權(quán)利要求
1.一種微生物電催化碳捕集膜，其特征在于，所述微生物電催化碳捕集膜包括依次復(fù)合的微生物陽極、陰離子交換膜和氣體擴(kuò)散陰極;其中：所述微生物陽極中的微生物包括產(chǎn)電型微生物;所述氣體擴(kuò)散陰極包括氧還原催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微生物電催化碳捕集膜，其特征在于，所述產(chǎn)電型微生物包括Shewanella屬和/或Geobacter屬微生物;和/或所述氧還原催化劑包括酞菁鐵和/或酞菁錳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種微生物電催化碳捕集膜，其特征在于，所述微生物陽極為負(fù)載活性污泥的碳基集流體，所述活性污泥來自微生物燃料電池反應(yīng)器;和/或所述氣體擴(kuò)散陰極為負(fù)載氧還原催化劑的碳基集流體;和/或所述陰離子交換膜為Fumasep FAA-3-PK-75或Fumasep FAA-3-PK-130或Fumasep FAB-PK-130。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種微生物電催化碳捕集膜，其特征在于，所述碳基集流體的厚度為0.1~0.5 mm;和/或所述碳基集流體的體積密度為0.3~0.5 g/cm3;和/或所述碳基集流體的孔隙率為70~80%;和/或所述碳基集流體的電阻率小于100 mΩ·cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微生物電催化碳捕集膜，其特征在于，所述微生物電催化碳捕集膜在微生物陽極復(fù)合有廢水流道網(wǎng);和/或在氣體擴(kuò)散陰極復(fù)合有氣體流道網(wǎng);所述廢水流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸;和/或所述廢水流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0 mm;和/或所述廢水流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目;和/或所述氣體流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸;和/或所述氣體流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0 mm;和/或所述氣體流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。
6.權(quán)利要求1-5任一所述的一種微生物電催化碳捕集膜的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：
S1，制備微生物陽極
利用玻璃微珠將來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥震蕩打散，形成均勻的活性污泥分散液;將活性污泥分散液通過抽濾的方式負(fù)載至碳基集流體上，形成微生物陽極;
S2，制備氣體擴(kuò)散陰極
將多壁
碳納米管和Nafion溶液加入無水乙醇溶液中，超聲處理后形成均勻多壁碳納米管分散液;將氧還原催化劑加入無水乙醇溶液中，超聲處理后形成均勻氧還原催化劑分散液;
將氧還原催化劑分散液逐滴加入多壁碳納米管分散液，攪拌混勻后形成氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液;
將氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液通過噴涂的方式，負(fù)載到碳基集流體上，形成氣體擴(kuò)散陰極;
S3，制備微生物電催化碳捕集膜
按微生物陽極、陰離子交換膜和氣體擴(kuò)散陰極，或廢水流道網(wǎng)、微生物陽極、陰離子交換膜、氣體擴(kuò)散陰極和氣體流道網(wǎng)的順序，通過冷軋復(fù)合的方式形成微生物電催化碳捕集膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種微生物電催化碳捕集膜的制備方法，其特征在于，
所述活性污泥分散液中污泥濃度為1.0~10 g/L;和/或所述碳基集流體上活性污泥的負(fù)載量為10~1000 mg/cm2;和/或所述多壁碳納米管分散液濃度為0.1~1.0 g/L;和/或所述Nafion溶液濃度為1~20 wt%;和/或所述Nafion溶液投加量與無水乙醇的體積比為1:1000~1:10000;和/或所述氧還原催化劑為酞菁鐵分子和/或酞菁錳分子;和/或所述氧還原催化劑分散液濃度為1.0~100 mg/L;和/或所述超聲處理時(shí)間為2.0~6.0 h;和/或所述氧還原催化劑分散液的滴加速度為0.1~100 mL/min。
8.權(quán)利要求1-5任一所述的一種微生物電催化碳捕集膜或權(quán)利要求6-7任一所述的一種微生物電催化碳捕集膜的制備方法在廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排中的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述應(yīng)用包括如下步驟：
M1，將廢水泵入微生物電催化碳捕集膜的廢水流道網(wǎng)中;
M2，將脫硫脫硝后的煙氣泵入微生物電催化碳捕集膜的氣體流道網(wǎng)中;
M3，將廢水流道網(wǎng)的出水泵入氣提膜，實(shí)現(xiàn)廢水中CO2的脫出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，
