本技術(shù)屬于碳捕集與封存和工業(yè)廢水處理，具體涉及一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、目前最成熟的熱驅(qū)動碳捕集過程是利用堿性吸收劑在常溫下捕獲co2，然后升溫解吸實現(xiàn)循環(huán)利用。然而，熱驅(qū)動碳捕集過程的能量效率會受限于卡諾循環(huán)。典型的烷醇胺類吸收劑在37°c和117°c之間循環(huán)運(yùn)行，其理論能量效率極限僅為21%。相比之下，電化學(xué)碳捕集（ecc）規(guī)避了熱驅(qū)動碳捕集的能量效率限制。ecc是通過電化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)co2的捕集和釋放，可實現(xiàn)近co2最小分離功運(yùn)行，即100%能量效率。因此，ecc有望實現(xiàn)碳捕集過程能耗最小化，從而顯著降低碳捕集成本，推動ccs的廣泛部署。

2、ecc因其無能量效率限制，操作條件溫和易于模塊化等優(yōu)勢，近年來已成為碳捕集與封存（ccs）領(lǐng)域的研究熱點。加州大學(xué)伯克利分校weber團(tuán)隊報道了目前最先進(jìn)的ecc，能夠以100?ma·cm-2的電流密度和80?kj·mol-1co2的能耗從400?ppm?co2的空氣中直接捕集co2。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，co2的最小分離功（）等于氣體混合物中co2分離前后的吉布斯自由能差（），其計算公式如式（1）所示。

3、…………式（1）

4、其中，r是理想氣體常數(shù)（8.314?j·mol-1·k-1），t是體系溫度（298.15?k），是氣體混合物中co2分壓（bar），是環(huán)境壓力（1?bar）。由式（1）可知，從400?ppm?co2的空氣中捕集co2的最小分離功為19.4?kj·mol-1co2。因此，weber團(tuán)隊實現(xiàn)了24%能量效率，已超過熱驅(qū)動碳捕集過程的能量效率極限。然而，當(dāng)前ecc的低能量效率與實際應(yīng)用需求仍相距甚遠(yuǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、1.?要解決的問題

2、本發(fā)明針對傳統(tǒng)電催化碳捕集過程能耗高的技術(shù)瓶頸，提供一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法和應(yīng)用，該膜通過微生物電自驅(qū)動碳捕集，能夠同步完成石化行業(yè)的廢水減污和煙氣脫碳，并實現(xiàn)高能量效率的碳捕集過程。

3、2.?技術(shù)方案

4、為了解決上述問題，本技術(shù)所采用的技術(shù)方案如下：

5、第一方面，本技術(shù)提供了一種微生物電催化碳捕集膜，該微生物電催化碳捕集膜包括依次復(fù)合的微生物陽極、陰離子交換膜和氣體擴(kuò)散陰極，其中微生物陽極中的微生物包括產(chǎn)電型微生物，產(chǎn)電型微生物是一類可以將自身代謝過程中所產(chǎn)生的電子傳遞給胞外的電子受體的微生物，在有機(jī)物存在下，產(chǎn)電型微生物催化降解有機(jī)物，并釋放出電子、h+；陰離子交換膜用于陰離子在陽極和陰極之間交換，當(dāng)陽極、陰極之間產(chǎn)生電位差時，陰離子由低電位側(cè)跨過陰離子交換膜至高電位側(cè)；氣體擴(kuò)散陰極包括氧還原催化劑，是氣體電催化反應(yīng)的場所，煙氣中共存o2在氧還原催化劑作用下還原產(chǎn)生oh-，這些oh-吸收co2并將其轉(zhuǎn)化為co32-。

6、進(jìn)一步地，上述產(chǎn)電型微生物包括 shewanella屬和/或 geobacter屬微生物。

7、進(jìn)一步地，上述微生物陽極為負(fù)載活性污泥的碳基集流體，該活性污泥來自微生物燃料電池反應(yīng)器。

8、進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的厚度為0.1~0.5?mm。

9、進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的體積密度為0.3~0.5?g/cm3。

10、進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的孔隙率為70~80%。

11、進(jìn)一步地，上述微生物陽極中碳基集流體的電阻率小于100?mω·cm。

12、進(jìn)一步地，上述陰離子交換膜為fumasep?faa-3-pk-75或fumasep?faa-3-pk-130或fumasep?fab-pk-130，上述陰離子交換膜均為德國fumasep公司銷售的陰離子交換膜。

