基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的系统及方法

技术领域

本发明属于能源化再利用技术领域，尤其涉及一种基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的系统及方法。

背景技术

目前，实现二氧化碳能源化的技术有化学法和生物法。化学法需要利用金属催化剂，反应条件苛刻；而生物法反应温和，是利用嗜氢产甲烷菌将氢气与二氧化碳合成为甲烷。生物甲烷化在技术和经济上面临的主要挑战是气液传质效率低的问题，这一挑战使其难以形成工业规模。

近年来，生物甲烷化过程的研究和开发吸引了许多学者的关注。反应器类型包括：连续搅拌反应器、生物膜反应器、滴流床反应器。经典的连续搅拌反应器(CSTR)是最常见的反应器类型，搅拌是提高气液传质效率的关键因素，但应用成本较高，且由于氢气密度小，溶解度低和嗜氢产甲烷菌利用氢气速度慢等因素，造成氢气严重浪费。因此许多学者开始研究不同的方法以提高氢气在生物液中的停留时间和降低操作成本。当前有利用电化学析氢法、利用中空纤维膜组件循环法等。电化学析氢法的缺点是受到电压和电流的限制，产生的氢气有限，处理量有限。中空纤维膜组件循环法需要保证严格的气密性，并消耗的能量较大。且膜组件时常发生堵塞，需要维护和更换，影响系统稳定性和持续性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的生物甲烷化反应器应用成本较高，且由于氢气密度小，溶解度低和嗜氢产甲烷菌利用氢气速度慢等因素，造成氢气严重浪费。

纳米气泡技术可实现气体在液体中的稳定长期停留，最长停留时间可达到14天。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的系统包括：太阳能氢气发生模块、微纳气泡发生模块和生物反应模块；

所述太阳能氢气发生模块与微纳气泡发生模块连通，用于产生氢气，并将产生氢气发送到微纳气泡发生模块；

所述微纳气泡发生模块用于利用微纳气泡机将氢气与生物液混合，产生含有氢气微纳气泡的生物液；

生物反应模块，用于利用生物反应器进行生物反应，实现二氧化碳能源化利用。

进一步，所述太阳能氢气发生模块利用太阳能产生的电能通过电解水产生氢气。

进一步，所述微纳气泡机两端分别与太阳能氢气发生模块和生物反应器的出料口连通。

进一步，所述微纳气泡机的出液端与储液箱连通，所述储液箱通过连接管路与生物反应器的进料口连通。

进一步，所述生物反应器里侧设置有搅拌装置，所述搅拌装置用于对生物反应器内的反应物进行搅拌混合。

进一步，所述生物反应器上端开设有出气口。

进一步，所述生物反应器中添加有二氧化碳、营养液和嗜氢产甲烷菌。

本发明的另一目的在于提供一种基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的方法，所述基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的方法包括：

步骤一，利用太阳能产生的电能通过电解水产生氢气，将氢气输入微纳气泡机；

步骤二，生物反应器中添加有碳源并接种提前富集好的嗜氢产甲烷菌；

步骤三，生物反应器中的部分生物液通过出料口排出与氢气经过微纳气泡发生装置进行混合，形成含有氢气微纳气泡的生物液，再回流至生物反应器中；

步骤四，在嗜氢产甲烷菌的作用下，二氧化碳与氢气生成甲烷，实现二氧化碳能源化利用。

进一步，二氧化碳作为生物反应器的唯一或者部分碳源，持续或间歇注入反应器中。

进一步，其他营养元素通过配置营养液从进料口进入生物反应器，对生物反应器中的微生物进行营养补充。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明利用氢气微纳气泡为生物反应器提供氢气，提高氢气的气液传质效率，从而提高氢气和二氧化碳生物甲烷化的速率。

本发明可实现二氧化碳能源化利用。

本发明利用微纳气泡作为氢气的载体可避免利用中空纤维膜组件循环曝气时膜堵塞对反应稳定性的影响，同时由于微纳气泡在生物液中有较长的停留时间，无需循环曝气，减少能量消耗。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明相比于利用电化学析氢强化法，利用氢气微纳气泡的二次污染小，反应温和。本发明利用微纳米气泡作为氢气的载体，提高气液两相的接触面积和氢气在生物液中的停留时间以达到提高气液传质效率、提高氢气利用率和降低成本等目的。

