一种基于微高压电化学技术的CO2气体高值转化设备

一种基于微高压电化学技术的co2气体高值转化设备
技术领域
1.本发明涉及但不限于电化学电解池技术领域，具体涉及一种基于微高压电化学技术的co2气体高值转化设备。


背景技术：

2.温室气体排放导致的全球变暖成为国内外高度关注的环境与气候问题。co2固定、还原和高值转化是碳减排领域的重要方向。另一方面，开发利用太阳能、风能等新能源可以在很大程度上减少化石燃料的使用和co2的排放，新能源发电与用电模式之间的不平衡导致相当数量的电能难以利用而被废弃；利用弃光、弃电产生的废弃电能实现co2高值转化可以大幅提高新能源设施的效率。
3.电化学反应可以利用清洁能源将co2、co等转化为附加值更高的化学产品，如乙酸、乙醇等，同时也避免了外源添加h2，因此对环境和能源的可持续发展具有重大的意义。对于气体发酵，较低的气液传质速率成为其限速步骤。现有的常压电解池难以快速将气体底物快速转化为产物，而微高压可提高气体在水中的溶解度，提高co2气体转化效率。并且微生物电解池(mec)作为生物电合成乙酸的新方法，微生物可以通过直接或间接方式获得电子；h
+
通过质子泵进入胞内直接利用，避免形成h2逸散入气相后再被微生物利用，有望解决h2气液传质问题。此外，co2气液传质是影响mec电能转化为化学能(乙酸)存储效率(re→c)的重要限速步骤。


技术实现要素：

4.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本技术的保护范围。
5.本技术提供了一种基于微高压电化学技术的气体高值转化装置。该气体高值转化装置以水和co2/co作为原料，在微生物的作用下，通过微高压加电制备h2、甲酸、乙酸等产物，并可进一步合成高价值的化学品。该装置利用微高压技术通过压力提升气体在液相中的溶解度，从而增加反应物浓度、提升气体与催化剂(例如微生物)的接触面积，从而提高气态发酵过程中的气液传质效率，可以实现能源转化效率的最大化。
6.本技术提供了一种基于微高压电化学技术的co2气体高值转化设备，所述设备包括加热装置、密封壳体、工作电极、对电极、参比电极和搅拌装置，所述加热装置被设置成包围所述密封壳体，所述密封壳体设置有阴极腔室和阳极腔室，在所述阴极腔室中包含同型产乙酸菌或产甲烷菌，所述工作电极和参比电极由所述密封壳体的顶盖外部延伸到所述阴极腔室外，所述对电极由所述密封壳体的顶盖外部延伸到所述阳极腔室外，所述搅拌装置分别由所述密封壳体的顶盖外部延伸到所述阴极腔室和所述阳极腔室，在所述密封壳体的顶盖上设置有进出液口和用于连接气体管路的进出气口，所述进出液口和进出气口与所述阴极腔室和阳极腔室连通。
7.在本技术的实施例中，所述同型产乙酸菌选自sporomusa菌属、clostridium菌属、
moorella菌属和acetobacterium菌属，如sporomusa ovata、clostridium ljundgahlii、clostridium thermoaceticum、moorella thermoacetica或acetobacterium woodii。
8.在本技术的实施例中，所述产甲烷菌选自methanosarcina菌属和methanosaeta菌属，如methanosarcina barkeri、methanosarcina acetivorans或methanosaeta concilii。
9.在本技术的实施例中，在所述气体管路的进出气阀上配备有压力表以监测所述阴极腔室和所述阳极腔室内的压力。
10.在本技术的实施例中，在所述阴极腔室和阳极腔室之间设置有夹板。
11.在本技术的实施例中，所述夹板由水平放置且彼此相对的两个空心圆柱体构成，在所述两个空心圆柱体彼此接触的部分上分别设置有彼此匹配的凹槽和凸起，在两个空心圆柱体之间设置有质子交换膜，所述质子交换膜的边缘通过所述凹槽和所述凸起被夹住。
12.在本技术的实施例中，所述两个空心圆柱体的内径是可变化的，用于匹配不同尺寸的所述质子交换膜。
13.在本技术的实施例中，所述质子交换膜任选地被阳离子交换膜或阴离子交换膜代替。
14.在本技术的实施例中，所述工作电极、所述参比电极和所述对电极分别通过所述导电金属棒与外部电源连接。
15.在本技术的实施例中，所述导电金属棒设置有螺纹，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极通过螺纹与所述导电金属棒连接。