所述微生物陽極和氣體擴(kuò)散陰極間外接電源;和/或所述廢水在廢水流道網(wǎng)中的水力停留時(shí)間為1.0~6.0 h;和/或所述脫硫脫硝后的煙氣在氣體流道網(wǎng)中的流速為1.0~100mL/min;和/或所述氣提膜中液相和氣相壓差控制在1~100 kPa。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請(qǐng)屬于碳捕集與封存和
工業(yè)廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)
[0002]目前最成熟的熱驅(qū)動(dòng)碳捕集過程是利用堿性吸收劑在常溫下捕獲CO2，然后升溫解吸實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。然而，熱驅(qū)動(dòng)碳捕集過程的能量效率會(huì)受限于卡諾循環(huán)。典型的烷醇胺類吸收劑在37°C和117°C之間循環(huán)運(yùn)行，其理論能量效率極限僅為21%。相比之下，
電化學(xué)碳捕集(ECC)規(guī)避了熱驅(qū)動(dòng)碳捕集的能量效率限制。ECC是通過電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)CO2的捕集和釋放，可實(shí)現(xiàn)近CO2最小分離功運(yùn)行，即100%能量效率。因此，ECC有望實(shí)現(xiàn)碳捕集過程能耗最小化，從而顯著降低碳捕集成本，推動(dòng)CCS的廣泛部署。
[0003]ECC因其無能量效率限制，操作條件溫和易于模塊化等優(yōu)勢(shì)，近年來已成為碳捕集與封存(CCS)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。加州大學(xué)伯克利分校Weber團(tuán)隊(duì)報(bào)道了目前最先進(jìn)的ECC，能夠以100 mA·cm-2的電流密度和80 kJ·mol-1CO2的能耗從400 ppm CO2的空氣中直接捕集CO2。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，CO2的最小分離功(
)等于氣體混合物中CO2分離前后的吉布斯自由能差(
)，其計(jì)算公式如式(1)所示。
[0004]
…………式(1)
其中，R是理想氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K-1)，T是體系溫度(298.15 K)，
是氣體混合物中CO2分壓(bar)，
是環(huán)境壓力(1 bar)。由式(1)可知，從400 ppm CO2的空氣中捕集CO2的最小分離功為19.4 kJ·mol-1CO2。因此，Weber團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了24%能量效率，已超過熱驅(qū)動(dòng)碳捕集過程的能量效率極限。然而，當(dāng)前ECC的低能量效率與實(shí)際應(yīng)用需求仍相距甚遠(yuǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
[0005]1. 要解決的問題
本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)電催化碳捕集過程能耗高的技術(shù)瓶頸，提供一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法和應(yīng)用，該膜通過微生物電自驅(qū)動(dòng)碳捕集，能夠同步完成石化行業(yè)的廢水減污和煙氣脫碳，并實(shí)現(xiàn)高能量效率的碳捕集過程。
[0006]2. 技術(shù)方案
為了解決上述問題，本申請(qǐng)所采用的技術(shù)方案如下：
第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N微生物電催化碳捕集膜，該微生物電催化碳捕集膜包括依次復(fù)合的微生物陽極、陰離子交換膜和氣體擴(kuò)散陰極，其中微生物陽極中的微生物包括產(chǎn)電型微生物，產(chǎn)電型微生物是一類可以將自身代謝過程中所產(chǎn)生的電子傳遞給胞外的電子受體的微生物，在有機(jī)物存在下，產(chǎn)電型微生物催化降解有機(jī)物，并釋放出電子、H+;陰離子交換膜用于陰離子在陽極和陰極之間交換，當(dāng)陽極、陰極之間產(chǎn)生電位差時(shí)，陰離子由低電位側(cè)跨過陰離子交換膜至高電位側(cè);氣體擴(kuò)散陰極包括氧還原催化劑，是氣體電催化反應(yīng)的場(chǎng)所，煙氣中共存O2在氧還原催化劑作用下還原產(chǎn)生OH-，這些OH-吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化為CO32-。
[0007]進(jìn)一步地，上述產(chǎn)電型微生物包括Shewanella屬和/或Geobacter屬微生物。
[0008]進(jìn)一步地，上述微生物陽極為負(fù)載活性污泥的碳基集流體，該活性污泥來自微生物燃料電池反應(yīng)器。
[0009]進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的厚度為0.1~0.5 mm。
[0010]進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的體積密度為0.3~0.5 g/cm3。
