一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法。该方法包括以下步骤：1)将短链脂肪酸的水溶液和半导体光催化剂混合，得到混合液；2)在紫外光或可见光照射下，将混合液在无氧、温度为30～70℃的条件下进行光催化反应，即得混合气体。该方法是以水溶液中低浓度的短链脂肪酸为光催化反应的牺牲剂，通过光催化反应制备烷烃和氢气。该方法可以将厌氧发酵制取氢气的废液中短链脂肪酸转化为烷烃和氢气，也可用于将其他废水中低浓度的短链脂肪酸转化为烷烃和氢气，具有简单、高效、绿色友好、成本低等优点。

Method for preparing alkane and hydrogen gas by utilizing short chain fatty acid in water solution

The present invention relates to a method for preparing alkane and hydrogen gas by using short chain fatty acid in aqueous solution. The method comprises the following steps: 1) the short chain fatty acid aqueous solution and semiconductor photocatalyst hybrid, and obtain a mixed solution; 2) under UV or visible light irradiation, the mixed liquid in the anaerobic, temperature is 30 to 70 DEG C for photocatalytic reaction under the conditions of the mixed gas. The method is to prepare alkane and hydrogen by photocatalytic reaction with low concentration of short chain fatty acid in aqueous solution as photocatalytic agent. This method can be used for short chain fatty acids into alkanes and hydrogen in wastewater anaerobic fermentation to produce hydrogen, can also be used to short chain fatty acid conversion of low concentration wastewater for other alkanes and hydrogen, which is simple, efficient, environmental friendly and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法
本专利技术属于半导体光催化
，具体涉及一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法。
技术介绍
能源短缺和环境污染是我国经济和社会发展面临的两大难题，我国的能源结构中70％依靠煤和石油等化石能源，清洁能源的比重较小。而化石能源的大量使用，带来严重环境污染问题。为了摆脱能源和环境问题两大难题，必须大量发展清洁、可再生的新能源。相对化石能源而言，烷烃、氢气是相对清洁、可再生能源载体，是21世纪清洁能源发展方向。传统烷烃、氢气的制取还是主要依靠煤、石油、天然气等不可再生化石能源，只有很少量甲烷来源微生物。相对化石能源来说，生物质、固体有机废弃物、高浓度有机废水是制取氢气和烷烃可再生资源，在前期基于上述可再生资源制取氢气研究中，生物制氢后的废液含有低浓度短链脂肪酸，该脂肪酸需要继续利用，从而提高单位生物质氢气的转化率。目前，从该废液中分离这些低浓度短链脂肪酸(0.1～2g/L)非常不经济，因此，急需开发一些新技术来充分利用这部分短链脂肪酸。在如何利用这些脂肪酸的研究中，传统方法是用甲烷细菌把这些短链脂肪酸转化为甲烷，由于脂肪酸的浓度很低，转化效率比较低，且甲烷细菌易受到重金属、毒物、pH等影响。另一种方法是采用光合细菌在无氧条件下将这些短链脂肪酸转化为氢气，光合细菌培养成本比较高，转化时间比较长，经济效益也不理想。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，从而解决现有技术中，生物制氢废液中低浓度短链脂肪酸的利用存在的转化成本高、转化效率低的问题。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，包括以下步骤：1)将短链脂肪酸的水溶液和半导体光催化剂混合，得到混合液；2)在紫外光或可见光照射下，将混合液在无氧、温度为30～70℃的条件下进行光催化反应，即得混合气体。所述短链脂肪酸的碳原子数为2～6个。优选的，所述短链脂肪酸为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸中的一种或组合。