CN103337653A

CN103337653A - 用于合成生物燃料的装置及其用途

Info

Publication number: CN103337653A
Application number: CN2013102602684A
Authority: CN
Inventors: 宋天顺; 吴夏芫; 周楚新
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明提出了一种用于合成生物燃料的装置及其用途。该用于合成生物燃料的装置包括：本体，所述本体内限定出反应空间；隔膜，所述隔膜设置在所述反应空间中，并且将所述反应空间隔为阳极腔室和阴极腔室；阳极，所述阳极设置在所述阳极腔室中；阴极，所述阴极设置在所述阴极腔室中；电源,所述电源分别与所述阳极和阴极电连接形成回路,其中,所述阳极腔室适于容纳有机物和第一微生物,所述第一微生物能够氧化所述有机物;所述阴极腔室适于容纳二氧化碳和第二微生物,所述第二微生物能够以二氧化碳为底物合成所述生物燃料。利用本发明的装置，能够有效地合成生物燃料。

Description

用于合成生物燃料的装置及其用途

技术领域

本发明涉及化学领域。具体的，本发明涉及用于合成生物燃料的装置及其在合成生物燃料中的用途。

背景技术

能源与环境是当今世界两大主题，化石能源的日趋匮乏以及燃烧对环境产生的巨大危害要求人类加速研发洁净高效和可再生的新能源。光合作用获得的生物质是取之不尽、用之不竭的可再生资源，以此为原料生产的生物能源不仅是可再生的，而且其消费过程不会导致大气环境CO₂总量的增加。但传统的以类淀粉质原料和油料作物大规模生产生物能源产品的模式，不可避免地会和粮食的生产相竞争，并因此导致了粮食价格的提升。

光伏电池技术是一种利用太阳能转化附加值高的能源利用方式，只不过其将太阳能转化成了电能，但产生的电能的储存问题，是一直困扰此技术的关键，因此急需开发一种新的技术，能高效的转化太阳能，并可将太阳能直接转化成附加值高的生物燃料，是人们所一直关注的。

因而，目前合成生物燃料的手段仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够用于有效合成生物燃料的装置。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于合成生物燃料的装置。根据本发明的实施例，该用于合成生物燃料的装置包括：本体，所述本体内限定出反应空间；隔膜，所述隔膜设置在所述反应空间中，并且将所述反应空间隔为阳极腔室和阴极腔室；阳极，所述阳极设置在所述阳极腔室中；阴极，所述阴极设置在所述阴极腔室中；电源,所述电源分别与所述阳极和阴极电连接形成回路,其中,所述阳极腔室适于容纳有机物和第一微生物,所述第一微生物能够氧化所述有机物;所述阴极腔室适于容纳二氧化碳和第二微生物,所述第二微生物能够以二氧化碳为底物合成所述生物燃料。在使用过程中，在阳极腔室的第一微生物氧化有机物，将有机物分解并释放电子和阳离子，电子首先传输到阳极，再通过外电路的传递连同电源所提供的电子到达阴极，阳离子则从阳极室通过隔膜进入阴极腔室。在阴极腔室内，阴极在接收阳离子以及来自阳极以及电源的电子之后，在第二微生物的作用下，能够以二氧化碳作为底物合成生物燃料。由此，利用本发明的装置，能够有效地合成生物燃料。

根据本发明的实施例，上述用于合成生物燃料的装置还可以具有下列附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述阳极和所述阴极可以分别独立地为选自碳毡和碳布的至少一种。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的一个实施例，所述隔膜为阳离子交换膜。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的一个实施例，所述电源为太阳能电池。由此，可以通过将太阳能电池固定的光子能量直接用于合成生物燃料，从而解决了太阳能电池如何储能的问题，并且同时，可以有效地为阴极提供源源不断的电子，由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的一个实施例，所述第一微生物为厌氧微生物，所述第二微生物为产乙酸菌。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的一个实施例，所述生物燃料为选自乙酸、乙醇和丁醇的至少一种。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的一个实施例，所述有机物是以有机废水的形式提供的。由此，可以在阳极腔室能够有效地处理废水，实现废水处理与合成生物燃料的一体化。

根据本发明的一个实施例，所述第一微生物附着于所述阳极上。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的一个实施例，所述回路的电阻为10~1000欧姆。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

在本发明的第二方面，本发明还提出了前面所述用于合成生物燃料的装置在合成生物燃料中的用途。本领域技术人员可以理解，在本文中针对用于合成生物燃料的装置所描述的特征和优点均适用于该用途，不再赘述。

根据本发明的实施例的用于合成生物燃料的装置至少可以具有下列优点之一：

1）根据本发明的实施例，可以利用太阳能电池，即太阳能光伏技术捕获太阳能，并将其直接用于生物燃料的合成。太阳能光伏技术相比于生物光合作用，可以捕获更多的太阳能。并可解决太阳能转化以及微生物电化学中电能储存困难的问题，即直接将电能转化成生物燃料，使之利用太阳能的形式可以多种多样。这个过程类似于植物利用二氧化碳产生氧气，生成有机物的光合反应，因此也被称为微生物驱动下的新的光合反应。

