CN209564931U - 一种增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统，其中所述电化学预处理系统包括进料系统、预混罐、辅料加入系统、物料传输系统、电化学系统以及出料系统。通过电化学系统中的阳极反应和阴极反应，在阳极制造酸性pH，在阴极制造碱性pH，并通过酸性pH条件破坏煤类物质的结构并使其转化，同时通过碱性pH条件使煤类物质容易发生溶胀和溶解，以实现对煤类物质的彻底处理并打开其结构，产生多种有机化合物，提高煤类物质的生化反应能力和生物可利用性，以进一步通过生物反应或生物化学反应生产其他有益产品。

Description

一种增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预 处理系统

技术领域

本实用新型涉及煤类物质的电化学处理装置，具体地说是一种增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统，通过电化学反应及其对pH条件的改变来增加煤类物质的生化反应能力和生物可利用性。

背景技术

生物化学转化煤类物质(包括各类煤和煤的物理衍生物)的工艺技术，包括煤基生物天然气、煤类物质生物增溶以及煤制化学品，常因煤类物质的低反应性和低生物利用性而受到限制。煤类物质的复杂结构以及疏水性是导致其低反应性和低生物利用性的主要原因。因此，在实际应用中常需要对煤类物质进行预处理，主要有化学方法和物理方法。但是，煤类物质的化学预处理，如将煤类物质与氧化剂、螯合剂、酸、碱等溶剂进行混合，常需要使用大量的化学药剂；而物理预处理方法如加热方法，包括热空气冲洗或蒸汽冲洗，则常需要消耗大量的能量。

水混合液(水固混合液到纯水溶液)中的电化学反应，可以通过电解作用改变物质的性质。其中，阳极反应为氧化反应并产生质子(H⁺)，导致酸性pH值；阴极反应为还原反应并生成氢氧化物(OH^-)，导致碱性pH值。在酸性pH条件下，煤类物质的结构可以被破坏并转化；在碱性pH条件下，煤类物质容易发生溶胀和溶解。如前所述，煤的酸碱预处理可以提高煤类物质的生化反应能力和生物可利用性。

发明内容

本实用新型针对煤类物质的预处理，提供了一种增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统。

所述煤类物质包括各类煤和煤的物理衍生物。

本实用新型增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统，包括进料系统1、预混罐2、辅料加入系统3、物料传输系统4、电化学系统5以及出料系统6。

进料系统1主要用于将煤类物质原料送入预混罐2中，可以为人工或机械等方式，包括但不局限于铲车、传输带、泵等。在具体实施中，进料系统1的数量包括但不局限于1套。

预混罐2是由不锈钢、塑料等任何材料制成的任意形状。在具体实施中，预混罐2的数量包括但不局限于1个。

辅料加入系统3主要用于向预混罐2中投加氧化剂，可以为人工、机械等任意方式，包括但不局限于铲车、传输带、泵等。在具体实施中，辅料加入系统3的数量包括但不局限于1套，氧化剂等辅料也可以通过进料系统1加入预混罐2。

物料传输系统4包括物料传输泵41和物料传输管42，用于不同反应罐、不同系统物料的转移。物料传输泵41可以为市售各种泵，物料传输管42可以为市售各种管道，材质包括但不局限于混凝土、塑料、钢材等。在具体实施中，物料传输泵41和物料传输管42的数量包括但不局限于1个。

电化学系统5包括反应罐51、电化学系统阴极52、电化学系统阳极53、电化学系统导线54；电化学系统阴极52和电化学系统阳极53通过电化学系统导线54相连通，并在线路中设置有电化学系统电源55和电化学系统开关56。

电化学系统5还包括阳离子交换膜57，将反应罐51分为阴极反应区域和阳极反应区域，用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移。

所述阳离子交换膜57还可以由质子传输盐桥58代替，用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移。

反应罐51是由不锈钢、塑料等任何材料制成的任意形状。在具体实施中，反应罐51的数量包括但不局限于1个。

电化学系统阴极52由碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网、石墨颗粒或石墨块、活性炭颗粒等导电材料加工成比如多孔状、多层、块状、粒状、多孔粒状等形状，形成较大比表面积。在具体实施中，电化学系统阴极52的数量包括但不局限于1个。

电化学系统阳极53由碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网、石墨颗粒或石墨块、活性炭颗粒等导电材料加工成比如多孔状、多层、块状、粒状、多孔粒状等形状，形成较大比表面积。在具体实施中，电化学系统阳极53的数量包括但不局限于1个。

电化学系统导线54由不锈钢、钛、铜、铝等导电材料制成，也可以为任意市售电线。

电化学系统电源55用于为电化学系统提供直流电流，包括但不局限于市售直流电源、交流转直流转换器、太阳能供电系统等。在具体实施中，电化学系统电源55的数量包括但不局限于1个。

