專利名稱：一種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到微生物發(fā)酵制氫領(lǐng)域，具體的說是ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置。
背景技術(shù)：
隨著化石能源枯竭、環(huán)境污染加劇，氫能以其熱值高，燃燒后無污染被視為最理想的替代能源。在眾多制氫方法中，厭氧發(fā)酵制氫反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單，而且可利用的原料來源廣泛，從而受到關(guān)注。如何解決發(fā)酵尾氣中氫氣的分離是發(fā)酵制氫技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。發(fā)酵尾氣中除了目標(biāo)產(chǎn)物氫氣外，還大量存在副產(chǎn)物ニ氧化碳，目前的處理方法是通過堿液吸收除去ニ氧化碳，再經(jīng)過分子篩干燥，エ藝復(fù)雜，浪費(fèi)了堿，又產(chǎn)生了廢液污染，成本也高。傳統(tǒng)的氣體分離方法如深冷分離、變壓吸附等，存在著流程復(fù)雜、能耗高、設(shè)備投資大等缺點(diǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)在處理發(fā)酵制氫中產(chǎn)生的尾氣時(shí)エ藝復(fù)雜、設(shè)備投資大、處理成本高的問題，本實(shí)用新型提供了ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為一種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，主要由尾氣緩沖罐、氣相色譜儀、離子液體支撐液膜和尾氣分離罐組成，所述的離子液體支撐液膜水平設(shè)置在尾氣分離罐的內(nèi)部，且離子液體支撐液膜將尾氣分離罐分隔成下部的進(jìn)氣側(cè)氣體腔和上部的透過側(cè)氣體腔兩個(gè)單獨(dú)的腔室，其中，透過側(cè)氣體腔的頂部設(shè)有透過側(cè)氣體出口，進(jìn)氣側(cè)氣體腔底部的兩端分別設(shè)有進(jìn)氣側(cè)氣體出口和進(jìn)氣側(cè)氣體入ロ，進(jìn)氣側(cè)氣體入口通過管道與尾氣緩沖罐底部的發(fā)酵尾氣出口連接，尾氣緩沖罐的外部包覆有加熱帶，尾氣緩沖罐的頂部設(shè)有發(fā)酵尾氣入口 ；所述氣相色譜儀的進(jìn)樣系統(tǒng)分別與透過側(cè)氣體腔和尾氣緩沖罐內(nèi)連通，尾氣緩沖罐和進(jìn)氣側(cè)氣體腔上均設(shè)有壓力表和PID溫控儀。利用所述的分離裝置分離發(fā)酵制氫產(chǎn)生的尾氣中氫氣的方法，包括以下步驟I)制備離子液體支撐液膜先將孔徑為0. 1-1微米的高分子膜放在壓膜器中，再將離子液體注入壓膜器中并使其液面高出膜面4-5cm，在液面上方通過惰性氣體施加L 5-2Kgf/cm2的壓力，同時(shí)保持膜面下方的真空度為0. 04-0. 06Mpa，使離子液體在壓力作用下進(jìn)入膜孔，并流出壓膜器；重復(fù)上述加入離子液體、上部施壓、下部抽真空的操作2-8次，然后取出高分子膜并在真空度為0. 02-0. 08MPa、溫度為60_90°C的條件下真空干燥6_24小吋，即制得離子液體支撐液膜；所述的高分子膜為聚こ烯膜、聚砜膜、聚丙烯腈膜或聚酰亞胺膜；所述的離子液體，其陽(yáng)離子為烷基咪唑基團(tuán)或烷基吡啶基團(tuán)，陰離子為甲酸根、こ酸根、氟硼酸根或氟磷酸根；2)將步驟I制得的離子液體支撐液膜放入權(quán)利要求I所述的分離裝置中，然后打開尾氣緩沖罐外部包覆的加熱帶，通過PID溫控儀監(jiān)控尾氣緩沖罐內(nèi)部的溫度變化，并保持尾氣緩沖罐內(nèi)溫度為20-60°C ；3)通過發(fā)酵尾氣入口向尾氣緩沖罐內(nèi)持續(xù)通入發(fā)酵尾氣，當(dāng)壓カ表顯示尾氣緩沖罐內(nèi)壓強(qiáng)為50-200KPa時(shí)，打開尾氣緩沖罐上的發(fā)酵尾氣出口，使尾氣緩沖罐內(nèi)的發(fā)酵尾氣依次通過發(fā)酵尾氣出口和管道進(jìn)入到尾氣分離罐內(nèi)的進(jìn)氣側(cè)氣體腔中；4)當(dāng)壓カ表監(jiān)測(cè)到進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的壓強(qiáng)為40_100KPa時(shí)，打開進(jìn)氣側(cè)氣體腔上的進(jìn)氣側(cè)氣體出口和透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出ロ，并通過氣相色譜儀檢測(cè)透過側(cè)氣體腔內(nèi)的氣體成分以判定分離出的氫氣的出口，然后在進(jìn)氣側(cè)氣體出ロ處或透過側(cè)氣體出ロ處收集逸出的氫氣。