[实用新型]一种有机物氧化降解同步CO2

说明书

本实用新型公开了一种有机物氧化降解同步CO₂甲烷化的微生物电解池，其特点是电解池的阳极和阴极为碳棒轴向设置数个石墨毡的复合生物电极，阳极室由设置质子跨膜蠕动泵的管路与阴极室连通；所述石墨毡为导电高聚物材料制成具有三维结构的电极。本实用新型与现有技术相比具有强化电活性功能菌的附着生长、生物膜的形成以及电子的传导，较好的解决了反应器运行过程中PEM污染而导致质子H⁺传输受阻的问题，避免阴极室CH₄产生效率低下，提高质子H⁺传输通量，利于提高CH₄产生效率，具有较广泛的应用前景。

技术领域

本实用新型涉及微生物电化学技术领域，尤其是一种微生物电解池及其强化有机物氧化降解同步CO₂甲烷化方法。

背景技术：

微生物电解池（MEC）技术以富集于阴极表面的电活性功能菌为生物催化剂，在外源低电势的驱动下，突破超电势与内电阻限制，以CO₂为碳源，催化合成CH₄等多种低碳燃料，从而实现CO₂减排与增值回用。在反应室阳极，接种活性微生物为阳极氧化剂，催化电子供体（水、小分子有机酸以及大分子碳水化合物等）发生氧化反应，释放电子和质子H⁺，其中，电子经由外电路传至阴极，在阴极通过还原反应被加以利用；质子H⁺经两反应室间的质子交换膜（PEM）进入阴极，参与甲烷形成反应。

目前，在MEC的阳极室中，多用水作为电子/质子H⁺的供体， 但水分子裂解所需的理论电极电势较高（+ 0.820 V vs. SHE），过高的分解电位会增加所需的外源电压，削减电甲烷体系的总能源效率，以及可能导致电极腐蚀、分解，甚至中断电子/质子H⁺供给。鉴于此，采用废弃生物质等作为电子/质子H⁺供体可在提高CH₄合成过程的稳定性的同时，实现高效降解有机物。

现有技术的有机物降解同步实现CO₂生物电甲烷化的研究中，随着反应时间的延长，质子交换膜可能出现不同程度的污染，阳极电子供体以及电活性功能菌的附着沉积阻塞了质子H⁺往阴极传递的通路，降低其传递效率，导致阴极甲烷形成过程受阻。针对此问题并未提出较好的解决方法，只是以短期批次试验为主，以避免出现此问题。但就短期批次试验而言，其虽在验证预期结论的时效性方面存在优势，但仍存在一些不可避免的不完善之处。一方面，鉴于实验时间的紧迫性，短期实验过程中电活性功能菌的高效率和高稳定性活动予以期望，这将提高对电活性功能菌的要求；另一方面，短期研究得出的结果是否足以支持适用于工程的结论，仍需进一步探究。因此，为实现持续高效的CO₂减排与转化再利用甲烷，有必要提出一种有效地强化质子跨膜传输方法。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而设计的一种有机物氧化降解同步CO₂甲烷化的微生物电解池，采用复合生物电极表面负载电活性功能菌和CO₂曝气的微生物电解池结构，以及质子跨膜阳极室与阴极室的质子传输，在外加电势作用下，阳极电活性功能菌降解预降解基质，产生质子H⁺以及电子，质子H⁺通过质子交换膜（PEM）进入阴极，在生物电化学合成CH₄过程中微生物从电极表面接收电子将曝入的CO₂还原为CH₄，从而实现碳减排与增值回用，实现阴极室高效还原CO₂合成CH₄提供质子，强化阴极室甲烷回收效率，结构简单，甲烷回收效率高，具有较好的社会效益和经济效益。