[0011]進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的孔隙率為70~80%。
[0012]進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的電阻率小于100 mΩ·cm。
[0013]進(jìn)一步地，上述陰離子交換膜為Fumasep FAA-3-PK-75或Fumasep FAA-3-PK-130或Fumasep FAB-PK-130，上述陰離子交換膜均為德國(guó)Fumasep公司銷售的陰離子交換膜。
[0014]進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極包括碳基集流體和氧還原催化劑，氧還原催化劑負(fù)載于碳基集流體上。
[0015]進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑包括酞菁鐵和/或酞菁錳。
[0016]進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的厚度為0.1~0.5 mm。
[0017]進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的體積密度為0.3~0.5 g/cm3。
[0018]進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的孔隙率為70~80%。
[0019]進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的電阻率小于100 mΩ·cm。
[0020]進(jìn)一步地，上述微生物電催化碳捕集膜，在微生物陽極復(fù)合有廢水流道網(wǎng)，用于廢水作為廢水的流道。
[0021]進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。
[0022]進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0 mm。
[0023]進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。
[0024]進(jìn)一步地，上述微生物電催化碳捕集膜，在氣體擴(kuò)散陰極復(fù)合有氣體流道網(wǎng)，用于作為氣體的流道。
[0025]進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。
[0026]進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0 mm。
[0027]進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。
[0028]第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N上述微生物電催化碳捕集膜的制備方法，該方法包括如下步驟：
S1，制備微生物陽極
利用玻璃微珠將來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥震蕩打散，形成均勻的活性污泥分散液;
將活性污泥分散液通過抽濾的方式負(fù)載至碳基集流體上形成微生物陽極;抽濾有助于活性污泥在碳基集流體上快速掛膜，縮短微生物陽極的馴化時(shí)間;
S2，制備氣體擴(kuò)散陰極
將多壁碳納米管和Nafion溶液加入無水乙醇溶液中，超聲處理后形成均勻多壁碳納米管分散液;將氧還原催化劑加入無水乙醇溶液中，超聲處理后形成均勻氧還原催化劑分散液;
將氧還原催化劑分散液逐滴加入多壁碳納米管分散液，攪拌混勻后形成氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液;
將氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液通過噴涂的方式負(fù)載至碳基集流體上形成氣體擴(kuò)散陰極;
S3，制備微生物電催化碳捕集膜
按微生物陽極、陰離子交換膜和氣體擴(kuò)散陰極，或廢水流道網(wǎng)、微生物陽極、陰離子交換膜、氣體擴(kuò)散陰極和氣體流道網(wǎng)的順序，復(fù)合形成微生物電催化碳捕集膜。
[0029]進(jìn)一步地，上述活性污泥分散液中污泥濃度為1.0~10 g/L。
[0030]進(jìn)一步地，上述碳基集流體上活性污泥的負(fù)載量為10~1000 mg/cm2。
[0031]進(jìn)一步地，上述震蕩打散包括：向來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥中加入玻璃微珠，震蕩打散。
[0032]進(jìn)一步地，上述玻璃微珠的平均直徑為10~1000 μm。
[0033]進(jìn)一步地，上述S1中，碳基集流體的厚度為0.1~0.5 mm。
[0034]進(jìn)一步地，上述S1中，碳基集流體的體積密度為0.3~0.5 g/cm3。
[0035]進(jìn)一步地，上述S1中，碳基集流體的孔隙率為70~80%。
[0036]進(jìn)一步地，上述S1中，碳基集流體的電阻率小于100 mΩ·cm。
[0037]進(jìn)一步地，上述多壁碳納米管分散液濃度為0.1~1.0 g/L。
[0038]進(jìn)一步地，上述Nafion溶液濃度為5~20 wt%。
[0039]進(jìn)一步地，上述Nafion溶液投加量與無水乙醇的體積比為1:1000~1:10000。
