一种处理包括二氧化碳的气体的方法技术

本发明专利技术涉及一种在厌氧条件下，通过将包括溶解二氧化碳的水溶液与包括载体(适当地为活性炭颗粒)和微生物的生物膜的电子荷电填充床接触来将二氧化碳转化为甲烷的方法，其中所述水溶液中90mol％以上的溶解二氧化碳以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种处理包括二氧化碳的气体的方法


[0001]本专利技术涉及一种处理包括二氧化碳的气体的方法，其中在厌氧条件下，在包括载体和微生物的电子荷电填充床存在下将二氧化碳转化为甲烷。

技术介绍

[0002]一篇题为“在产甲烷生物电化学系统中用作阴极的颗粒状碳基电极(Granular Carbon
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Based Electrodes as Cathodes in Methane
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Producing Bioelectrochemical Systems)”(Dandan Liu,Marta Roca
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Puigros,Florian Geppert,Leire Caiz
á
n
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Juanarena,Susakul P.Na Ayudthaya,Cees Buisman和Annemiek ter Heijne.生物工程与生物技术前沿，2018年6月|第6卷，第78章)的期刊文章描述了一种方法，在该方法中，在厌氧条件下，在包括活性炭颗粒和混合培养微生物的电子荷电填充床的存在下将二氧化碳转化为甲烷。CO2以气体方式供给至pH值为7.1的水溶液。将由包括活性炭颗粒和混合培养微生物的电子荷电填充床组成的生物阴极以充电2分钟与不充电4分钟的交替方式进行充电。报告的“电流转化为甲烷”的效率为55％。报告的总体能效为25％。