13、進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極包括碳基集流體和氧還原催化劑，氧還原催化劑負(fù)載于碳基集流體上。

14、進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑包括酞菁鐵和/或酞菁錳。

15、進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的厚度為0.1~0.5?mm。

16、進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的體積密度為0.3~0.5?g/cm3。

17、進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的孔隙率為70~80%。

18、進(jìn)一步地，上述氣體擴(kuò)散陰極中碳基集流體的電阻率小于100?mω·cm。

19、進(jìn)一步地，上述微生物電催化碳捕集膜，在微生物陽極復(fù)合有廢水流道網(wǎng)，用于廢水作為廢水的流道。

20、進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。

21、進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0?mm。

22、進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。

23、進(jìn)一步地，上述微生物電催化碳捕集膜，在氣體擴(kuò)散陰極復(fù)合有氣體流道網(wǎng)，用于作為氣體的流道。

24、進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。

25、進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0?mm。

26、進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。

27、第二方面，本技術(shù)提供了一種上述微生物電催化碳捕集膜的制備方法，該方法包括如下步驟：

28、s1，制備微生物陽極

29、利用玻璃微珠將來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥震蕩打散，形成均勻的活性污泥分散液；

30、將活性污泥分散液通過抽濾的方式負(fù)載至碳基集流體上形成微生物陽極；抽濾有助于活性污泥在碳基集流體上快速掛膜，縮短微生物陽極的馴化時間；

31、s2，制備氣體擴(kuò)散陰極

32、將多壁碳納米管和nafion溶液加入無水乙醇溶液中，超聲處理后形成均勻多壁碳納米管分散液；將氧還原催化劑加入無水乙醇溶液中，超聲處理后形成均勻氧還原催化劑分散液；

33、將氧還原催化劑分散液逐滴加入多壁碳納米管分散液，攪拌混勻后形成氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液；

34、將氣體擴(kuò)散陰極前驅(qū)液通過噴涂的方式負(fù)載至碳基集流體上形成氣體擴(kuò)散陰極；

35、s3，制備微生物電催化碳捕集膜

36、按微生物陽極、陰離子交換膜和氣體擴(kuò)散陰極，或廢水流道網(wǎng)、微生物陽極、陰離子交換膜、氣體擴(kuò)散陰極和氣體流道網(wǎng)的順序，復(fù)合形成微生物電催化碳捕集膜。

37、進(jìn)一步地，上述活性污泥分散液中污泥濃度為1.0~10?g/l。

38、進(jìn)一步地，上述碳基集流體上活性污泥的負(fù)載量為10~1000?mg/cm2。

39、進(jìn)一步地，上述震蕩打散包括：向來自微生物燃料電池反應(yīng)器的活性污泥中加入玻璃微珠，震蕩打散。

40、進(jìn)一步地，上述玻璃微珠的平均直徑為10~1000?μm。

41、進(jìn)一步地，上述s1中，碳基集流體的厚度為0.1~0.5?mm。

42、進(jìn)一步地，上述s1中，碳基集流體的體積密度為0.3~0.5?g/cm3。

43、進(jìn)一步地，上述s1中，碳基集流體的孔隙率為70~80%。

44、進(jìn)一步地，上述s1中，碳基集流體的電阻率小于100?mω·cm。

45、進(jìn)一步地，上述多壁碳納米管分散液濃度為0.1~1.0?g/l。

46、進(jìn)一步地，上述nafion溶液濃度為5~20?wt%。

47、進(jìn)一步地，上述nafion溶液投加量與無水乙醇的體積比為1:1000~1:10000。

48、進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑為酞菁鐵和/或酞菁錳。

49、進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑分散液濃度為1.0~100?mg/l。

50、進(jìn)一步地，上述超聲處理時間為2.0~6.0?h。

51、進(jìn)一步地，上述氧還原催化劑分散液的滴加速度為0.1~100?ml/min。

52、進(jìn)一步地，上述s2中，碳基集流體的厚度為0.1~0.5?mm。

53、進(jìn)一步地，上述s2中，碳基集流體的體積密度為0.3~0.5?g/cm3。

54、進(jìn)一步地，上述s2中，碳基集流體的孔隙率為70~80%。

55、進(jìn)一步地，上述s2中，碳基集流體的電阻率小于100?mω·cm。

56、進(jìn)一步地，上述陰離子交換膜為fumasep?faa-3-pk-75或fumasep?faa-3-pk-130或fab-pk-130。

57、進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。

58、進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0?mm。

59、進(jìn)一步地，上述廢水流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。

60、進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的材質(zhì)為聚丙烯或者滌綸。

61、進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的厚度為0.2~2.0?mm。

62、進(jìn)一步地，上述氣體流道網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸為20~100目。