2）根据本发明的实施例，微生物电化学固定二氧化碳生成生物燃料的方法，避免了传统工艺中，太阳能先转变成生物质，然后生物质再提取生物燃料的过程，减少了额外的能量以及水的输入以及伴随着从生物质向生物燃料转化中所产生的废物。

3）根据本发明的实施例，微生物电化学固定二氧化碳生成生物燃料的过程不需要和粮食生产竞争土地，不会影响到现行的农业生产过程。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本发明一个实施例的用于合成生物燃料的装置的结构示意图；以及

图2显示了根据本发明另一个实施例的用于合成生物燃料的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本文中所使用的术语“第一”、“第二”仅仅用于描述的目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含所指示的技术特征的数目。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或者两个以上，除非另有明确的限定。

下面参考图1~2描述根据本发明实施例的用于合成生物燃料的装置。

如图1和2所示，在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于合成生物燃料的装置。根据本发明的实施例，该用于合成生物燃料的装置包括本体100、隔膜200、阳极腔室300、阴极腔室400、阳极310、阴极410、电源500。

根据本发明的实施例，本体100内限定出反应空间，隔膜200设置在该反应空间中，将该反应空间隔为阳极腔室300和阴极腔室400。根据本发明的实施例，用于对反应空间进行分割的隔膜200的类型并不受特别限制。根据本发明的一个实施例，可以采用阳离子交换膜。从而可以使得仅能阳离子例如质子从阳极腔室300通过该隔膜200进入阴极腔室400，由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的实施例，阳极310设置在阳极腔室300中，阴极410设置在阴极腔室400中，并且分别与阳极310和阴极410电连接从而形成回路。由此，电子可以通过阳极310、阴极410和电源500所形成的回路，从阳极310到达阴极410。根据本发明的一个实施例，阳极310和阴极410的类型均不受特别限制。根据本发明的实施例，阳极310和阴极410可以分别独立地为选自碳毡和碳布的至少一种。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。根据本发明的实施例，电源500的类型并不受特别限制。根据本发明的一个实施例，电源500为太阳能电池。由此，可以通过将太阳能电池固定的光子能量直接用于合成生物燃料，从而解决了太阳能电池如何储能的问题，并且同时，可以有效地为阴极提供源源不断的电子，由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。由此，根据本发明的实施例，可以利用太阳能电池，即太阳能光伏技术捕获太阳能，并将其直接用于生物燃料的合成。太阳能光伏技术相比于生物光合作用，可以捕获更多的太阳能。并可解决太阳能转化以及微生物电化学中电能储存困难的问题，即直接将电能转化成生物燃料，使之利用太阳能的形式可以多种多样。这个过程类似于植物利用二氧化碳产生氧气，生成有机物的光合反应，因此也被称为微生物驱动下的新的光合反应。另外，根据本发明的实施例，微生物电化学固定二氧化碳生成生物燃料的方法，避免了传统工艺中，太阳能先转变成生物质，然后生物质再提取生物燃料的过程，减少了额外的能量以及水的输入以及伴随着从生物质向生物燃料转化中所产生的废物。另外，根据本发明的一个实施例，所述回路的电阻为10~1000欧姆。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。

根据本发明的实施例，阳极腔室300被设置为适于容纳有机物和第一微生物，并且该第一微生物能够氧化所述有机物。阴极腔室400被设置为适于容纳二氧化碳和第二微生物，并且该第二微生物能够以二氧化碳为底物合成生物燃料。由此，在阳极腔室的第一微生物氧化有机物，将有机物分解并释放电子和阳离子，电子首先传输到阳极，再通过外电路的传递连同电源所提供的电子到达阴极，阳离子则从阳极室通过隔膜进入阴极腔室。在阴极腔室内，阴极在接收来自阳极以及电源的电子之后，在第二微生物的作用下，能够以二氧化碳作为底物合成生物燃料。由此，利用本发明的装置，能够有效地合成生物燃料。根据本发明的实施例，第一微生物和第二微生物的类型并不受特别限制，只要第一微生物能够氧化所述有机物，第二微生物能够以二氧化碳为底物合成生物燃料即可。根据本发明的一个实施例，所述第一微生物为厌氧微生物，所述第二微生物为产乙酸菌。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。由此，根据本发明的一个实施例，所述生物燃料为选自乙酸、乙醇和丁醇的至少一种。由此，可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。另外，根据本发明的实施例，可以采用的有机物的类型并不受特别限制，根据本发明的一个实施例，有机物是以有机废水的形式提供的。由此，可以在阳极腔室能够有效地处理废水，实现废水处理与合成生物燃料的一体化。根据本发明的一个实施例，第一微生物可以附着于阳极310上，由此可以进一步提高利用该装置合成生物燃料的效率。根据本发明的实施例，在阳极310上附着微生物的方法并不受特别限制，根据本发明的实施例，可以采用预先在电极表面进行“挂膜”的方法，简言之，包括将污泥或污水放入到阳极腔室300中，在2-3次更换阳极营养液后，使得微生物燃料电池稳定产电，则阳极挂膜成功。