技术实现思路

[0003]本专利技术的一个目的是提高生成甲烷的能效。
[0004]这一目的通过以下方法来实现。
[0005]一种在厌氧条件下，通过将包括溶解二氧化碳的水溶液与包括载体和微生物的生物膜的电子荷电填充床接触来将二氧化碳转化为甲烷的方法，
[0006]其中水溶液中90mol％以上的溶解二氧化碳以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。
[0007]申请人发现，当溶解二氧化碳以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在时，所述方法实现了明显更节能的甲烷转化。
[0008]溶解二氧化碳可以以含水二氧化碳、碳酸、碳酸氢盐离子以及碳酸盐离子的形式存在。水溶液中溶解二氧化碳的主要部分以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。水溶液中90mol％以上，优选地95mol％以上的溶解二氧化碳以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。这些化合物存在于水溶液中的pH条件为：优选地7.5以上，优选地7.7以上，更优选地8以上，甚至更优选地8至10，更优选地8.5至9.5。这些碱性条件可通过弱酸和强碱之间形成的碱性盐(例如，碳酸氢钠和碳酸氢钾)来实现。这种碱性盐可通过加入钠阳离子或钠和钾阳离子形成。钠阳离子或钠和钾阳离子的总浓度适当地为0.3至4M，优选地0.4至2M，甚至更优选地0.5至1.5M。所得水溶液是进一步包括碳酸钠和碳酸氢钠或碳酸钾和碳酸氢钾或其混合液的缓冲溶液。碱性水溶液适当地进一步包括用于微生物的营养素。适当营养素的示例是诸如铵、维生素和矿物元素等营养素。可能需要向碱性水溶液中添加此类营养素，以保持活性微生物。
[0009]厌氧条件适当地可通过在没有分子氧的情况下，优选地也在没有例如硝酸盐等其
他氧化剂的情况下进行该方法来实现。“在没有分子氧的情况下”是指在该方法中，在加载的水溶液中的分子氧浓度最高为10μM分子氧，优选地最高为1μM分子氧，更优选最高为0.1μM分子氧。可视为氧化剂的硫酸盐可以以低浓度(例如，160μM)存在，作为所谓沃尔夫矿物质溶液的一部分。已经发现，低浓度的硫酸盐不会对所需的二氧化碳转化产生负面影响。
[0010]该方法通过在厌氧条件下，将水溶液与包括活性炭颗粒和微生物的电子荷电填充床接触来进行，其中二氧化碳转化为甲烷。微生物可为微生物的混合培养物或单一培养物。微生物的混合培养物适当地从厌氧生长培养物中获得。适当地，混合培养物包括嗜氢产甲烷菌，例如甲烷杆菌(Methanobacterium)。还可存在更多微生物，包括厌氧菌或兼性厌氧菌，例如δ
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变形菌(Deltaproteobacteria)和β
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变形菌(Betaproteobacteria)等变形菌。
[0011]混合培养微生物优选地从厌氧系统(例如，厌氧生长培养物)中获得。因此，混合培养物可从厌氧发酵罐(例如，用于厌氧链延伸的厌氧发酵罐)、厌氧消化反应器(例如，上流式厌氧污泥床反应器(UASB))等厌氧生物反应器的污泥中获得。提供污泥的其他适当生物反应器是膨胀颗粒污泥床(EGSB)、序批式反应器(SBR)、连续搅拌反应釜(CSTR)或厌氧膜生物反应器(AnMBR)。在本文中，术语污泥是指含有微生物混合培养物的半固态絮状物或颗粒。
[0012]载体可以为生物膜提供表面并且具有充足电容特性的任何载体。优选地，载体具有生物相容性，并且具有用于附着微生物以及加强本体溶液与电极的质量转移的三维颗粒结构。优选地，载体是碳基载体。适当碳基载体的示例是石墨和活性炭颗粒。
[0013]载体的填充床适当地包括活性碳颗粒或粒子、或由活性碳材料(例如，由活性碳粉末颗粒或活性生物炭颗粒)改性的电极。适当地，该床是具有500至1500m2/g活性表面区域的活性炭颗粒填充床，并且其中微生物以生物膜形式存在于所述活性表面区域的表面上。高比表面提供了微生物存在的表面。因此，每体积的高比表面提供了较大容量，以在每体积的反应器空间内进行二氧化碳转化为甲烷的所需反应。
[0014]颗粒尺寸要适当，使得：一方面，水溶性组分的质量输送在颗粒之间的空间中是可能的，而且不会造成高压降。这意味着对于颗粒尺寸，将会有一个实际下限。另一方面，颗粒不应太大，因为这会导致活性炭颗粒微孔内产生长移动距离。颗粒的体积直径可为0.5至10mm，优选地1至4mm。
[0015]优选地，包括活性炭颗粒的电子荷电填充床是进一步包括阳极的生物电化学系统中的生物阴极的一部分。生物阴极适当地包括在填充床中排列的活性炭颗粒的体积。填充床与集流体接触，所述集流体可为导电电极材料(例如，包括石墨板或毡或金属网，优选地不锈钢网等材料的碳)的表面。集流体设置为使得填充床可利用所述集流体中的电子进行充电。
[0016]将填充床进一步置于生物电化学系统的阴极空间中，所述阴极空间与生物电化学系统的阳极空间流体连接，并且通过阳离子交换膜与阳极空间隔开。为了压缩活性炭颗粒的填充床，最好在阳极空间中加入惰性颗粒(例如，玻璃珠)，以反平衡填充床对阳离子交换膜的压力。
[0017]存在于阳极的水溶液被称为阳极电解液，存在于阴极的水溶液被称为阴极电解液。适当地进行再循环，在再循环中，部分阴极电解液供给至阳极，成为阳极电解液的一部分；部分阳极电解液供给至阴极，成为阴极电解液的一部分。据发现，当进行此类再循环时，
会得到一个更有效的方法，其中水溶液中溶解二氧化碳的主要部分以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。
[0018]优选地，当氧供给至阴极成为阴极电解液的一部分时，可存在于阳极电解液中的氧含量应该很低。可通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过在厌氧条件下，将包括溶解二氧化碳的水溶液与包括载体和微生物的生物膜的电子荷电填充床接触来将二氧化碳转化为甲烷的方法，其中所述水溶液中90mol％以上的溶解二氧化碳以碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子的形式存在。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述载体是活性炭颗粒或活性生物炭颗粒。3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，未向所述电子荷电填充床供电。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电子荷电填充床是进一步包括阳极、离子交换膜和阴极的生物电化学系统中生物阴极的一部分，其中通过向所述生物电化学系统施加电位，使生物阴极与阳极之间产生一段时间的电流，以对填充床进行充电。5.根据权利要求4所述的方法，其中，存在于所述阳极的所述水溶液被称为阳极电解液，存在于所述阴极的所述水溶液被称为阴极电解液，并且其中进行再循环，在所述再循环中，部分阴极电解液供给至所述阳极，成为所述阳极电解液的一部分，并且部分阳极电解液供给至所述阴极，成为所述阴极电解液的一部分。6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中，所述电子荷电填充床是进一步包括阳极的生物电化学系统中的生物阴极的一部分，并且其中在通过向所述生物电化学系统施加电位，使生物阴极与阳极之间产生电流的一个时刻，进行所述方法，并且其中在未向所述电子荷电填充床供电的另一个时刻，进行所述方法。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，在多于一个生物电化学系统中进行所述方法，每个系统包括所述生物阴极和阳极，并且其中在未向一个或多个生物电化学系统的所述电子荷电填充床供电的情况下，在所述一个或多个生物电化学系统中进行所述方法，并且其中向所述多于一个生物电化学系统中的一个或多个其他生物电化学系统的填充床供电，使得所述填充床在未进行所述方法时利用电子充电。8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，当未向所述电子荷电填充床供电时，进行所述方法0.03至12小时。9.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其中，供电是由太阳能和/或风能产生的电力。10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其中，通过向阴极电极施加相比Ag/AgCl(3M KCl)为
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0.50至
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0.60V的阴极电位，或通过向所述阴极电极施加5至200A/m2的电流密度，对所述填充床充电。11.根据权利要求4至10中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘丹丹，弗雷德里克斯，
申请(专利权)人：帕克尔有限公司，
类型：发明
国别省市：