63、第三方面，本技術(shù)提供了一種上述微生物電催化碳捕集膜或其制備方法在廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排中應(yīng)用，該應(yīng)用包括如下步驟：

64、m1，將廢水泵入微生物電催化碳捕集膜的廢水流道網(wǎng)中，微生物陽極上產(chǎn)電型微生物催化降解廢水中有機(jī)物，并釋放出電子、h+和co2，電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f到外部回路中；

65、m2，將脫硫脫硝后的煙氣泵入微生物電催化碳捕集膜的氣體流道網(wǎng)中，電子到達(dá)陰極并在催化劑作用下還原煙氣中o2產(chǎn)生oh-，這些oh-吸收co2并將其轉(zhuǎn)化為co32-，在微生物陽極和氣體擴(kuò)散陰極間的電位差產(chǎn)生的電場力作用下co32-跨過陰離子交換膜，與產(chǎn)電型微生物釋放的h+結(jié)合轉(zhuǎn)化為co2，實現(xiàn)廢水減污與煙氣脫碳的協(xié)同治理。

66、進(jìn)一步地，上述應(yīng)用還包括：

67、m3，將廢水流道網(wǎng)的出水泵入氣提膜，實現(xiàn)廢水中co2的脫出。

68、進(jìn)一步地，上述微生物陽極和氣體擴(kuò)散陰極間還可以外接電源，通過外接電源電壓產(chǎn)生更大電流，加大煙氣中co2捕集速率。

69、進(jìn)一步地，上述廢水在廢水流道網(wǎng)中的水利停留時間為1.0~6.0?h。

70、進(jìn)一步地，上述脫硫脫硝后的煙氣在氣體流道網(wǎng)中的流速為1.0~100?ml/min。

71、進(jìn)一步地，上述氣提膜中液相和氣相壓差控制在1~100?kpa。

72、進(jìn)一步地，上述應(yīng)用包括：用于石化行業(yè)廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排。

73、3.?有益效果

74、本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

75、（1）本技術(shù)提供了一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用，微生物陽極中的微生物包括產(chǎn)電型微生物，產(chǎn)電型微生物能夠催化降解廢水中有機(jī)物，并釋放出h+、co2和電子，電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f，經(jīng)外部回路到達(dá)氣體擴(kuò)散陰極界面，不僅將廢水中有機(jī)物降解成用于進(jìn)一步反應(yīng)的h+和可回收的co2，實現(xiàn)了廢水減污處理；同時產(chǎn)生的電子還實現(xiàn)了微生物電自驅(qū)動碳捕集，無需外加電源，可最大限度地降低碳捕集能耗。

76、（2）本技術(shù)提供了一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用，產(chǎn)電型微生物釋放的電子通過微生物陽極界面?zhèn)鬟f經(jīng)外部回路到達(dá)氣體擴(kuò)散陰極界面，在氧還原催化劑作用下還原煙氣中o2產(chǎn)生oh-，這些oh-吸收co2并將其轉(zhuǎn)化為co32-；在電場作用下co32-跨過陰離子交換膜，與產(chǎn)電型微生物釋放的h+結(jié)合轉(zhuǎn)化為co2，實現(xiàn)了廢水減污與煙氣脫碳的協(xié)同治理。

77、（3）本技術(shù)提供了一種微生物電催化碳捕集膜及其制備方法與應(yīng)用，可以根據(jù)廢水、煙氣的處理量進(jìn)行并聯(lián)使用，應(yīng)用于不同場景，便于推廣使用。將其用于石化行業(yè)廢水減污和煙氣脫碳的協(xié)同減排，能夠顯著降低碳捕集能耗，實現(xiàn)了9.7?kj·mol-1co2的能耗從8.5%?co2的煙氣中直接捕集co2。由公式（1）可知，從8.5%?co2的煙氣中捕集co2的最小分離功為6.1?kj·mol-1co2。因此，本技術(shù)的碳捕集過程實現(xiàn)了63%能量效率，已超過當(dāng)前最先進(jìn)的ecc碳捕集過程。