所述的高分子膜優(yōu)選為聚砜膜或聚丙烯腈膜；所述的離子液體優(yōu)選為I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸離子液或I-丁基-3-甲基咪唑甲酸離子液。本實(shí)用新型利用氫氣和ニ氧化碳在離子液體中滲透能力的差異實(shí)現(xiàn)氫氣和ニ氧化碳的分離，同時(shí)，氫氣與ニ氧化碳的在離子液體的滲透能力受溫度、壓力、離子液體的結(jié)構(gòu)等多方面的影響為了提高離子液體支撐液膜的分離效果，不僅需要保證進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的氣體壓力，同時(shí)也盡可能的減小離子液體支撐液膜前后的壓カ差，因此，在透過側(cè)氣體腔上也設(shè)有用于監(jiān)控內(nèi)部壓カ變化的壓カ表；壓カ是最重要的控制參數(shù)，它不僅與離子液體支撐液膜穩(wěn)定性密切相關(guān)，壓カ過高會(huì)破壞液膜，同時(shí)還影響離子液體液膜的分離能力，壓カ過高或過低液膜的分離選擇性都會(huì)下降，因此，需要在透過側(cè)氣體腔和進(jìn)氣側(cè)氣體腔上設(shè)置壓力表，以便監(jiān)控內(nèi)部壓カ變化并及時(shí)調(diào)整；由于發(fā)酵過程氣體的產(chǎn)生速度是不一樣的，直接進(jìn)入膜分離裝置，進(jìn)氣 壓力不能保持恒定，因此需要設(shè)置尾氣緩沖罐，使進(jìn)氣壓力保持在一定范圍；溫度也是本實(shí)用新型需重點(diǎn)控制的參數(shù)，它影響氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)和離子液體的黏度，從而影響離子液體支撐液膜的分離選擇性，加熱帶的作用就是控溫，使氣體保持在一定的溫度范圍內(nèi)，便于分離過程的進(jìn)行；在尾氣緩沖罐和進(jìn)氣側(cè)氣體腔外部均包覆有加熱帶，尾氣緩沖罐內(nèi)的氣體被加熱，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，加熱后的氣體在進(jìn)入到尾氣分離罐的進(jìn)氣側(cè)氣體腔后溫度會(huì)降低，因此控制進(jìn)氣側(cè)氣體腔外部的加熱帶加熱，保證進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)氣體的溫度在30-40°C，以提高分離效率。本實(shí)用新型中，氣相色譜儀的作用是在線監(jiān)測(cè)進(jìn)料和出料的氣體組成，監(jiān)控分離過程；離子液體支撐液膜為平板膜或中空纖維膜。有益效果本實(shí)用新型利用氫氣和ニ氧化碳在離子液體中滲透能力的差異實(shí)現(xiàn)氫氣和ニ氧化碳的分離，并將其應(yīng)用的發(fā)酵制氫尾氣中氫氣的分離上，設(shè)備和エ藝簡(jiǎn)單，條件溫和，克服了傳統(tǒng)エ藝能耗高、設(shè)備投資大的缺點(diǎn)，并且不會(huì)產(chǎn)生廢液等污染，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。

[0023]圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為壓膜器的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖標(biāo)記1、發(fā)酵尾氣入口，2、加熱帶，3、尾氣緩沖罐，4、壓カ表，5、氣相色譜儀，
6、離子液體支撐液膜，7、PID溫控儀，8、進(jìn)氣側(cè)氣體出口，9、透過側(cè)氣體出口，10、尾氣分離罐，10-1、進(jìn)氣側(cè)氣體腔，10-2、透過側(cè)氣體腔。
具體實(shí)施方式
如圖I所示，ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，主要由尾氣緩沖罐3、氣相色譜儀