电化学析氢法的缺点是受到电压和电流的限制，产生的氢气有限，处理量有限，处理效率较低。中空纤维膜组件循环法需要保证严格的气密性，并消耗的能量较大。且膜组件时常发生堵塞，需要维护和更换，影响系统稳定性和持续性。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明同步实现了二氧化碳的减排及可再生能源天然气的产生。传统的二氧化碳捕获封存技术，成本较高，且没有新的能源产出。与传统的天然气净化技术(膜分离法、化学法)相比，本发明利用了太阳能与微生物技术耦合，极大的降低了天然气的生产成本，同步实现二氧化碳减排。收益主要来源于，天然气的产生和碳排放交易权的出售。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

目前国内外还没有基于纳米气泡技术应用于二氧化碳碳减排及生物天然气生产的技术。

(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

由于氢气溶解度低，气液传质效率较差，极大的影响了微生物对氢气的高效利用，本发明极大的促进了氢气在溶液中的停留时间，保证嗜氢产甲烷菌的氢气供应，本发明同步实现了二氧化碳的减排及可再生能源天然气的高效产生。

(4)本发明的技术方案克服了技术偏见：氢气气液传质问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的方法流程图；

图3-图5是本发明实施例提供的实验曲线图；

图中：1、太阳能氢气发生模块；2、微纳气泡机；3、储液箱；4、生物反应器；5、进料口；6、出料口；7、出气口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的系统包括太阳能氢气发生模块1、微纳气泡机2、储液箱3和生物反应器4。

太阳能氢气发生模块与微纳气泡机2连通，微纳气泡机2的出液端与储液箱3连通，所述储液箱3通过连接管路与生物反应器4的进料口5连通。生物反应器4的出料口6与微纳气泡机2连通。生物反应器4上端开设有出气口7。

生物反应器4里侧设置有搅拌装置，搅拌装置用于对生物反应器内的反应物进行搅拌混合。

如图2所示，本发明实施例提供的基于纳米气泡辅助二氧化碳能源化再利用的方法包括：

S101，利用太阳能产生的电能通过电解水产生氢气，将氢气输入微纳气泡机；

S102，生物反应器中添加有碳源并接种提前富集好的嗜氢产甲烷菌；

S103，生物反应器中的部分生物液通过出料口排出与氢气经过微纳气泡发生装置进行混合，形成含有氢气微纳气泡的生物液，再回流至生物反应器中；

S104，在嗜氢产甲烷菌的作用下，二氧化碳与氢气生成甲烷，实现二氧化碳能源化利用。

作为优选，二氧化碳作为生物反应器的唯一或者部分碳源，持续或间歇持续或间歇注入反应器中。

作为优选，其他营养元素通过配置营养液从进料口进入生物反应器，对生物反应器中的微生物进行营养补充。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明的技术方案可作为农业废弃物处理沼气工程中沼气原位提纯的关键技术，沼气工程在处理农业有机固体废弃物的同时，产生大量的沼气，沼气含有50％的甲烷和50％左右的二氧化碳，产生的沼气需要进一步进行提纯，去除二氧化碳，产生天然气产品。现有的净化技术，如膜分离法、变压吸附法、化学法，都是将沼气中的二氧化碳从沼气中分离，不能增加天然气的产生，一方面处理成本较高，且分离出的二氧化碳排放到空气中，不利于二氧化碳的减排。

本发明可作为沼气提纯的替代技术，一方面将沼气中50％的二氧化碳转变为天然气产品，进一步增加天然气产量，另一方面也降低的二氧化碳的排放，同时由于本发明耦合太阳能与生物甲烷化技术，极大降低了天然气生产成本。

本发明可作为二氧化碳转化能源的技术，是可将水泥厂等高浓度CO

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

如图3-图5所示，-10-0天为启动阶段，使产甲烷体系稳定，并于0天将实验组开始用纳米气泡水进行处理。理论上累计产气量无明显差距，但实验组比控制组产甲烷含量提升。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本发明领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。