极液为垃圾打浆上清液，阴极室的阴极液为O. 2 O. 4氯化钠，
O.5 O. 8g磷酸二氢钾和O. 5 O. 8g磷酸二氢钠在200ml水中形成的缓冲液，可为微生物电解池6提供O. 6 I. IV的电压。 所述的微生物电解池阳极8和电解池阴极7，微生物燃料电池阳极4和燃料电池阴极3均可采用碳布、碳租等碳基材料和石墨颗粒、石墨棒、石墨租、不锈钢等材料,并且微生物电解池的阴极7采用碳载钼为催化剂。所述的微生物电解池阳极8和微生物燃料电池阴极3相连，微生物电解池阴极7和微生物燃料电池的阳极4相连，并在电路上设置一个蓄电池12。所述的一个微生物电解池和一个微生物燃料电池为一组微生物电化学系统，所述的每个垃圾预处理单元至少连接两组微生物电化学系统，交替使用。经过筛选去除石粒等无机物的有机厨余垃圾进入垃圾预处理单元，经过粉碎打浆，形成浆液。静止I 2h，实现固液分离，40% 50%的上清液通过管道连接进入微生物燃料电池的阳极室，余下的上清液和固体渣通过管道进入微生物电解池。所述的微生物电解池阳极和微生物燃料电池阴极相连，微生物电解池阴极和微生物燃料电池的阳极相连。微生物燃料电池的阴极和阳极均可采用碳布、碳租等碳基材料和石墨颗粒、石墨棒、石墨毡、不锈钢等材料，阳极微生物将有机物分解，产生二氧化碳和质子，电子通过外电路到达阴极，而质子通过离子交换膜达到阴极，由此产生O. 6 I. IV的电压，该电压在蓄电池中存储，并向微生物电解池稳定供电。微生物电解池顶部为盖板，使得内部保持厌氧环境，并控制微生物电解池内的pH为7. O 9. O。电解池的底部为圆台型，池底中心和池顶中心以驱动轴连接，设垂直螺旋输送装置，采用叶片螺旋面，其直径为池面直径的1/2，以垂直向上为推进方向对电解池内的垃圾浆液进行搅拌。微生物电解池的阴极环绕池壁设定，且环绕螺旋输送装置设置4 6个阳极，阴极和阳极也可采用碳布、碳毡等碳基材料和石墨颗粒、石墨棒、石墨毡、不锈钢等材料中的任意一种，且阴极采用碳载钼为催化剂。在微生物电解池内，阳极微生物氧化产生氢离子和电子，产生的电子通过位于细胞外膜的电子载体传递到阳极，再经过外电路到达阴极，氢离子直接通过电解质到达阴极，在微生物燃料电池的低电压作用下，在阴极还原为H2，产生的H2通过盖板边界处的环形气体收集口收集。经过3 5d，垃圾浆液的产能制氢反应完毕，垃圾预处理单元产生的垃圾浆液进入另一组微生物电化学系统进行反应，该组微生物电化学系统清空待用。 使用例以石墨为微生物燃料电池的阴极和阳极，产生的电压为O. 8 O. 9V，微生物电解池的阳极材料为碳布，阴极以碳布为基材，以Pt/c为催化剂。经过筛选的厨余垃圾的含固率为15%，进入垃圾预处理单元进行反应，经过测定计算，获得I. 38m3/(m3 -d)的产氢效率。
权利要求
1.一种厨余垃圾的H2捕集系统，包括垃圾预处理单元，微生物电解池和微生物燃料电池。其特征在于 所述的垃圾预处理单元主要作用是粉碎打浆。
所述的微生物电解池内设垂直螺旋输送装置。电解池的阴极环绕池壁设定，且环绕螺旋输送装置设置若干阳极。
所述的微生物燃料电池是由阳极室和阴极室组成的双室结构，并以质子交换膜隔开。
2.根据权利要求书I所述的一种厨余垃圾的H2捕集系统，其特征在于所述的垃圾预处理单元通过打浆将筛选过的有机厨余垃圾制成浆液，静止I 2h后，40% 50%的上清液通过管道连接进入微生物燃料电池的阳极室，余下的上清液和固体渣通过管道进入微生物电解池。
3.根据权利要求书I所述的一种厨余垃圾的H2捕集系统，其特征在于所述的微生物电解池顶部为盖板,盖板边界处设环形气体收集口，底部为圆台型,池底中心和池顶中心以驱动轴连接，设垂直螺旋输送装置，采用叶片螺旋面，其直径为池面直径的1/2，以垂直向上为推进方向。
4.根据权利要求书I所述的一种厨余垃圾的H2捕集系统，其特征在于所述的微生物电解池的阴极环绕池壁设定，且环绕螺旋输送装置设置4 6个阳极，控制微生物电解池内的pH为7.0 9. O。
5.根据权利要求书I所述的一种厨余垃圾的H2捕集系统，其特征在于所述的微生物燃料电池池体是由阳极室和阴极室组成的双室结构，中间以质子交换膜隔开，为微生物电解池提供O. 6 I. IV的电压。
6.根据权利要求书I所述的一种厨余垃圾的H2捕集系统，其特征在于所述的微生物电解池阳极和电解池阴极，微生物燃料电池阳极和燃料电池阴极均可采用碳布、碳毡等碳基材料和石墨颗粒、石墨棒、石墨毡、不锈钢等材料，并且微生物电解池的阴极采用碳载钼为催化剂。所述的微生物电解池阳极和微生物燃料电池阴极相连，微生物电解池阴极和微生物燃料电池的阳极相连。
7.根据权利要求书I所述的一种厨余垃圾的H2捕集系统，其特征在于所述的一个微生物电解池和一个微生物燃料电池为一组微生物电化学系统，所述的每个垃圾预处理单元至少连接两组微生物电化学系统，交替使用。
全文摘要
本发明公开了一种厨余垃圾的H2捕集系统，包括垃圾预处理单元，微生物电解池和微生物燃料电池。所述的垃圾预处理单元主要作用是粉碎打浆。所述的微生物电解池内设垂直螺旋输送装置。电解池的阴极环绕池壁设定，且环绕螺旋输送装置设置若干阳极。所述的微生物燃料电池是由阳极室和阴极室组成的双室结构，并以质子交换膜隔开。本发明以厨余垃圾为原料，利用微生物燃料电池将其中的有机物化学能转化为电能，而微生物电解池依靠产生的电压在阴极产生氢气。本发明实现了厨余垃圾的有效资源利用，利用微生物燃料电池回收能量，同时产生了清洁能源氢气H2，将废物转化为能源，具有环保经济的实用价值。
文档编号H01M8/06GK102864463SQ20121031222
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者沈霞娟, 冯华军, 韩竞一, 杨煜强, 余佩佩, 洪瑜潞, 钱钰洁 申请人:杭州净洋环保科技有限公司