CN207030950U - 一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统。该系统主要包括阳极腔室挡板、阳极腔室、阳离子交换膜、阴极腔室、阴极腔室挡板。该系统通过产电微生物完全氧化降解有机质，将有机质中的化学能转化为电能，并在少量外加电压的作用下，以有机质降解释放出的化学能驱动系统的阴极发生还原反应8 H⁺+4O₂+8e^‑→4 H₂O₂，在阴极腔室中合成过氧化氢。本实用新型能够解决传统过氧化氢合成法的高能耗问题，提供了一种新型过氧化氢合成系统。

Description

一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统

技术领域

本实用新型涉及一种微生物电化学系统及其在化学品合成中的应用，具体涉及一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统。

背景技术

微生物电化学系统是一种能将有机物降解，在连接负载或外加电压下可获得某些产物的系统。近十年来，微生物电化学系统发展迅速，系统类型多极化（微生物燃料电池，微生物电解池，微生物电合成系统），系统产物多样化（电能，H₂，高附加值化学品），系统功能多元化（污水处理，燃料及化学品合成，水质监测）。目前，微生物电化学系统的研究工作主要集中在污水处理和燃料及化学品合成两方面，相较于传统的处理和合成方法微生物电化学系统具有可持续性，清洁性，环境友好性等优势，因此微生物电化学系统的发展对减轻环境问题和能源问题有重要的意义。

过氧化氢（H₂O₂）是一种强氧化剂，广泛用于纸张漂白，化学品合成等工业领域。世界上超过95%的H₂O₂都是通过蒽醌法制得的，但蒽醌法制H₂O₂是高能耗过程。此外电解法也是常用的H₂O₂制备方法，但其也是高能量投入过程。因此，高能耗成为H₂O₂生产中急需解决的问题，低能耗的H₂O₂生产方法的研究就成为一个重要的发展方向。

用微生物电化学系统合成H₂O₂主要利用此原理：在厌氧的阳极室，附着在阳极上的厌氧微生物通过厌氧呼吸作用，将底物消化，产生电子（e^-）和氢离子（H⁺），产生的电子传至阳极，积聚在阳极上的e^-通过外电路传至阴极；产生的H⁺通过阳离子交换膜（CEM）进入好氧的阴极室。在好氧的阴极从外电路传来的e^-，通过CEM传来的H⁺，发生阴极反应

8 H⁺+4O₂+8e^-→4 H₂O₂。理论上，微生物电化学系统合成H₂O₂无需能量投入可以大大的减小H₂O₂合成的能量消耗，能够解决H₂O₂合成过程中的高能耗问题具有重要的研究意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是：利用微生物电化学系统合成H₂O₂，实现H₂O₂的低能耗合成。

为了解决上述问题，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统，包含阳极腔室挡板、阳极腔室、阳离子交换膜（CEM）、阴极腔室、阴极腔室挡板；所述阳极腔室挡板为实心结构，所述阴极腔室挡板为空心结构；所述两腔室挡板上均开8个螺纹孔，用以连接整个装置；装置通过螺栓连接最外侧的阳极腔室挡板与阴极腔室挡板，将最外侧的两个挡板及其中间的构件挤压在一起，通过挤压实现系统密闭性，各部分间均需加有垫片保证系统密封性。

所述阳极室与阴极室腔体上均开有两个螺纹孔，用于连接导管，进行原料的输入与产物的导出。

进一步，所述阴极室腔体上的产物导出口可连接小型蠕动泵和H₂O₂提纯系统，以提高H₂O₂浓度，使制得的H₂O₂浓度符合工业标准。

一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统电极装配：阳极（碳毡，碳布，碳刷等碳基材料）置于厌氧阳极室内；阴极（涂有碳粉催化剂及空气扩散层的防水碳布）涂有催化剂的一侧与阴极液接触，涂有空气扩散层的一侧直接接触空气。