16.在本技术的实施例中，所述工作电极由碳毡或碳布制成，所述对电极由石墨片制成，所述参比电极为银/氯化银电极或饱和甘汞电极。
17.在本技术的实施例中，该设备还包括气体控制系统，所述气体控制系统包括压力传感器、流速调控装置和安全阀，分别用于调节和控制所述阴极腔室和所述阳极腔室内的气体压力，以确保所述阴极腔室和所述阳极腔室内压力的平衡。
18.在本技术的实施例中，该设备还包括温度探测器，所述温度探测器从所述密封壳体的顶盖上方延伸到所述阴极腔室和所述阳极腔室中。
19.在本技术的实施例中，该设备还包括控制器，所述控制器被配置为控制所述阴极腔室和所述阳极腔室中的温度和搅拌速率。
20.在本技术的实施例中，该设备还包括ph检测器和气体成分监测器，所述ph检测器和所述气体成分监测器分别由所述密封壳体的外部延伸到所述阴极腔室和所述阳极腔室中。
21.在本技术的实施例中，在所述密封壳体上还设置有安全阀，所述安全阀的使用压力范围不大于8mpa，优选地不大于6mpa。
22.根据本发明的一种基于微高压电化学技术的气体高值转化装置，采用工作电极、对电极、参比电极的三电极体系，在所述密封壳体的顶盖上设置有用于连接高压气体管路的进出气阀，从而可通过所述的进出气阀能够对所述密封壳体内部进行加压，从而调节密封壳体的内部压力。
23.根据本发明的一种基于微高压电化学技术的气体高值转化装置，以水和co2/co作为原料，在微生物的作用下，通过微高压加电制备h2、甲酸、乙酸等产物，并可进一步合成高
价值的化学品。该技术具有应用范围广泛，原料资源充足等特点，可针对各种不同产品和规模需求的用户进行工艺优化和生产装置建设。尤其是针对风电、太阳能电等清洁能源相对充足的地区，以及碳排放较高的工厂附近，通过本装置可实现能源的转换储存，同时降低碳排放。
24.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
25.图1是本发明提供的微高压电化学技术的气体高值转化装置的剖视图；
26.图2是本发明提供的微高压电化学技术的气体高值转化装置的膜夹板示意图；
27.图3是本发明提供的微高压电化学技术的气体高值转化装置的顶盖结构俯视示意图。
28.说明书附图中的附图标记如下：
29.1-加热装置，2-阳极腔室，3-顶盖，4-阳极进出液口，5-阳极进出气口，6-阳极压力表，7-阳极安全阀，8-温度探测器，9-阳极搅拌装置，10-阳极对电极，11-外加电源，12-阴极工作电极，13-阴极参比电极，14-阴极搅拌装置，15-阴极安全阀，16-阴极压力表，17-阴极进出气口，18-阴极进出液口，19-阴极腔室，20-夹板，21-质子交换膜，22-凹槽(放置膜)，23-螺孔(用于密封顶盖与腔室)，24-孔(用于进出气/进出液/电极等)，25-搅拌装置孔，26-不锈钢密封壳体，27-凸起，28-控制器，29-ph检测器，30-气体成分监测器，31-气体控制系统，32-压力传感器，33-流速调控装置，34-控制面板。
30.其中：密封壳体26由阳极腔室2、阴极腔室19和顶盖3组成；控制器28安装在加热系统外部的控制面板34内，控制器28与阳极搅拌装置9和阴极搅拌装置14、腔室内温度探测器8和加热装置1耦合，达到反馈控制目的；气体控制系统31安装在加热装置外部的控制面板34内，气体控制系统31是将阳极进出气口5、阴极进出气口17和压力传感器32耦合形成的，达到反馈和控制的目的。
具体实施方式
31.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将对本技术的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上方”、“下”、“顶”、“底”、“内部”、“外部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部地连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含
义。
34.本发明的基于微高压电化学技术的气体高值转化装置所使用的机械、电器零件及电子元件、材料等均市售可得。
