CN110540928B - 复合生物膜制氢反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合生物膜制氢反应器，包括罐体、上封头，下封头、复合生物膜组件、折流挡板、气相分形收集器，复合生物膜组件竖直安装在罐体中，两端分别与上封头和下封头连接并密封，所述折流挡板设置在罐体与复合生物膜组件中间，气相分形收集器安装在复合生物膜组件上下两端并与膜组件连接。所述的气相分形收集器为多级递增的分形结构，支管与膜组件一一对应。本发明通过膜组件将外侧的液体和内部的气体分离开，可以提高生物膜制氢的反应效率，同时提高氢气向膜管内部的渗透速率。采用分形结构多级递增的气相收集器可以保持氢气在膜组件管腔内的压力平衡，促进氢气的高效收集。

Description

复合生物膜制氢反应器
技术领域
本发明涉及一种复合生物膜制氢反应器，属于新能源装备技术领域。
背景技术
氢气是一种高效、环保、低碳的清洁燃料，在燃料电池、基础化学品、医药等领域具有广泛的应用。通过生物发酵方法制备氢气是一种比较有前景的制氢技术。生物制氢方法主要是通过产酸菌的水解作用将废水中的有机物转化为可溶性脂肪酸和氢气。目前的生物制氢技术存在的问题是氢气收率低，主要原因在于缺乏有效的气体收集装置。另外产酸菌主要以活性污泥颗粒的形态存在，在反应器高负荷运行状态下容易出现活性污泥破碎以及生物质大量流失的现象，导致反应器运行效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较高氢气发生效率的复合生物膜制氢反应器。该反应器由罐体、上下封头、复合生物膜组件、折流挡板、气相分形收集器等部分构成。该反应器通过可拆卸的复合生物膜组件封装固化具有制氢反应活性的生物质，能够较好地保留生物质制氢反应活性，减少活性生物质在水体中的流失率。该反应器采用气相分形收集器对产生的氢气进行收集，由于分形收集器具有结构对称的特点，决定了该反应器具有操作弹性大、放大效应小的优势，可以较大程度地提高生物制氢的反应效率和氢气的收集率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
复合生物膜制氢反应器，包括罐体、上封头，下封头、复合生物膜组件、折流挡板、气相分形收集器，复合生物膜组件竖直安装在罐体中，两端分别与上封头和下封头连接并密封，所述折流挡板设置在罐体与复合生物膜组件中间，气相分形收集器安装在复合生物膜组件上下两端并与膜组件连接。
所述的气相分形收集器为多级递增的分形结构，支管与膜组件一一对应。
所述的复合生物膜组件为中空圆柱形结构，从外至内依次由PVA层（I）、生物质层（II）、PDMS层（III）和中空陶瓷膜层（IV）复合而成。
所述的折流挡板采用交错排列的方式。
所述上封头侧面设有上部管口b，上端设有顶部管口d；所述下封头侧面设有下部管口a，底部设有底部管口c。
复合生物膜组件通过卡座分别与上封头、下封头连接并固定，卡座带有密封圈。
反应器顶部通过管道依次连接流量控制阀、气体压缩机和储罐。
反应器底部通过管道依次连接氮气流量控制阀、引风机和氮气储罐。
反应器罐体外侧设置保温夹套。
所述复合生物膜组件高0.5~1.5m，中空管腔内径0.01~0.1m，膜层厚度为0.5mm~5mm。
本发明所述复合生物膜制氢反应器，包括罐体、上封头、下封头、复合生物膜组件、折流挡板和气相分形收集器等部分构成。基底溶液通过管口a进入反应器，从反应器上部的管口b流出，期间与复合生物膜组件接触并发生反应产生氢气，在此过程中溶液里的有机物得到降解，因此管口b出口的液体中有机物的含量大为下降，可以在产生氢气的同时达到净化水质的功效。净化水进入溢流罐，经过进一步澄清后可达标排放。反应产生的氢气通过膜组件内部的中空管腔进行收集，依次通过气相分形收集器、流量控制阀、气体压缩机之后进入储罐备用。气体系统设置氮气储罐、引风机和氮气流量控制阀，通过向膜组件的管腔内泵送高速流动的氮气，在中空管腔内外形成氢气分压的压差，促进氢气向中空管腔内流动，从而提高氢气收集的效果。
本发明所述复合生物膜制氢反应器，外部结构由罐体、上下封头构成，通过法兰面连接、胶垫密封。所述罐体通常为圆柱形，高1~5m，直径0.2~2m，可选材料为碳钢及不锈钢。液相从反应器下部管口a进入，从上部管口b流出。气相从反应器底部管口c进入，从反应器顶部管口d排出。根据操作需要，反应器罐体结构也可以为方形柱结构。反应器内的压力一般为0~1atm，温度一般保持在30~50°C。对于放置在室外的反应器，冬天应在罐体外侧设置保温夹套，防止反应器内部温度过低。
本发明所述复合生物膜组件竖直安装在罐体中，通过带有密封圈的卡座与上下封头连接并固定，可自由拆卸形成单一膜管或膜管阵列。所述复合生物膜组件为中空圆柱形结构，从外至内依次由PVA层、生物质层、PDMS（聚二甲基硅氧烷）层和中空陶瓷膜层复合而成。所述复合生物膜组件高0.5~1.5m，中空管腔内径0.01~0.1m，膜层厚度为0.5mm~5mm。对于高度高于1m的膜组件，采用首尾相连的方式拼接而成。膜组件外侧与液体接触，内部为气体流通的管腔，气、液两相不接触。
折流挡板设置在罐体与膜组件中间，采用交错排列的方式起到增强液体湍动的作用，通过弯曲的流道设计延长罐体内的液相停留时间，同时对膜组件起到固定和增加强度的作用。
为了保证气体在膜组件管腔内的压力平衡，膜组件上下两端开口并连接气相分形收集器。气相分形收集器的特征为多级递增的分形结构。第一级为总管，第二级有n根支管，第三级每根支管再设n根支管，n为2~6，最后一级支管与膜组件一一对应。多级分形结构的气体收集器可以使膜组件管腔内的气体压力分布更为均匀，从而提高装置内的氢气收集率。
有益效果