在厌氧阳极室内加入消化底物（工业废水，城市污水等有机底物），附着在阳极上的厌氧微生物通过厌氧呼吸作用，将底物消化，产生电子（e^-）和氢离子（H⁺），产生的e^-从微生物外膜传至阳极，积聚在阳极上的e^-通过外电路传至阴极；产生的H⁺通过CEM进入好氧阴极室。在好氧阴极室内，从外电路传来的e^-，通过CEM传来的H⁺，在阴极表面发生H₂O₂合成反应8 H⁺+4O₂+8e^-→4 H₂O₂。

本实用新型的有益效果是：利用微生物电化学系统取代传统工业方法进行H₂O₂合成，减少了H₂O₂合成过程中的能耗及中间有害产物的排放；且能够以工业废水，城市污水等有机废水作为消化底物，在进行H₂O₂合成过程中，同时实现污染物处理的目的。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的工作原理图；

图中：1-阳极腔室挡板；2-阳极腔室；3-阳离子交换膜；4-阴极腔室；5-阴极腔室挡板；6-阳极；7-阴极；8-阳极腔室进料口；9-阴极腔室进料口；10-阳极腔室出料口；11-阴极腔室出料口；12-外加直流电源；13-阳极导出口；14-阴极导出口；15-连接螺纹口

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本实用新型按照组装顺序由左向右依次包括阳极腔室挡板1、阳极腔室2、阳离子交换膜3、阴极腔室4、阴极腔室挡板5；阳极腔室内置有阳极6，阴极腔室内置有阴极7，阳极通过石墨棒从阳极导出口13导出，阴极通过不锈钢垫圈导出；阳极腔室上分别开有阳极腔室进料口8、阳极腔室出料口10、阳极导出口13；阴极腔室上分别开有阴极腔室进料口9、阴极腔室出料口11、阴极导出口14；连接螺纹口15通过螺栓连接阳极腔室挡板1与阴极腔室挡板5将整个装置挤压在一起，各部分间均需加有垫片保证系统密封性。

本实用新型的其阳极材料为碳毡；其阴极材料为防水碳布，且其一侧涂有铂碳催化剂，另一侧为涂有40%的PTFE溶液的空气扩散层。

如图2所示，本实用新型的工作原理如下：阳极腔室2中的底物被附着在阳极6上的厌氧微生物消化，产生电子（e^-）和氢离子（H⁺），产生的e^-从微生物外膜传至阳极6，积累在阳极6上的e^-通过外电路传至阴极7；产生的H⁺通过阳离子交换膜3由阳极腔室2传至阴极腔室4；在好氧阴极室内，从外电路传来的e^-，通过阳离子交换膜3传来的H⁺，在阴极7表面发生H₂O₂合成反应8 H⁺+4O₂+8e^-→4 H₂O₂。

进一步，为提高H₂O₂合成效率，需加外加直流电源12，电压选0.5V为宜。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，但本实用新型的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。如若将阴极腔室挡板5更换成与阳极腔室挡板1相同的挡板，本实用新型还可用于乙酸、乙醇等化学品合成。

阴极导出口14仅在本系统用于乙酸、乙醇等其他化学品合成时有作用；在用于H₂O₂合成时需将阴极导出口14密封，通过在阴极外圈加不锈钢片实现电流导出。

Claims (2)

1.一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统，其特征在于，系统主体包括阳极腔室挡板、阳极腔室、阳离子交换膜、阴极腔室、阴极腔室挡板；阳极腔室内置有阳极，阴极腔室内置有阴极，阳极通过石墨棒从阳极导出口导出，阴极通过不锈钢垫圈导出；阳极腔室上分别开有阳极腔室进料口、阳极腔室出料口、阳极导出口；阴极腔室上分别开有阴极腔室进料口、阴极腔室出料口、阴极导出口；整个系统通过螺栓连接阳极腔室挡板与阴极腔室挡板将整个装置挤压在一起，各部分间均需加有垫片保证系统密封性。

2.根据权利要求1所述的一种用于合成过氧化氢的微生物电化学系统，其阳极材料为碳毡；其阴极材料为防水碳布，且其一侧涂有铂碳催化剂，另一侧为涂有40%的PTFE溶液的空气扩散层。