35.参考图1-图3，本发明实施例提供了一种基于微高压电化学技术的co2气体高值转化设备，该设备包括加热装置1、密封壳体26、工作电极12、对电极10、参比电极13和搅拌装置9、14，所述加热装置1被设置成包围所述密封壳体26，所述密封壳体26设置有阴极腔室19、阳极腔室2和顶盖3，在所述阴极腔室19中包含同型产乙酸菌或产甲烷菌，所述工作电极12和参比电极13由所述密封壳体的顶盖3外部延伸到所述阴极腔室19外，所述对电极10由所述密封壳体的顶盖3的外部延伸到所述阳极腔室2外，所述搅拌装置9、14分别由所述密封壳体的顶盖3外部的搅拌装置孔25延伸到所述阴极腔室19和所述阳极腔室2中，在所述密封壳体的顶盖3上设置有阳极进出液口4和阴极进出液口18以及用于连接气体管路的阳极进出气口5和阴极进出气口17，可以通过阳极进出气口5和阴极进出气口17向阳极腔室2和阴极腔室19的内部通入气体以进行加压，阳极进出液口4和阴极进出液口18以及阳极进出气口5和阴极进出气口17与所述阳极腔室2和阴极腔室19连通。
36.在一些实施例中，经由阳极进出气口5和阴极进出气口17通入的气体为氮气、二氧化碳、氢气、氧气、一氧化碳、沼气或甲烷中的一种或多种。
37.经由阳极进出气口5和阴极进出气口17通入的气体可以不参与反应，仅用于提供压力的反应环境，也可以参与反应，当经由阳极进出气口5和阴极进出气口17通入的气体参与反应时，根据通入的气体不同，可以进行不同的微生物电化学反应。
38.在一个实施例中，反应以水和co2/co作为原料，在微生物的作用下，通过微高压加电制备h2、甲酸、乙酸等产物，并且可以进一步合成高价值的化学品。该装置利用微高压技术通过压力提升气体在液相中的溶解度，从而增加反应物浓度、提升气体与催化剂(例如微生物)的接触面积，从而提高气态发酵过程中的气液传质效率，可以实现能源转化效率的最大化。
39.在实施例中，所述同型产乙酸菌选自sporomusa菌属、clostridium菌属、moorella菌属和acetobacterium菌属，如sporomusa ovata、clostridium ljundgahlii、clostridium thermoaceticum、moorella thermoacetica或acetobacterium woodii。
40.在实施例中，所述产甲烷菌选自methanosarcina菌属和methanosaeta菌属，如methanosarcina barkeri、methanosarcina acetivorans或methanosaeta concilii。
41.在一些实施例中，在所述气体管路的进出气阀上配备有压力表6、16以监测所述阴极腔室19和所述阳极腔室2内的压力。
42.在一些实施例中，所述阴极腔室19和阳极腔室2之间设置有夹板20。
43.在一些实施例中，所述夹板20由水平放置且彼此相对的两个空心圆柱体构成，在所述两个空心圆柱体彼此接触的部分上分别设置有彼此匹配的凹槽22和凸起27，在所述两个空心圆柱体之间设置有质子交换膜21，所述质子交换膜21的边缘通过所述凹槽22和所述凸起27被夹住。
44.在一些实施例中，所述两个空心圆柱体的内径是可变化的，用于匹配不同尺寸的所述质子交换膜21。
45.在一些实施例中，所述质子交换膜21由阳离子交换膜或阴离子交换膜所替代。
46.在一些实施例中，工作电极12、参比电极13和对电极10分别通过导电金属棒与外部电源11连接。
47.在一些实施例中，所述导电金属棒设置有螺纹，工作电极12、对电极10、参比电极13通过螺纹与导电金属棒连接。
48.在一些实施例中，所述工作电极12由碳毡或碳布制成，所述对电极10由石墨片制成，所述参比电极13为银/氯化银电极或饱和甘汞电极。
49.在一些实施例中，所述设备还包括气体控制系统31，所述气体控制系统包括压力传感器32、流速调控装置33和安全阀7、15，分别调节和控制所述阴极腔室和阳极腔室内的气体压力，确保所述阴极腔室和阳极腔室内压力的平衡。
50.在一些实施例中，该设备还包括温度探测器8，所述温度探测器8从所述密封壳体的顶盖3上方延伸到所述阴极腔室19和阳极腔室2中。
51.在一些实施例中，该设备还包括控制器28，所述控制器28被设置为控制所述阴极腔室19和阳极腔室2中的温度和搅拌速率。
52.在一些实施例中，该设备还包括ph检测器29和气体成分监测器30，所述ph检测器29和气体成分监测器30分别由所述密封壳体26上的顶盖3延伸到所述阴极腔室19和所述阳极腔室2中。
53.在一些实施例中，所述密封壳体26上还设置有阳极安全阀7和阴极安全阀15。所述阳极安全阀7和阴极安全阀15的使用压力范围不大于8mpa，优选地不大于6mpa。
