CN101550551A - 一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法 - Google Patents

一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，它涉及一种产氢方法。它解决了现有发酵法不能利用蛋白质产氢的问题。方法：一、在电解池处于产电模式条件下启动反应器；二、以蛋白质为底物驯化阳极功能微生物；三、在电解池处于产氢模式条件下以蛋白质为底物产生氢气。本发明利用微生物电解池技术直接从蛋白质中制取氢气；本发明具有蛋白质利用率高和对COD去除率高的优点，可用于处理富含蛋白质的有机废水及有机固体废物，并同时回收经济价值较高的能源产品氢气，具有治污与产能相结合的特点。

Description

一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法
技术领域
本发明涉及一种产氢的方法。
背景技术
氢能是一种无污染、可再生及能量密度高的能源，被公认为是最有吸引力的替代能源。目前的制取方法主要有三种：一、以化石燃料为原料，通过催化裂解、气化等化学手段制备氢气；二、通过电解水产生氢气；三、发酵法生物制备氢气；前两种方法存在能耗大、有二次污染的问题，第三种方法因可用可再生的生物质能源作为原料，具有清洁、低能耗、可循环再生且同时治理污染的优点，已成为制备氢气的重要方法和途径，但此方法主要以碳水化合物、有机酸为原料，现有发酵法不能直接以蛋白质为原料。
发明内容
本发明的目的是为了解决了发酵法不能利用蛋白质产氢的问题，而提供一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法。
利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法按以下步骤实现：
一、产电模式下启动反应器：以电解池为电源的闭合回路中设置有电阻，并按1∶1的体积比将生活污水与营养液A均匀混合，得混合液C，然后将混合液C通入电解池中，在闭合回路电阻两端电压低于25mV的条件下更换新混合液C，持续更换混合液C直至电阻两端电压大于500mV；
二、将蛋白质溶于营养液B得混合液D，然后用混合液D替换电解池中的混合液C，在产电模式闭合回路的电阻两端电压低于50mV的条件下再更换新混合液D，持续更换新混合液D至电阻电压持续稳定到最大值；
三、产氢模式下以蛋白质为底物产生氢气：利用直流电源在电解池两端外加0.4～0.8V的电压，将蛋白质溶于营养液B得混合液E，然后用混合液E替换电解池中的混合液D，然后连通电路在温度为25～30℃、混合液E的pH值为6.8～7.1条件下反应20～24h，即完成蛋白质在微生物电解池中产氢；
其中步骤一产电模式中电解池的阴极背水面暴露于空气中；步骤一中营养液A中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、1g的NaCH3COOH、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中营养液B中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为400～500mg/L；步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为400～1000mg/L；其中电解池的阳极为碳纤维，阴极为非浸水性碳布；其中电阻的电阻值为1KΩ；步骤三中产氢模式中电解池的阴极处于厌氧状态。
本发明利用微生物电解池技术直接从蛋白质中制取氢气；本发明产氢速率为0.03～0.31m3H2/m3·d，转化蛋白质的库仑效率为42％～71％，蛋白质的利用率高达39％～92％，COD去除率高达38％～91％，由于有高的蛋白质利用率和COD去除率，可用于处理富含蛋白质的有机废水及有机固体废物，并同时回收经济价值较高的能源产品氢气，具有治污与产能相结合的特点。
附图说明
图1为具体实施方式一步骤一中产电模式的示意图，图2为具体实施方式一步骤三中产氢模式的示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1与图2说明本实施方式利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法按以下步骤实现：
一、产电模式下启动反应器：以电解池为电源的闭合回路中设置有电阻1，并按1∶1的体积比将生活污水与营养液A均匀混合，得混合液C，然后将混合液C通入电解池中，在闭合回路的电阻1两端电压低于25mV的条件下更换新混合液C，持续更换混合液C直至电阻1两端电压大于500mV；
二、将蛋白质溶于营养液B得混合液D，然后用混合液D替换电解池中的混合液C，在产电模式闭合回路的电阻1两端电压低于50mV的条件下再更换新混合液D，持续更换新混合液D至电阻1电压持续稳定到最大值；
三、产氢模式下以蛋白质为底物产生氢气：利用直流电源4在电解池两端外加0.4～0.8V的电压，将蛋白质溶于营养液B得混合液E，然后用混合液E替换电解池中的混合液D，然后连通电路在温度为25～30℃、混合液E的pH值为6.8～7.1条件下反应20～24h，即完成蛋白质在微生物电解池中产氢；
其中步骤一产电模式中电解池的阴极3背水面暴露于空气中；步骤一中营养液A中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、1g的NaCH3COOH、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中营养液B中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为400～500mg/L；步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为400～1000mg/L；其中电解池的阳极2为碳纤维，阴极3为非浸水性碳布；其中电阻1的电阻值为1KΩ；步骤三中产氢模式中电解池的阴极处于厌氧状态。
本实施方式非浸水性碳布是由碳纤维丝编制而成的防水碳纤维布。
本实施方式步骤一成功启动了反应器。