本发明的复合生物膜制氢反应器采用中空圆柱形膜管阵列，通过膜组件将外侧的液体和内部的气体分离开，可以提高生物膜制氢的反应效率，同时提高氢气向膜管内部的渗透速率。采用分形结构多级递增的气相收集器可以保持氢气在膜组件管腔内的压力平衡，促进氢气的高效收集。采用交错排列的折流挡板，可以起到增强液体侧湍动程度、强化液相传质的效果。
本发明所述复合生物膜制氢反应器经过实验验证，废水处理能力为6000~8000mg/L，有效气体产率为40~50mL（STP）H2/g C6H12O6，H2收率大于90%。
附图说明
图1是复合生物膜制氢反应器结构图；
图2是复合生物膜组件结构图；
图3是气体分形收集器结构图；
图4是反应物料工艺流程图。
图中，1.罐体，2.上封头，3.下封头，4.复合生物膜组件，5.折流挡板，6.气相分形收集器，7.溢流罐，8.流量控制阀，9.气体压缩机，10.储罐，11.氮气储罐，12.引风机，13.氮气流量控制阀，14.保温夹套，15.密封圈，16.卡座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明所述复合生物膜制氢反应器的结构如图1所示，包括罐体1、上封头2、下封头3、复合生物膜组件4、折流挡板5和气相分形收集器6等部分构成。其外部结构由罐体1、上封头2、下封头3构成，通过法兰面连接、胶垫密封。所述罐体1采用圆柱形结构，高1m，直径0.2m，主体结构材料为不锈钢。上封头侧面设有上部管口b，上端设有顶部管口d；所述下封头侧面设有下部管口a，底部设有底部管口c；液相从反应器下部管口a进入，从上部管口b流出。气相从反应器底部管口c进入，从反应器顶部管口d排出。罐体外侧设有保温夹套14。
复合生物膜组件4竖直安装在罐体中，通过密封圈15与卡座16连接上下封头并密封。如图1所示安装有7根膜管。复合生物膜组件的结构如图2所示为中空圆柱形结构，从外至内依次由PVA层（I）、生物质层（II）、PDMS层（III）和中空陶瓷膜层（IV）复合而成，其中PVA层（I）厚0.5mm，生物质层（II）内填充常温厌氧型产酸菌，PDMS层（III）厚0.4mm，陶瓷膜层（IV）厚1mm。单根复合生物膜组件高1.2m，中空管腔内径2cm。
罐体与膜组件中间设置有8块交错排列的折流挡板5，采用交错排列的方式起到增强液体湍动的作用，通过弯曲的流道设计延长罐体内的液相停留时间，同时对膜组件起到固定和增加强度的作用。另外设置3级分形结构的气体收集器（图3），第一级为总管，第二级有4根支管，第三级每根支管再设4根支管，最后的支管与膜组件一一对应。
复合生物膜制氢反应器的反应物料工艺流程如图4所示。COD6000 mg/L的进料溶液通过管口a进入反应器，从反应器上部的管口b流出，在40°C条件下与复合生物膜组件4接触并反应产生氢气，反应产生的氢气通过膜组件中空管腔进行收集，依次通过气相分形收集器6、流量控制阀8、气体压缩机9之后进入储罐10备用。气体系统设置氮气储罐11、引风机12和氮气流量控制阀13。控制氮气流量1m/s，膜管内外压差-20kPa，氢气产率为46mL（STP）H2/g C6H12O6，H2收率为90%。净化水从管口b流出进入溢流罐7，澄清后达标排放。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例作任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.复合生物膜制氢反应器，其特征在于，包括罐体（1）、上封头（2），下封头（3）、复合生物膜组件（4）、折流挡板（5）、气相分形收集器（6），复合生物膜组件（4）竖直安装在罐体（1）中，两端分别与上封头（2）和下封头（3）连接并密封，所述折流挡板（5）设置在罐体（1）与复合生物膜组件（4）中间，气相分形收集器（6）安装在复合生物膜组件（4）上下两端并与膜组件连接；
所述的气相分形收集器（6）为多级递增的分形结构，支管与膜组件一一对应；
所述的复合生物膜组件（4）为中空圆柱形结构，从外至内依次由PVA层（I）、生物质层（II）、PDMS层（III）和中空陶瓷膜层（IV）复合而成；膜组件外侧与液体接触，内部为气体流通的管腔，气液两相不接触。
2.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，所述的折流挡板（5）采用交错排列的方式。
3.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，所述上封头（2）侧面设有上部管口b，上端设有顶部管口d；所述下封头（3）侧面设有下部管口a，底部设有底部管口c。
4.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，复合生物膜组件（4）通过卡座（16）分别与上封头、下封头连接并固定，卡座（16）带有密封圈（15）。
5.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，反应器顶部通过管道依次连接流量控制阀（8）、气体压缩机（9）和储罐（10）。
6.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，反应器底部通过管道依次连接氮气流量控制阀（13）、引风机（12）和氮气储罐（11）。
7.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，反应器罐体（1）外侧设置保温夹套（14）。
8.根据权利要求1所述的复合生物膜制氢反应器，其特征在于，所述复合生物膜组件高0.5~1.5m，中空管腔内径0.01~0.1m，膜层厚度为0.5mm~5mm。
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