54.阳极安全阀7和阴极安全阀15用于提高所述微高压电化学技术的气体高值转化装置的安全性，由于所述微高压电化学技术的气体高值转化装置主要用于微高压电合成反应，在反应过程中处于高压状态，同时部分反应不可避免地有气体生成，为避免压力过大超出密封壳体的承受极限造成爆炸事故，设置有阳极安全阀7和阴极安全阀15，当压力超过限定值时，阳极安全阀7和阴极安全阀15能够自动分别对所述阳极腔室2和阴极腔室19进行泄压，从而避免爆炸地发生，减少安全隐患。
55.在一些实施例中，所述的工作电极12，对电极10，参比电极13，进出气口5、17，进出液口4、18，搅拌装置9、14均设置于所述顶盖3上。
56.在一些实施例中，反应压力可以根据具体的微生物活性、阴极腔室19的ph是否适合微生物生长而定；可以根据具体的反应情况调节阴极腔室19和阳极腔室2中的压力。
57.在一个具体的实施例中，所述阴极工作电极12为碳毡，所述阳极对电极10为石墨片，所述参比电极13为ag/agcl，所述膜为质子交换膜21，所述阴极微生物为sporomusa ovata dsm 2662；向阴极腔室19内通入co2气体，使反应器内的压力达到10bar，阳极腔室2内通入n2使其与阴极腔室19内压力保持一致；在电和微生物的作用下，在阴极处将co2气体转化为乙酸。
58.在阴极腔室19中发生的反应主要是h
+
+2e-→
h2和4h2+2co2→
ch3cooh+2h2o；在阳极腔室2中发生的反应主要是4oh-+4e-→
2h2o+o2；阴极腔室19与阳极腔室2内的压力均为10bar，反应温度为37℃，反应电势为-1.2v；此过程中阴极腔室19内的co2分压呈下降趋势，阴极腔室19可能会有氢气析出；阳极腔室2有氧气析出，要时刻注意阴极腔室19与阳极腔室2的内部压力变化以及阴极ph变化，最适ph为5-7左右。此实施例能将co2直接转化为有机酸，生产的有机酸可用于污水厂厌氧反硝化过程中的碳源，或作为工业平台化合物，用于食
品添加剂、生产生物塑料或者燃料。
59.在另一实施例中，阴极将co2气体转化为甲烷气，所述的阴极微生物为methanosarcina barkeri dsm 800，其余条件与上述实施例一致。
60.在阴极腔室19中发生的反应主要是h
+
+2e-→
h2和4h2+co2→
ch4+2h2o。阳极腔室发生的反应主要是4oh-+4e-→
2h2o+o2。阴极腔室19与阳极腔室2内的压力均为10bar，反应温度为37℃，反应电势为-1.2v；此过程中co2分压呈下降趋势，ch4分压呈上升趋势，同时阴极腔室19可能会有氢气析出；阳极腔室2有氧气析出，要时刻注意阴极腔室19与阳极腔室2的内部压力变化，同时注意阴极ph变化，最适ph为6.5-7，若ph出现波动，要及时通过阴极进出液口18补充磷酸或naoh。此实施例能将co2转化为ch4，也可用于沼气提纯，生产出的高纯度甲烷气能直接通入天然气管网，能被直接利用。
61.此外，本发明可以在多种场合下使用，1)可使用质子交换膜进行微生物电化学反应，质子交换膜可以使阴极和阳极反应独立进行，之间只能进行质子交换，这样不仅可避免阴极产物在阳极氧化，降低反应效率，同时可避免阳极产生氧影响阴极厌氧菌的活性等；2)不使用质子交换膜与普通电解池具有同样的功能，需控制电压降低阴阳极产物之间的影响，降低电解池内阻，减少经济成本。
62.虽然本技术所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本技术而采用的实施方式，并非用以限定本技术。任何本技术所属领域内的技术人员，在不脱离本技术所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本技术的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

技术特征：