电化学系统开关56用于控制电化学系统的通断，可以为任意市售开关。在具体实施中，电化学系统开关56的数量包括但不局限于1个。

阳离子交换膜57用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移，可以为任意市售阳离子交换膜。另外，可以用质子传输盐桥58代替阳离子交换膜57，用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移。质子传输盐桥58可以为任意市售或自制盐桥。在具体实施中，阳离子交换膜57或质子传输盐桥58的数量包括但不局限于1个。此外，本实用新型也可以在没有57和58的条件下运行，尽管这样有可能会在两个电极中间部位有酸碱中和反应降低效率，但总体上来说仍然可以起到对煤(包括各类煤和煤的物理衍生物)的处理并增强其生物可利用性。

出料系统6主要用于将反应罐51反应后的物料送出，可以为人工或机械等方式，包括但不局限于铲车、传输带、泵等。在具体实施中，出料系统6的数量包括但不局限于1套。

利用所述电化学预处理系统增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的预处理工艺，包括如下步骤：

煤类物质原料和水经进料系统1进入预混罐2，预混好的物料由物料传输泵41经物料传输管42送入电化学系统5的反应罐51中，通过电化学系统5中的阳极反应和阴极反应，在阳极制造酸性pH，在阴极制造碱性pH，并通过酸性pH条件破坏煤类物质的结构并使其转化，同时通过碱性pH条件使煤类物质更易发生溶胀和溶解，以实现对煤类物质的彻底处理并打开其结构，产生多种有机化合物，提高煤类物质的生化反应能力和生物可利用性。

如有必要，可通过辅料加入系统3向预混罐2中加入氧化剂。所述氧化剂包括但不局限于H₂O₂和/或O₃。氧化剂与煤类物质原料的质量比为0.0001:1至0.01:1。

电化学反应过程中，温度控制在1-100℃，压力控制在常压至3个标准大气压，静置或搅拌(转速1-200rpm)下反应均可。

水和煤类物质原料的体积比为10:1至0.1:1。

与其他技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

本实用新型增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统，是通过电化学反应中的阳极反应和阴极反应，在阳极制造酸性pH，在阴极制造碱性pH，并通过酸性pH条件破坏煤类物质的结构并使其转化，同时通过碱性pH条件使煤类物质容易发生溶胀和溶解，以提高煤类物质的生化反应能力和生物可利用性。

附图说明

图1为通过电化学工艺处理后阴极(cathode)和阳极(anode)煤泥水混合液中pH的变化。从图1可以看出，电化学反应引起混合物的pH变化。在靠近阳极的区域pH下降，呈酸性，在靠近阴极的区域pH上升，呈碱性。但这种酸碱性随着混合物的混合将逐渐中和。

图2为通过电化学工艺处理后阴极(cathode)和阳极(anode)煤泥水混合液中溶解性有机质(dissolved organic concentrations)的变化。从图2可以看出，电化学系统形成的反应和pH变化将煤类原料中的大分子分解、转化、溶解，显著增加了溶解性有机碳的含量，也意味着煤类原料变得更加有反应活性和生物可利用性。

图3为本实用新型增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统示意图；

图中标号：1进料系统；2预混罐；3辅料加入系统；4物料传输系统，41物料传输泵，42物料传输管；5电化学系统，51反应罐，52电化学系统阴极，53电化学系统阳极，54电化学系统导线，55电化学系统电源，56电化学系统开关，57阳离子交换膜，58质子传输盐桥。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统，包括进料系统1、预混罐2、辅料加入系统3、物料传输系统4、电化学系统5以及出料系统6。

进料系统1主要用于将煤类物质原料送入预混罐2中，可以为人工或机械等方式，包括但不局限于铲车、传输带、泵等。在具体实施中，进料系统1的数量包括但不局限于1套。

预混罐2是由不锈钢、塑料等任何材料制成的任意形状。在具体实施中，预混罐2的数量包括但不局限于1个。

辅料加入系统3主要用于向预混罐2中投加氧化剂，可以为人工、机械等任意方式，包括但不局限于铲车、传输带、泵等。在具体实施中，辅料加入系统3的数量包括但不局限于1套，氧化剂等辅料也可以通过进料系统1加入预混罐2。

物料传输系统4包括物料传输泵41和物料传输管42，用于不同反应罐、不同系统物料的转移。物料传输泵41可以为市售各种泵，物料传输管42可以为市售各种管道，材质包括但不局限于混凝土、塑料、钢材等。在具体实施中，物料传输泵41和物料传输管42的数量包括但不局限于1个。

电化学系统5包括反应罐51、电化学系统阴极52、电化学系统阳极53、电化学系统导线54；电化学系统阴极52和电化学系统阳极53通过电化学系统导线54相连通，并在线路中设置有电化学系统电源55和电化学系统开关56。