[0040]進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑為酞菁鐵和/或酞菁錳。
[0041]進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑分散液濃度為1.0~100 mg/L。
[0042]進(jìn)一步地，上述超聲處理時(shí)間為2.0~6.0 h。
[0043]進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑分散液的滴加速度為0.1~100 mL/min。
[0044]進(jìn)一步地，上述S2中，碳基集流體的厚度為0.1~0.5 mm。
[0045]進(jìn)一步地，上述S2中，碳基集流體的體積密度為0.3~0.5 g/cm3。
[0046]進(jìn)一步地，上述S2中，碳基集流體的孔隙率為70~80%。
[0047]進(jìn)一步地，上述S2中，碳基集流體的電阻率小于100 mΩ·cm。
[0048]進(jìn)一步地，上述陰離子交換膜為Fumasep FAA-3-PK-75或Fumasep FAA-3-PK-130或FAB-PK-130。
[0049]進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。
[0050]進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0 mm。
[0051]進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。
[0052]進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。
[0053]進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0 mm。
[0054]進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。
[0055]第三方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N上述微生物電催化碳捕集膜或其制備方法在廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排中應(yīng)用，該應(yīng)用包括如下步驟：
M1，將廢水泵入微生物電催化碳捕集膜的廢水流道網(wǎng)中，微生物陽極上產(chǎn)電型微生物催化降解廢水中有機(jī)物，并釋放出電子、H+和CO2，電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f到外部回路中;
M2，將脫硫脫硝后的煙氣泵入微生物電催化碳捕集膜的氣體流道網(wǎng)中，電子到達(dá)陰極并在催化劑作用下還原煙氣中O2產(chǎn)生OH-，這些OH-吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化為CO32-，在微生物陽極和氣體擴(kuò)散陰極間的電位差產(chǎn)生的電場(chǎng)力作用下CO32-跨過陰離子交換膜，與產(chǎn)電型微生物釋放的H+結(jié)合轉(zhuǎn)化為CO2，實(shí)現(xiàn)廢水減污與煙氣脫碳的協(xié)同治理。
[0056]進(jìn)一步地，上述應(yīng)用還包括：
M3，將廢水流道網(wǎng)的出水泵入氣提膜，實(shí)現(xiàn)廢水中CO2的脫出。
[0057]進(jìn)一步地，上述微生物陽極和氣體擴(kuò)散陰極間還可以外接電源，通過外接電源電壓產(chǎn)生更大電流，加大煙氣中CO2捕集速率。
[0058]進(jìn)一步地，上述廢水在廢水流道網(wǎng)中的水利停留時(shí)間為1.0~6.0 h。
[0059]進(jìn)一步地，上述脫硫脫硝后的煙氣在氣體流道網(wǎng)中的流速為1.0~100 mL/min。
[0060]進(jìn)一步地，上述氣提膜中液相和氣相壓差控制在1~100 kPa。
[0061]進(jìn)一步地，上述應(yīng)用包括：用于石化行業(yè)廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排。
[0062]3. 有益效果
本申請(qǐng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：
(1)本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用，微生物陽極中的微生物包括產(chǎn)電型微生物，產(chǎn)電型微生物能夠催化降解廢水中有機(jī)物，并釋放出H+、CO2和電子，電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f，經(jīng)外部回路到達(dá)氣體擴(kuò)散陰極界面，不僅將廢水中有機(jī)物降解成用于進(jìn)一步反應(yīng)的H+和可回收的CO2，實(shí)現(xiàn)了廢水減污處理;同時(shí)產(chǎn)生的電子還實(shí)現(xiàn)了微生物電自驅(qū)動(dòng)碳捕集，無需外加電源，可最大限度地降低碳捕集能耗。
[0063](2)本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用，產(chǎn)電型微生物釋放的電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f經(jīng)外部回路到達(dá)氣體擴(kuò)散陰極界面，在氧還原催化劑作用下還原煙氣中O2產(chǎn)生OH-，這些OH-吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化為CO32-;在電場(chǎng)作用下CO32-跨過陰離子交換膜，與產(chǎn)電型微生物釋放的H+結(jié)合轉(zhuǎn)化為CO2，實(shí)現(xiàn)了廢水減污與煙氣脫碳的協(xié)同治理。