1.一种基于微高压电化学技术的co2气体高值转化设备，其特征在于：所述设备包括加热装置、密封壳体、工作电极、对电极、参比电极和搅拌装置，所述加热装置被设置成包围所述密封壳体，所述密封壳体设置有阴极腔室和阳极腔室，在所述阴极腔室中包含同型产乙酸菌或产甲烷菌，所述工作电极和所述参比电极由所述密封壳体的顶盖外部延伸到所述阴极腔室内，所述对电极由所述密封壳体的顶盖外部延伸到所述阳极腔室内，所述搅拌装置分别由所述密封壳体的顶盖外部延伸到所述阴极腔室和所述阳极腔室内，在所述密封壳体的顶盖上设置有进出液口和用于连接气体管路的进出气口，所述进出液口和进出气口分别与所述阴极腔室和阳极腔室连通。2.根据权利要求1所述的气体高值转化设备，其中所述同型产乙酸菌选自sporomusa菌属、clostridium菌属、moorella菌属和acetobacterium菌属，如sporomusa ovata、clostridium ljundgahlii、clostridium thermoaceticum、moorella thermoacetica或acetobacterium woodii。3.根据权利要求1所述的气体高值转化设备，其中所述产甲烷菌选自methanosarcina菌属和methanosaeta菌属，如methanosarcina barkeri、methanosarcina acetivorans或methanosaeta concilii。4.根据权利要求1所述的设备，其中在所述气体管路的进出气阀上配备有压力表以监测所述阴极腔室和所述阳极腔室内的压力。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中在所述阴极腔室和阳极腔室之间设置有夹板。6.根据权利要求5所述的设备，其中所述夹板由水平放置且彼此相对的两个空心圆柱体构成，在所述两个空心圆柱体彼此接触的部分上分别设置有彼此匹配的凹槽和凸起，在所述两个空心圆柱体之间设置有质子交换膜，所述质子交换膜的边缘通过所述凹槽和所述凸起被夹住。7.根据权利要求6所述的设备，其中所述两个空心圆柱体的内径是可变化的，用于匹配不同尺寸的所述质子交换膜。8.根据权利要求6所述的设备，其中所述质子交换膜任选地被阳离子交换膜或阴离子交换膜代替。9.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述工作电极、所述参比电极和所述对电极分别通过所述导电金属棒与外部电源连接。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述导电金属棒设置有螺纹，所述工作电极、所述对电极、所述参比电极通过螺纹与所述导电金属棒连接。11.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述工作电极由碳毡或碳布制成，所述对电极由石墨片制成，所述参比电极为银/氯化银电极或饱和甘汞电极。12.根据权利要求1所述的设备，还包括气体控制系统，所述气体控制系统包括压力传感器、流速调控装置和安全阀，分别用于调节和控制所述阴极腔室和所述阳极腔室内的气体压力，以确保所述阴极腔室和所述阳极腔室内压力的平衡。13.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，还包括温度探测器，所述温度探测器从所述密封壳体的顶盖上方延伸到所述阴极腔室和所述阳极腔室中。14.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，还包括控制器，所述控制器被配置为控制
所述阴极腔室和所述阳极腔室中的温度和搅拌速率。15.根据权利要求1所述的设备，还包括ph检测器和气体成分监测器，所述ph检测器和所述气体成分监测器分别由所述密封壳体的外部延伸到所述阴极腔室和所述阳极腔室中。16.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中在所述密封壳体上还设置有安全阀，所述安全阀的使用压力范围不大于8mpa，优选地不大于6mpa。

技术总结
本发明涉及一种基于微高压电化学技术的CO2气体高值转化设备，该设备包括加热装置、密封壳体、工作电极、对电极、参比电极和搅拌装置，加热装置被设置成包围密封壳体，密封壳体设置有阴极腔室和阳极腔室，在阴极腔室中包含同型产乙酸菌或产甲烷菌，工作电极和参比电极由密封壳体的顶盖外部延伸到阴极腔室内，对电极由密封壳体的顶盖外部延伸到阳极腔室内，搅拌装置分别由密封壳体的顶盖外部延伸到阴极腔室和阳极腔室内，在密封壳体的顶盖上设置有进出液口和进出气口，进出液口和进出气口与阴极腔室和阳极腔室连通。该设备例如以水和CO2/CO作为原料，通过微生物电合成制备高价值的化学品。学品。学品。


技术研发人员：刘锐平 赵婧 宋歌 梁贺 赵树南 刘会娟 曲久辉
受保护的技术使用者：中国科学院生态环境研究中心
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/20