[发明专利]一种原位氢气氧化法调控pH和强化产氢的装置及方法

说明书

本发明公开了一种原位氢气氧化法调控pH和强化产氢的装置及方法。装置，如下结构的微生物电解池：两个阴极室以及设于两个阴极室之间的阳极室，阳极室与相邻的阴极室之间通过阳离子交换膜间隔形成；所述阳极室具有进水口和出水口，阳极室内设有阳极，与外部电源的正极相连；每个阴极室均具有电解液进出水口和氢气收集口，每个阴极室内均设有阴极，两个阴极分别连接外部电源的正极和负极，并周期性的交换正负极连接方式。本发明工艺流程简单，操作方便，将氢氧化运用在微生物电解池的阴极，既可以原位地使用正常运行过程中所产生的氢气，又可以提高氢气的产量，达到以废制废的目的，最大限度减少了运行成本，可应用于处理市政污水，并实现产电产氢。

技术领域

本发明属于生活污水处理的技术领域，具体涉及一种原位氢气氧化法调控pH和强化产氢的方法及装置，其采用电化学氧化还原、微生物产电技术的耦合共同作用。

背景技术

微生物电解池(MEC)是一种新型的电化学系统，阳极的产电菌降解溶液中的有机物，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，在外加低电压电源和催化剂的作用下，与电子结合生成氢气，该装置不仅能够实现水污染治理，更能“变废为宝”，其实际的生产应用会带来更大经济效益。然而一个固有的阻碍其发展的是随着反应的进行，阴极由于还原质子产生氢气，阴极室碱度不断的累积，然而阳极在氧化有机物的同时释放质子，阳极室酸度不断的累积，这种电极两端pH不平衡使得电极的内阻提高，正常反应受阻。

很多方法已经运用于降低减弱阴阳极的pH不平衡，如单室式微生物电解池，将阳极电解液循环到阴极室，向电解液里加缓冲溶液。但是这些方法却阻碍了MEC的运行和发展，如在单室式微生物电解池中，由于有机物的存在，异养细菌会与阴极电极争夺质子，使得氢气产量降低，甚至生成甲烷。同样的，将阳极电解液循环到阴极室也会导致甲烷的产生和氢气产量的降低。缓冲溶液的加入可以根本上抑制电极两端的pH不平衡，其中最常使用的是磷酸盐缓冲剂，不仅可以有效地控制pH，而且可以提高电解液的电导率，提高产电，然而磷酸盐缓冲剂的使用是不经济的，且环境不友好的。由于这个原因，磷酸盐缓冲剂常常被碳酸氢盐/碳酸盐缓冲对、盐溶液、酸溶液代替。但是碳酸氢盐/碳酸盐缓冲对会促进甲烷的生成，而使用酸溶液作为阴极电解液并间歇地加酸碱会使得电解槽里的电解液盐度增加。

发明内容

发明目的：为了解决现有的微生物电解池阴极电解液pH上升过快的问题，本发明提供了一种原位氢气氧化法调控微生物电解池阴极pH和强化产氢的方法及装置。

技术方案：本发明所述的原位氢气氧化法调控pH和强化产氢的装置，包括微生物电解池，所述的微生物电解池包括：两个阴极室以及设于两个阴极室之间的阳极室，阳极室与相邻的阴极室之间通过阳离子交换膜间隔形成；所述阳极室具有进水口和出水口，阳极室内设有阳极，与外部电源的正极相连；每个阴极室均具有电解液进出水口和氢气收集口，每个阴极室内均设有阴极，两个阴极分别连接外部电源的正极和负极，并周期性的交换正负极连接方式。

每个阴极室内设有pH计。通过pH计测定阴极室内的电解液的pH，根据电解液的pH情况决定是否交换正负极连接方式以及是否更换电解液。交换正负极连接方式，可手动调节更换，优选的，采用自动控制电路来实现周期性地交换微生物电解池的双阴极，使得系统能有效地实现自动化控制pH。

所述阴极室和阳极室内均设有搅拌装置。

阳极材料和阴极材料可以采用现有技术中的常规材料，如阳极材料由用丙酮泡过夜，然后450℃加热半小时的碳刷组成，而阴极材料则沾满0.5mg cm^-2Pt/C粉末(Pt/C粉末可选但不限于以下公司的产品：Thermo Fisher Scientific,USA)的碳布组成，用以强化产氢。

所述阳极室的进水口与阳极进水槽相连，所述阳极室的出水口与阳极出水槽相连；所述阴极室的电解液进出水口与电解液槽相连，所述阴极室的氢气收集口与氢气收集瓶相连。