本实施方式步骤二是完成了对阳极功能微生物的驯化，微生物来自于生活污水，并在步骤一过程中附着在电解池阳极上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中生活污水是从城市污水处理厂的初沉池中获得的。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中阴极Pt载量为0.5mg/cm2。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或三不同的是步骤一中的微量元素溶液的每1L微量元素溶液由1.5g的氨基三乙酸、3.0g的MgSO4·7H2O、0.5g的MnSO4·2H2O、1.0g的NaCl、0.1g的FeSO4·7H2O、0.1g的CoSO4、0.1g的CaCl2·2H2O、0.1g的ZnSO4、0.01g的CuSO4·5H2O、0.01g的AlK(SO4)2、0.01g的H3BO3、0.01g的Na2MoO4·2H2O和余量的蒸馏水组成并用KOH调节pH值至7.0。其它步骤及参数与具体实施方式一或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是步骤二中蛋白质为牛血清蛋白或蛋白胨。其它步骤及参数与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为420～480mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为450mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一、三或五不同的是步骤二中的微量元素溶液的每1L微量元素溶液由1.5g的氨基三乙酸、3.0g的MgSO4·7H2O、0.5g的MnSO4·2H2O、1.0g的NaCl、0.1g的FeSO4·7H2O、0.1g的CoSO4、0.1g的CaCl2·2H2O、0.1g的ZnSO4、0.01g的CuSO4·5H2O、0.01g的AlK(SO4)2、0.01g的H3BO3、0.01g的Na2MoO4·2H2O和余量的蒸馏水组成并用KOH调节pH值至7.0。其它步骤及参数与具体实施方式一、三或五相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为600～800mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为700mg/L。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤三中温度为26℃。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一、三、五或十一不同的是步骤三中混合液E的pH值为7.0。其它步骤及参数与具体实施方式一、三、五或十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二不同的是步骤三中外加电源的电压为0.6V。其它步骤及参数与具体实施方式十二相同。
具体实施方式十四：本实施方式利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法按以下步骤实现：
一、产电模式下启动反应器：以电解池为电源的闭合回路中设置有电阻1，并按1∶1的体积比将生活污水与营养液A均匀混合，得混合液C，然后将混合液C通入电解池中，在闭合回路的电阻1两端电压为10mV的条件下更换新混合液C，持续更换混合液C直至电阻1电压为520mV；
二、将蛋白质溶于营养液B得混合液D，然后用混合液D替换电解池中的混合液C，在产电模式闭合回路的电阻1两端电压为10mV的条件下再更换新混合液D，持续更换新混合液D至电阻1两端电压持续稳定到最大值；
三、产氢模式下以蛋白质为底物产生氢气：利用直流电源4在电解池两端外0.6V的电压，将蛋白质溶于营养液B得混合液E，然后用混合液E替换电解池中的混合液D，然后连通电路在温度为26℃、混合液E的pH值为7.0条件下反应22h，即完成蛋白质在微生物电解池中产氢；
其中步骤一产电模式中电解池的阴极3背水面暴露于空气中；步骤一中营养液A中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、1g的NaCH3COOH、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中营养液B中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为440mg/L；步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为440mg/L；其中电解池的阳极2为碳纤维，阴极3为非浸水性碳布；其中电阻1的电阻值为1KΩ；步骤三中产氢模式中电解池的阴极处于厌氧状态。
本实施方式利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法实施产氢，按常规手段测得，产氢速率为0.22m3H2/m3·d，转化蛋白质的库仑效率为58％，蛋白质的利用率高达84％，COD去除率高达81％。
具体实施方式十五：本实施方式利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法按以下步骤实现：
一、产电模式下启动反应器：以电解池为电源的闭合回路中设置有电阻1，并按1∶1的体积比将生活污水与营养液A均匀混合，得混合液C，然后将混合液C通入电解池中，在闭合回路的电阻1两端电压为20mV的条件下更换新混合液C，持续更换混合液C直至电阻1两端电压为580mV；
二、将蛋白质溶于营养液B得混合液D，然后用混合液D替换电解池中的混合液C，在产电模式闭合回路的电阻1两端电压为20mV的条件下再更换新混合液D，持续更换新混合液D至电阻1电压持续稳定到最大值；
三、产氢模式下以蛋白质为底物产生氢气：利用直流电源4在电解池两端外加0.5V的电压，将蛋白质溶于营养液B得混合液E，然后用混合液E替换电解池中的混合液D，然后连通电路在温度为30℃、混合液E的pH值为7.0条件下反应24h，即完成蛋白质在微生物电解池中产氢；
其中步骤一产电模式中电解池的阴极3背水面暴露于空气中；步骤一中营养液A中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、1g的NaCH3COOH、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中营养液B中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为500mg/L；步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为1000mg/L；其中电解池的阳极2为碳纤维，阴极3为非浸水性碳布；其中电阻1的电阻值为1KΩ；步骤三中产氢模式中电解池的阴极处于厌氧状态。
本实施方式利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法实施产氢，按常规手段测得，产氢速率为0.24m3H2/m3·d，转化蛋白质的库仑效率为62％，蛋白质的利用率高达86％，COD去除率高达85％。
利用不同城市污水处理厂初沉池中获得的生活污水均能实现具体实施方式十四和十五，多次试验效果稳定。