[0064](3)本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用，可以根據(jù)廢水、煙氣的處理量進(jìn)行并聯(lián)使用，應(yīng)用于不同場(chǎng)景，便于推廣使用。將其用于石化行業(yè)廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排，能夠顯著降低碳捕集能耗，實(shí)現(xiàn)了9.7 kJ·mol-1CO2的能耗從8.5% CO2的煙氣中直接捕集CO2。由公式(1)可知，從8.5% CO2的煙氣中捕集CO2的最小分離功為6.1 kJ·mol-1CO2。因此，本申請(qǐng)的碳捕集過程實(shí)現(xiàn)了63%能量效率，已超過當(dāng)前最先進(jìn)的ECC碳捕集過程。
附圖說明
[0065]圖1是微生物電催化碳捕集膜的結(jié)構(gòu)及其工作原理圖。
[0066]圖2是微生物電催化碳捕集膜的性能評(píng)估，其中：(A)是不同槽壓下電流密度和法拉第效率，圓形表示電流密度，菱形表示法拉第效率;(B)是不同槽壓下的碳捕集速率和能量效率，淺色表示碳捕集速率，深色表示能量效率。
具體實(shí)施方式
[0067]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)一步進(jìn)行描述。
[0068]除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本申請(qǐng)的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同;本文所使用的術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。
[0069]實(shí)施例中未注明具體條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進(jìn)行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為可以通過市售購(gòu)買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
[0070]濃度、量和其他數(shù)值數(shù)據(jù)可以在本文中以范圍格式呈現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)理解，這樣的范圍格式僅是為了方便和簡(jiǎn)潔而使用，并且應(yīng)當(dāng)靈活地解釋為不僅包括明確敘述為范圍極限的數(shù)值，而且還包括涵蓋在所述范圍內(nèi)的所有單獨(dú)的數(shù)值或子范圍，就如同每個(gè)數(shù)值和子范圍都被明確敘述一樣。例如，約1至約4.5的數(shù)值范圍應(yīng)當(dāng)被解釋為不僅包括明確敘述的1至約4.5的極限值，而且還包括單獨(dú)的數(shù)字(諸如2、3、4)和子范圍(諸如1至3、2至4等)。相同的原理適用于僅敘述一個(gè)數(shù)值的范圍，諸如“小于約4.5”，應(yīng)當(dāng)將其解釋為包括所有上述的值和范圍。此外，無論所描述的范圍或特征的廣度如何，都應(yīng)當(dāng)適用這種解釋。
[0071]如本文所用，產(chǎn)電型微生物(Exoelectrogenic microorganisms)，也稱電化學(xué)活性細(xì)菌(electrochemically active bacteria，EAB)，是一類可以將自身代謝過程中所產(chǎn)生的電子傳遞給胞外的電子受體的微生物。
[0072]如本文所用，微生物燃料電池反應(yīng)器是利用微生物燃料電池電極富集法富集產(chǎn)電型微生物的反應(yīng)器，其活性污泥富含產(chǎn)電型微生物。
[0073]如本文所用，復(fù)合是將不同材料合在一起，本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，復(fù)合包括多種技術(shù)手段，作為示例，如冷軋復(fù)合，是常溫下將不同材料通過軋制機(jī)強(qiáng)力壓合在一起，達(dá)到層狀復(fù)合的效果。
[0074]實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法。
[0075]一種微生物電催化碳捕集膜，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括依次復(fù)合的廢水流道網(wǎng)、微生物陽極、陰離子交換膜、氣體擴(kuò)散陰極、氣體流道網(wǎng)，其中：
廢水流道網(wǎng)的材質(zhì)為滌綸，厚度為0.5 mm，網(wǎng)孔尺寸為20目;
微生物陽極中的微生物包括產(chǎn)電型微生物(電化學(xué)活性細(xì)菌，electrochemicallyactive bacteria，EAB)，產(chǎn)電型微生物包括Shewanella屬和/或Geobacter屬;在本實(shí)施例中，微生物陽極是負(fù)載來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥的碳基集流體;陰離子交換膜為Fumasep FAA-3-PK-130;