电化学系统5还包括阳离子交换膜57，将反应罐51分为阴极反应区域和阳极反应区域，用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移。

所述阳离子交换膜57还可以由质子传输盐桥58代替，用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移。

反应罐51是由不锈钢、塑料等任何材料制成的任意形状。在具体实施中，反应罐51的数量包括但不局限于1个。

电化学系统阴极52由碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网、石墨颗粒或石墨块、活性炭颗粒等导电材料加工成比如多孔状、多层、块状、粒状、多孔粒状等形状，形成较大比表面积。在具体实施中，电化学系统阴极52的数量包括但不局限于1个。

电化学系统阳极53由碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网、石墨颗粒或石墨块、活性炭颗粒等导电材料加工成比如多孔状、多层、块状、粒状、多孔粒状等形状，形成较大比表面积。在具体实施中，电化学系统阳极53的数量包括但不局限于1个。

电化学系统导线54由不锈钢、钛、铜、铝等导电材料制成，也可以为任意市售电线。

电化学系统电源55用于为电化学系统提供直流电流，包括但不局限于市售直流电源、交流转直流转换器、太阳能供电系统等。在具体实施中，电化学系统电源55的数量包括但不局限于1个。

电化学系统开关56用于控制电化学系统的通断，可以为任意市售开关。在具体实施中，电化学系统开关56的数量包括但不局限于1个。

阳离子交换膜57用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移，可以为任意市售阳离子交换膜。另外，可以用质子传输盐桥58代替阳离子交换膜57，用于电化学系统阴极52和电化学系统阳极53之间的阳离子转移。质子传输盐桥58可以为任意市售或自制盐桥。在具体实施中，阳离子交换膜57或质子传输盐桥58的数量包括但不局限于1个。此外，本实用新型也可以在没有57和58的条件下运行，尽管这样有可能会在两个电极中间部位有酸碱中和反应降低效率，但总体上来说仍然可以起到对煤(包括各类煤和煤的物理衍生物)的处理并增强其生物可利用性。

出料系统6主要用于将反应罐51反应后的物料送出，可以为人工或机械等方式，包括但不局限于铲车、传输带、泵等。在具体实施中，出料系统6的数量包括但不局限于1套。

利用所述电化学预处理系统增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的预处理工艺，包括如下步骤：

煤类物质原料经进料系统1进入预混罐2，如有必要，可通过辅料加入系统3加入氧化剂，预混好的物料由物料传输泵41经物料传输管42送入电化学系统5的反应罐51中，通过电化学系统5中的阳极反应和阴极反应，在阳极制造酸性pH，在阴极制造碱性pH，并通过酸性pH条件破坏煤类物质的结构并使其转化，同时通过碱性pH条件使煤类物质更易发生溶胀和溶解，以实现对煤类物质的彻底处理并打开其结构，产生多种有机化合物，提高煤类物质的生化反应能力和生物可利用性。

所述氧化剂包括但不局限于H₂O₂和/或O₃。氧化剂与煤类物质原料的质量比为0.0001:1至0.01:1。

电化学反应过程中，温度控制在1-100℃，压力控制在常压至3个标准大气压，静置或搅拌(转速1-200rpm)下反应均可。

水和煤类物质原料的体积比为10:1至0.1:1。

Claims (5)

1.一种增强煤类物质生化反应能力和生物可利用性的电化学预处理系统，其特征在于：

所述电化学预处理系统包括进料系统、预混罐、辅料加入系统、物料传输系统、电化学系统以及出料系统；

进料系统主要用于将煤类物质原料送入预混罐中；辅料加入系统主要用于向预混罐中投加氧化剂；出料系统主要用于将反应罐反应后的物料送出；

电化学系统包括反应罐、电化学系统阴极、电化学系统阳极、电化学系统导线；电化学系统阴极和电化学系统阳极通过电化学系统导线相连通，并在线路中设置有电化学系统电源和电化学系统开关。

2.根据权利要求1所述的电化学预处理系统，其特征在于：

电化学系统还包括阳离子交换膜，将反应罐分为阴极反应区域和阳极反应区域，用于电化学系统阴极和电化学系统阳极之间的阳离子转移。

3.根据权利要求1所述的电化学预处理系统，其特征在于：

电化学系统还包括质子传输盐桥，用于电化学系统阴极和电化学系统阳极之间的阳离子转移。

4.根据权利要求1所述的电化学预处理系统，其特征在于：

电化学系统阴极由碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网、石墨颗粒或石墨块、活性炭颗粒导电材料加工成多孔状、多层、块状、粒状、多孔粒状，形成较大比表面积。

5.根据权利要求1所述的电化学预处理系统，其特征在于：

电化学系统阳极由碳布、不锈钢纤维、不锈钢丝网、石墨颗粒或石墨块、活性炭颗粒导电材料加工成多孔状、多层、块状、粒状、多孔粒状，形成较大比表面积。