5、離子液體支撐液膜6和尾氣分離罐10組成，所述的離子液體支撐液膜6水平設(shè)置在尾氣分離罐10的內(nèi)部，且離子液體支撐液膜6將尾氣分離罐10分隔成下部的進(jìn)氣側(cè)氣體腔10-1和上部的透過側(cè)氣體腔10-2兩個(gè)單獨(dú)的腔室，其中，透過側(cè)氣體腔10-2的頂部設(shè)有透過側(cè)氣體出ロ 9，進(jìn)氣側(cè)氣體腔10-1底部的兩端分別設(shè)有進(jìn)氣側(cè)氣體出ロ 8和進(jìn)氣側(cè)氣體入口，進(jìn)氣側(cè)氣體入口通過管道與尾氣緩沖罐3底部的發(fā)酵尾氣出口連接，尾氣緩沖罐3的外部包覆有加熱帶2，尾氣緩沖罐3的頂部設(shè)有發(fā)酵尾氣入口 I ;所述氣相色譜儀5的進(jìn)樣系統(tǒng)分別與透過側(cè)氣體腔10-2和尾氣緩沖罐3內(nèi)連通，尾氣緩沖罐3和進(jìn)氣側(cè)氣體腔10-1上均設(shè)有壓力表4和PID溫控儀7，進(jìn)氣側(cè)氣體腔10-1外部也包覆有加熱帶，透過側(cè)氣體腔10-2上也設(shè)有壓力表；所述的離子液體支撐液膜6為平板膜或中空纖維素膜。下面以分離氫氣和ニ氧化碳的混合氣體為例對(duì)使用該裝置分離發(fā)酵制氫產(chǎn)生的尾氣做進(jìn)一歩的闡述，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不僅限于此。實(shí)施例II)制備離子液體支撐液膜先將孔徑為0. 4微米的聚砜膜放在如圖2所示的壓膜器中，再將I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸離子液注入壓膜器中并使其液面高出膜面4-5cm，在液面上方通過惰性氣體施加I. 5Kgf/cm2的壓力，同時(shí)保持膜面下方的真空度為0. 04Mpa，使離子液體在壓力作用下進(jìn)入膜孔，并流出壓膜器；重復(fù)上述加入離子液體、上部施壓、下部抽真空的操作8次，然后取出高分子膜并在真空度為0. 02MPa、溫度為90°C的條件下真空干燥24小吋，即制得離子液體支撐液膜；2)將步驟I制得的離子液體支撐液膜放入圖I所示的分離裝置中，然后打開尾氣緩沖罐外部包覆的加熱帶和進(jìn)氣側(cè)氣體腔外部的加熱帶,并通過PID溫控儀監(jiān)控兩者內(nèi)部的溫度變化，并保持尾氣緩沖罐內(nèi)溫度為60°C，進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的溫度40°C ；3)通過發(fā)酵尾氣入口向尾氣緩沖罐內(nèi)持續(xù)通入混合氣體(其中氫氣40%，ニ氧化碳60%)，當(dāng)壓カ表顯示尾氣緩沖罐內(nèi)壓強(qiáng)為IOOKPa時(shí)，打開尾氣緩沖罐上的發(fā)酵尾氣出口，使尾氣緩沖罐內(nèi)的混合氣體依次通過發(fā)酵尾氣出口和管道進(jìn)入到尾氣分離罐內(nèi)的進(jìn)氣側(cè)氣體腔中；4)當(dāng)壓カ表監(jiān)測(cè)到進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的壓強(qiáng)為50KPa時(shí)，打開進(jìn)氣側(cè)氣體腔上的進(jìn)氣側(cè)氣體出口和透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出ロ，然后在進(jìn)氣側(cè)氣體腔上的進(jìn)氣側(cè)氣體出ロ處收集逸出的氣體，經(jīng)檢測(cè)，該氣體中氫氣濃度可達(dá)88%，分離因子為12。實(shí)施例2I)制備離子液體支撐液膜[0037]先將孔徑為0.2微米的聚丙烯睛膜放在如圖2所示的壓膜器中，再將I-丁基-3-甲基咪唑こ酸離子液注入壓膜器中并使其液面高出膜面4-5cm，在液面上方通過惰性氣體施加2Kgf/cm2的壓力，同時(shí)保持膜面下方的真空度為0. 06Mpa，使離子液體在壓力作用下進(jìn)入膜孔，并流出壓膜器；重復(fù)上述加入離子液體、上部施壓、下部抽真空的操作2次，然后取出高分子膜并在真空度為0. 