氣體擴(kuò)散陰極為負(fù)載氧還原催化劑的碳基集流體;在本實(shí)施例中，氧還原催化劑為酞菁鐵;
氣體流道網(wǎng)的材質(zhì)為滌綸，厚度為0.5 mm，網(wǎng)孔尺寸為20目。
[0076]該微生物電催化碳捕集膜制備方法，包括如下步驟：
S1，制備微生物陽極
取市政
污水處理廠A2/O工藝中厭氧池的活性污泥，將其作為接種物，利用微生物燃料電池電極富集法富集活性污泥中的產(chǎn)電型微生物，待出現(xiàn)穩(wěn)定電流即可認(rèn)為活性污泥富集培養(yǎng)產(chǎn)生了產(chǎn)電型微生物;向來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥中加入100 μm玻璃微珠，震蕩打散處理形成混合液懸浮固體濃度為1.0 g/L的活性污泥分散液;
將上述活性污泥分散液通過抽濾的方式，均勻地負(fù)載到碳基集流體(日本東麗TGP-H-060，厚度0.19 mm，體積密度0.44 g/cm3，孔隙率78%，電阻率80 mΩ·cm)上形成微生物陽極;
S2，制備氣體擴(kuò)散陰極
將100 mg多壁碳納米管(MWCNTs，Aladdin，C139872)和20 μL的5.0 wt% Nafion溶液(Dupont，D-520)加入100 mL無水乙醇中，超聲處理后形成濃度為1.0 g/L的多壁碳納米管分散液;
將2.0 mg氧還原催化劑酞菁鐵(FePc，Aladdin，I157718)加入100 mL無水乙醇中，300 W超聲處理4.0 h后形成濃度為20 mg/L的氧還原催化劑分散液;
將上述氧還原催化劑分散液以1.0 mL/min的滴加速度逐滴加入上述多壁碳納米管分散液，攪拌混勻后形成氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液;
氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液通過噴涂的方式，均勻的負(fù)載到碳基集流體(日本東麗TTGP-H-060，厚度0.19 mm，體積密度0.44 g/cm3，孔隙率78%，電阻率80 mΩ·cm)上形成氣體擴(kuò)散陰極;
S3，制備微生物電催化碳捕集膜
按廢水流道網(wǎng)(滌綸材質(zhì)，厚度0.5 mm，網(wǎng)孔尺寸為20目)、微生物陽極、陰離子交換膜(Fumasep，F(xiàn)AA-3-PK-130)、氣體擴(kuò)散陰極和氣體流道網(wǎng)(滌綸材質(zhì)，厚度0.5 mm，網(wǎng)孔尺寸為20目)的順序通過冷軋復(fù)合的方式形成微生物電催化碳捕集膜。
[0077]實(shí)施例2
本實(shí)施例提供微生物電催化碳捕集膜在石化行業(yè)廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同治理中應(yīng)用。
[0078]在本實(shí)施例中，
石化行業(yè)的廢水水質(zhì)特征如下：COD濃度~3400 mg/L，氨氮濃度~120 mg/L，pH介于7和9之間;
石化行業(yè)的煙氣組成如下：CO2占比8.5%，O2占比10.7%，N2占比80%，水蒸氣占比0.3%。
[0079]該應(yīng)用包括：
M1，將石化廢水泵入微生物電催化碳捕集膜的廢水流道網(wǎng)中，水力停留時(shí)間為4.0h;
M2，將脫硫脫硝后的煙氣按照10 mL/min的流速泵入微生物電催化碳捕集膜的氣體流道網(wǎng)中;通過恒電位儀控制測(cè)試微生物電催化碳捕集膜出水中的CO2濃度，計(jì)算不同槽壓下微生物電催化碳捕集膜的碳捕集法拉第效率、碳捕集速率和碳捕集能耗;
M3，將廢水流道網(wǎng)的出水泵入氣提膜，控制液相和氣相壓差為10 kPa，實(shí)現(xiàn)廢水中CO2的脫出;
該應(yīng)用的原理如圖1所示：
微生物陽極上產(chǎn)電型微生物(EAB)催化降解廢水中有機(jī)物，并釋放出電子、H+和CO2，電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f到外部回路中;
電子到達(dá)陰極并在酞菁鐵分子作用下還原煙氣中O2產(chǎn)生OH-，這些OH-吸收CO2并將其轉(zhuǎn)化為CO32-;
在微生物陽極和氣體擴(kuò)散陰極間的電位差產(chǎn)生的電場(chǎng)力或結(jié)合外接電源電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力作用下CO32-跨過陰離子交換膜，與產(chǎn)電型微生物釋放的H+結(jié)合轉(zhuǎn)化為CO2，實(shí)現(xiàn)廢水減污與煙氣脫碳的協(xié)同治理。
[0080]結(jié)果分析：
結(jié)果如圖2所示，在0.05 V槽間電壓下，實(shí)現(xiàn)了1.21 mA cm-2的電流密度(圖2中A)，99.8%的法拉第效率(圖2中A)，2.8 mg m-2s-1的碳捕集速率(圖2中B)和63%的能量效率(圖2中B)。在0.1 V的槽間電壓下，實(shí)現(xiàn)了1.36 mA cm-2的電流密度(圖2中A)，99.5%的法拉第效率(圖2中A)，3.1 mg m-2s-1的碳捕集速率(圖2中B)和31%的能量效率(圖2中B)。
說明書附圖(2)
聲明：
“微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：南京大學(xué)
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