Claims (8)

1、一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法按以下步骤实现：
一、产电模式下启动反应器：以电解池为电源的闭合回路中设置有电阻(1)，并按1∶1的体积比将生活污水与营养液A均匀混合，得混合液C，然后将混合液C通入电解池中，在闭合回路电阻(1)两端电压低于25mV的条件下更换新混合液C，持续更换混合液C直至电阻(1)两端电压大于500mV；
二、将蛋白质溶于营养液B得混合液D，然后用混合液D替换电解池中的混合液C，在产电模式闭合回路的电阻(1)两端电压低于50mV的条件下再更换新混合液D，持续更换新混合液D至电阻(1)电压持续稳定到最大值；
三、产氢模式下以蛋白质为底物产生氢气：利用直流电源(4)在电解池两端外加0.4～0.8V的电压，将蛋白质溶于营养液B得混合液E，然后用混合液E替换电解池中的混合液D，然后连通电路在温度为25～30℃、混合液E的pH值为6.8～7.1条件下反应20～24h，即完成蛋白质在微生物电解池中产氢；
其中步骤一产电模式中电解池的阴极(3)背水面暴露于空气中；步骤一中营养液A中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、1g的NaCH3COOH、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中营养液B中的每1L营养液由11.55g的Na2HPO4·12H2O、2.77g的NaH2PO4·2H2O、0.31g的NH4Cl、0.13g的KCl、2mL的微量元素溶液和余量的蒸馏水组成；步骤二中蛋白质在营养液B中的浓度为400～500mg/L；步骤三中蛋白质在营养液B中的浓度为400～1000mg/L；其中电解池的阳极(2)为碳纤维，阴极(3)为非浸水性碳布；其中电阻(1)的电阻值为1KΩ；步骤三中产氢模式中电解池的阴极处于厌氧状态。
2、根据权利要求1所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于电解池阴极(3)中Pt载量为0.5mg/cm2。
3、根据权利要求1或2所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于步骤一中的微量元素溶液的每1L微量元素溶液由1.5g的氨基三乙酸、3.0g的MgSO4·7H2O、0.5g的MnSO4·2H2O、1.0g的NaCl、0.1g的FeSO4·7H2O、0.1g的CoSO4、0.1g的CaCl2·2H2O、0.1g的ZnSO4、0.01g的CuSO4·5H2O、0.01g的AlK(SO4)2、0.01g的H3BO3、0.01g的Na2MoO4·2H2O和余量的蒸馏水组成并用KOH调节pH值至7.0。
4、根据权利要求3所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于步骤二中蛋白质为牛血清蛋白或蛋白胨。
5、根据权利要求1、2或4所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于步骤二中的微量元素溶液的每1L微量元素溶液由1.5g的氨基三乙酸、3.0g的MgSO4·7H2O、0.5g的MnSO4·2H2O、1.0g的NaCl、0.1g的FeSO4·7H2O、0.1g的CoSO4、0.1g的CaCl2·2H2O、0.1g的ZnSO4、0.01g的CuSO4·5H2O、0.01g的AlK(SO4)2、0.01g的H3BO3、0.01g的Na2MoO4·2H2O和余量的蒸馏水组成并用KOH调节pH值至7.0。
6、根据权利要求5所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于步骤三中温度为26℃。
7、根据权利要求1、2、4或6所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于步骤三中混合液E的pH值为7.0。
8、根据权利要求7所述的一种利用蛋白质在微生物电解池中产氢的方法，其特征在于步骤三中外加电源的电压为0.6V。
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