08MPa、溫度為60°C的條件下真空干燥6小吋，即制得離子液體支撐液膜；2)將步驟I制得的離子液體支撐液膜放入圖I所示的分離裝置中，然后打開尾氣緩沖罐外部包覆的加熱帶和進(jìn)氣側(cè)氣體腔外部的加熱帶,并通過PID溫控儀監(jiān)控兩者內(nèi)部的溫度變化，并保持尾氣緩沖罐內(nèi)溫度為20°C，進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的溫度35°C ；3)通過發(fā)酵尾氣入口向尾氣緩沖罐內(nèi)持續(xù)通入混合氣體(其中氫氣50%，ニ氧化碳50%)，當(dāng)壓カ表顯示尾氣緩沖罐內(nèi)壓強(qiáng)為150KPa時(shí)，打開尾氣緩沖罐上的發(fā)酵尾氣出口，使尾氣緩沖罐內(nèi)的混合氣體依次通過發(fā)酵尾氣出口和管道進(jìn)入到尾氣分離罐內(nèi)的進(jìn)氣側(cè)氣體腔中； 4)當(dāng)壓カ表監(jiān)測(cè)到進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的壓強(qiáng)為70KPa時(shí)，打開進(jìn)氣側(cè)氣體腔上的進(jìn)氣側(cè)氣體出口和透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出ロ，然后在透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出口處收集逸出的氣體，經(jīng)檢測(cè)，該氣體中氫氣濃度可達(dá)84%，分離因子為5。實(shí)施例3I)制備離子液體支撐液膜先將孔徑為0. I微米的聚こ烯膜放在如圖2所示的壓膜器中，再將I-こ基-3-甲基咪唑甲酸離子液注入壓膜器中并使其液面高出膜面4-5cm，在液面上方通過惰性氣體施加I. 7Kgf/cm2的壓力，同時(shí)保持膜面下方的真空度為0. 05Mpa，使離子液體在壓力作用下進(jìn)入膜孔，并流出壓膜器；重復(fù)上述加入離子液體、上部施壓、下部抽真空的操作5次，然后取出高分子膜并在真空度為0. 05MPa、溫度為75°C的條件下真空干燥15小吋，即制得離子液體支撐液膜；2)將步驟I制得的離子液體支撐液膜放入圖I所示的分離裝置中，然后打開尾氣緩沖罐外部包覆的加熱帶和進(jìn)氣側(cè)氣體腔外部的加熱帶,并通過PID溫控儀監(jiān)控兩者內(nèi)部的溫度變化，并保持尾氣緩沖罐內(nèi)溫度為40°C，進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的溫度30°C ；3)通過發(fā)酵尾氣入口向尾氣緩沖罐內(nèi)持續(xù)通入混合氣體(其中氫氣60%，ニ氧化碳40%)，當(dāng)壓カ表顯示尾氣緩沖罐內(nèi)壓強(qiáng)為200KPa時(shí)，打開尾氣緩沖罐上的發(fā)酵尾氣出口，使尾氣緩沖罐內(nèi)的混合氣體依次通過發(fā)酵尾氣出口和管道進(jìn)入到尾氣分離罐內(nèi)的進(jìn)氣側(cè)氣體腔中；4)當(dāng)壓カ表監(jiān)測(cè)到進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的壓強(qiáng)為IOOKPa時(shí)，打開進(jìn)氣側(cè)氣體腔上的進(jìn)氣側(cè)氣體出口和透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出ロ，然后在透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出口處收集逸出的氣體，經(jīng)檢測(cè)，該氣體中氫氣濃度可達(dá)86%，分離因子為6。實(shí)施例4I)制備離子液體支撐液膜先將孔徑為I微米的聚酰亞胺放在如圖2所示的壓膜器中，再將I-こ基吡啶六氟磷酸離子液注入壓膜器中并使其液面高出膜面4-5cm，在液面上方通過惰性氣體施加2Kgf/cm2的壓力，同時(shí)保持膜面下方的真空度為0. 06Mpa，使離子液體在壓力作用下進(jìn)入膜孔，并流出壓膜器；重復(fù)上述加入離子液體、上部施壓、下部抽真空的操作6次，然后取出高分子膜并在真空度為0. 