另外，根据本发明的实施例，在阳极腔室300中还可以进一步设置阳极进口6和阳极出口7，从而可以有效地将有机物，例如有机废水连续地供给到阳极腔室300中，并且连续地排出经过处理的有机废水，从而实现了连续处理有机物例如有机废水。同样，在阴极腔室400中还可以进一步设置阴极进口8和阴极出口9，从而可以有效地将二氧化碳连续地供给到阴极腔室400中，从而实现了连续合成生物燃料。

在本发明的第二方面，本发明还提出了前面用于合成生物燃料的装置在合成生物燃料中的用途。

利用根据本发明实施例的用于合成生物燃料的装置进行合成生物燃料的具体的应用方法为：

A、微生物电化学装置安装

将阴极、阳极和电阻用导线串联在一起形成一个回路，且电阻介于阴极和阳极之间；

B、微生物燃料电池阳极挂膜

将含有可降解有机物的微生物的污泥来放入到阳极腔室，在2-3次更换阳极营养液（微生物液体培养基）后，使得微生物燃料电池稳定产电，则阳极挂膜成功。

C、阴极微生物的加入进行固定二氧化碳合成生物燃料

微生物燃料电池阳极挂膜成功后，阳极通入废水，阴极通入二氧化碳，并在阴极溶液中加入可以合成生物燃料微生物，这些微生物通过接收外电路上太阳能电池以及阳极氧化废水产生的电子，以及阳极传递过来的质子将二氧化碳给转化成所需的生物燃料。

本领域技术人员可以理解，在本文中针对用于合成生物燃料的装置所描述的特征和优点均适用于该用途，不再赘述。

下面通过具体的实施例，对本发明的用于合成生物燃料的装置和方法进行描述。可以理解的是，下面所提供的实施例仅仅是为了说明目的而不以任何方式限制本发明的范围，并且在下面实施例中没有明确指出的处理方法或者材料均为本领域技术人员可以容易获得的。

实施例1

提供图2所示的微生物电化学装置，其主要由阳极310、阴极410、隔膜200、导线4、电源500、阳极进口6、阳极出口7、阴极进口8、阴极出口9、太阳能板10以及高效微生物11构成。导线4将阳极310、阴极410以及电源500之间串联成一个回路。隔膜200的材料为阳离子交换膜。回路的电阻值为100欧姆。高效微生物为产乙酸菌。所合成的生物燃料为乙醇。

微生物电化学装置为有机玻璃构成，阴极腔室和阳极腔室体积大小为150 ml, 阴极、阳极选用石墨毡,大小为5 cm × 5 cm。阳极腔室内有机废水，其COD为1000 mg/L, pH=7。阴极腔室内的溶液为磷酸缓冲溶液，其中磷酸二氢钠为2.77g，磷酸氢二钠为11.53g，氯化钾为0.13g， pH=7。按阴极溶液体积的1/10接入产乙酸菌。太阳电池板将太阳能储存到电源上，并通过调节使其外电路电压为1V，外电路电阻为100欧姆。然后向阴极腔室内不断地通入二氧化碳，反应5天后，检测阴极溶液中的乙醇，其浓度达到了 500 mg/L，并对阳极出水进行COD测定，其去除率为90%。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种用于合成生物燃料的装置，其特征在于，包括：

本体，所述本体内限定出反应空间；

隔膜，所述隔膜设置在所述反应空间中，并且将所述反应空间隔为阳极腔室和阴极腔室；

阳极，所述阳极设置在所述阳极腔室中；

阴极，所述阴极设置在所述阴极腔室中；

电源,所述电源分别与所述阳极和阴极电连接形成回路,

其中,

所述阳极腔室适于容纳有机物和第一微生物,所述第一微生物能够氧化所述有机物;

所述阴极腔室适于容纳二氧化碳和第二微生物,所述第二微生物能够以二氧化碳为底物合成所述生物燃料。

2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极和所述阴极分别独立地为选自碳毡和碳布的至少一种。

3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔膜为阳离子交换膜。

4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源为太阳能电池。

5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一微生物为厌氧微生物，所述第二微生物为产乙酸菌。

6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生物燃料为选自乙酸、乙醇和丁醇的至少一种。

7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述有机物是以有机废水的形式提供的。

8. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一微生物附着于所述阳极上。

9. 根据权利要求1所述的装置,其特征在于，所述回路的电阻为10~1000欧姆。

10.权利要求1~9任一项所述用于合成生物燃料的装置在合成生物燃料中的用途。