02MPa、溫度為80°C的條件下真空干燥18小吋，即制得離子液體支撐液膜；2)將步驟I制得的離子液體支撐液膜放入圖I所示的分離裝置中，然后打開尾氣緩沖罐外部包覆的加熱帶和進(jìn)氣側(cè)氣體腔外部的加熱帶,并通過PID溫控儀監(jiān)控兩者內(nèi)部的溫度變化，并保持尾氣緩沖罐內(nèi)溫度為30°C，進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的溫度40°C ；3)通過發(fā)酵尾氣入口向尾氣緩沖罐內(nèi)持續(xù)通入混合氣體(其中氫氣40%，ニ氧化碳60%)，當(dāng)壓カ表顯示尾氣緩沖罐內(nèi)壓強(qiáng)為50KPa吋，打開尾氣緩沖罐上的發(fā)酵尾氣出ロ，使尾氣緩沖罐內(nèi)的混合氣體依次通過發(fā)酵尾氣出口和管道進(jìn)入到尾氣分離罐內(nèi)的進(jìn)氣側(cè)氣 體腔中；4)當(dāng)壓カ表監(jiān)測(cè)到進(jìn)氣側(cè)氣體腔內(nèi)的壓強(qiáng)為40KPa時(shí)，打開進(jìn)氣側(cè)氣體腔上的進(jìn)氣側(cè)氣體出口和透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出ロ，然后在透過側(cè)氣體腔上的透過側(cè)氣體出ロ處收集逸出的氣體，經(jīng)檢測(cè)，該氣體中氫氣濃度可達(dá)90%，分離因子為15。
權(quán)利要求1.ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，其特征在于主要由尾氣緩沖罐(3)、氣相色譜儀(5)、離子液體支撐液膜(6)和尾氣分離罐(10)組成，所述的離子液體支撐液膜(6)水平設(shè)置在尾氣分離罐(10)的內(nèi)部，且離子液體支撐液膜(6)將尾氣分離罐(10)分隔成下部的進(jìn)氣側(cè)氣體腔(10-1)和上部的透過側(cè)氣體腔(10-2)兩個(gè)單獨(dú)的腔室，其中，透過側(cè)氣體腔(10-2)的頂部設(shè)有透過側(cè)氣體出ロ(9)，進(jìn)氣側(cè)氣體腔(10-1)底部的兩端分別設(shè)有進(jìn)氣側(cè)氣體出ロ(8)和進(jìn)氣側(cè)氣體入口，進(jìn)氣側(cè)氣體入口通過管道與尾氣緩沖罐(3)底部的發(fā)酵尾氣出口連接，尾氣緩沖罐(3)的外部包覆有加熱帶(2)，尾氣緩沖罐(3)的頂部設(shè)有發(fā)酵尾氣入口(I);所述氣相色譜儀(5)的進(jìn)樣系統(tǒng)分別與透過側(cè)氣體腔(10-2)和尾氣緩沖罐(3)內(nèi)連通，尾氣緩沖罐(3)和進(jìn)氣側(cè)氣體腔(10-1)上均設(shè)有壓力表(4)和PID溫控儀(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，其特征在于所述的透過側(cè)氣體腔(10-2)上也設(shè)有壓力表。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，其特征在于所述的進(jìn)氣側(cè)氣體腔(10-1)外部也包覆有加熱帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，其特征在于所述的離子液體支撐液膜(6)為平板膜或中空纖維膜。
專利摘要一種發(fā)酵制氫中氫氣的分離裝置，尾氣分離罐內(nèi)部的離子液體支撐液膜將尾氣分離罐分隔成進(jìn)氣側(cè)氣體腔和透過側(cè)氣體腔，透過側(cè)氣體腔上設(shè)有透過側(cè)氣體出口，進(jìn)氣側(cè)氣體腔上設(shè)有進(jìn)氣側(cè)氣體出口和與尾氣緩沖罐連接的進(jìn)氣側(cè)氣體入口，尾氣緩沖罐的外部包覆有加熱帶；氣相色譜儀分別與透過側(cè)氣體腔和尾氣緩沖罐連接，尾氣緩沖罐和進(jìn)氣側(cè)氣體腔上均設(shè)有壓力表和PID溫控儀。本實(shí)用新型利用氫氣和二氧化碳在離子液體中滲透能力的差異實(shí)現(xiàn)氫氣和二氧化碳的分離，并將其應(yīng)用的發(fā)酵制氫尾氣中氫氣的分離上，設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，條件溫和，克服了傳統(tǒng)工藝能耗高、設(shè)備投資大的缺點(diǎn)，并且不會(huì)產(chǎn)生廢液等污染，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01D61/38GK202657954SQ20122035377
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月20日
發(fā)明者劉振, 王鍵吉, 常慶輝, 陳競(jìng)一, 張輝, 孫鮮明, 馬建華 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)