所述半导体光催化剂为TiO2、SnO2、WO3、Cu2O、Bi2WO6中的一种或组合。所述半导体光催化剂的形貌不限；优选的，半导体光催化剂的粒径为50～500nm。优选的，半导体光催化剂以固体悬浮在混合液中，以实现半导体光催化剂良好分散并使光催化反应平稳进行。可采用超声分散来达到上述目的。优选的，混合液的pH＝4～6。所述混合液中，短链脂肪酸的浓度为0.1～3.0g/L。短链脂肪酸与半导体催化剂的质量比为0.1～3.0：0.1～1.0。紫外光的光源的功率为300～500W，可见光的光源的功率为300～500W。紫外光源可选择高压汞灯，可见光源可选择高压氙灯。在所述光催化反应中，可通过通入氮气或其他惰性气体的方法使光催化反应在无氧条件下进行。光催化反应的温度为30～70℃，可通过循环水或其他方式来控制反应温度，温度越高，光催化效率越高。所述光催化反应的时间为2h～24h。反应时间的长短与短链脂肪酸的种类和浓度有关，可通过排水集气法收集反应产生的气体并判断光催化反应是否结束。混合气体经碱液吸收除去二氧化碳后得到烷烃和氢气。所产生的气体由氢气、烷烃、二氧化碳构成，烷烃包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，二氧化碳经碱液吸收后，即可得到高价值清洁能源-烷烃和氢气。气体产物的构成取决于短链脂肪酸的种类和浓度。本专利技术的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，是利用半导体光催化技术制备清洁能源，半导体光催化剂吸收光子能量生成光生电子和光生空穴，水溶液中低浓度的短链脂肪酸作为光催化反应的牺牲剂不断消耗光生空穴，使光催化反应不断进行下去；在光催化反应的控制条件下，该方法可以将厌氧发酵制取氢气的废液中短链脂肪酸转化为烷烃和氢气，也可用于将其他废水中低浓度的短链脂肪酸转化为烷烃和氢气，在深度降解废水同时回收可观可再生能源。该方法具有简单、高效、绿色友好、成本低等优点，潜在用途是利用太阳能将废水中的低浓度的短链脂肪酸转化为清洁能源。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明。光催化反应的装置可由光催化反应器、内置光源(也可采用外置照射光源)、冷却器、温度控制系统、排水气体收集装置连接而成。光催化反应器带有电磁搅拌或自循环气体搅拌。光催化反应时，可控制混合液的体积占光催化反应器体积的3/4，余下体积为气体空间。半导体光催化剂中，TiO2、SnO2、WO3、Cu2O、Bi2WO6的粒径均为50～500nm。Bi2WO6可通过以下方法制备：称取1.6495g(5mmol)Na2WO4·2H2O加入60mLH2O中，搅拌30min，加入4.851g(10mmol)Bi(NO3)3·5H2O，搅拌2.5h，形成悬浮液；称取2gPVP加入到悬浮液中，继续搅拌1.5h，转入到高压反应釜，在180℃水热反应18h，冷却至室温，用无水乙醇和蒸馏水洗涤，60℃烘干即得。实施例1本实施例的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，采用以下步骤：1)将半导体光催化剂Cu2O和水混合，得到悬浮液；向悬浮液中加入乙酸作为短链脂肪酸，通氮气30min排除空气，得到混合液；混合液中，乙酸的浓度为1.0g/L，Cu2O的浓度为0.1g/L，混合液的pH＝6；2)在300W高压汞灯的照射下，将混合液在无氧、60℃下进行光催化反应，反应时间为4h，即得混合气体。期间，每隔10～20min采用排水集气法收集光催化反应产生的气体，利用气相色谱仪分析烷烃和氢气含量。该实施例中，乙酸的降解率为68％，光催化反应产生的混合气体由烷烃、氢气和二氧化碳组成，二氧化碳用碱液除去后，得到甲烷110ml、乙烷30ml、丙烷5ml、氢气20ml。实施例2本实施例的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，采用以下步骤：1)将半导体光催化剂Bi2WO6和水混合，得到悬浮液；向悬浮液中加入丙酸作为短链脂肪酸，通氮气30min排除空气，得到混合液；混合液中，丙酸的浓度为1.0g/L，Bi2WO6的浓度为0.1g/L，混合液的pH＝5；2)在300W高压汞灯的照射下，将混合液在无氧、65℃下进行光催化反应，反应时间为4h，即得混合气体。期间，每隔10～20min采用排水集气法收集光催化反应产生的气体，利用气相色谱仪分析烷烃和氢气含量。该实施例中，丙酸的降解率为72％，光催化反应产生的混合气体由烷烃、氢气和二氧化碳组成，二氧化碳用碱液除去后，得到甲烷6ml、乙烷170ml、丙烷4ml、丁烷100ml、氢气50ml。实施例3本实施例的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，采用以下步骤：1)将半导体光催化剂Cu2O/TiO2和水混合，得到悬浮液；向悬浮液中加入丁酸作为短链脂肪酸，通氮气30min排除空气，得到混合液；混合液中，丁酸的浓度为3.0g/L，Cu2O/TiO2的浓度均为0.1g/L，混合液的pH＝4；2)在300W高压汞灯的照射下，将混合液在无氧、65℃下进行光催化反应，反应时间为4h，即得混合气体。期间，每隔10～20min采用排水集气法收集光催化反应产生的气体，利用气相色谱仪分析烷烃和氢气含量。该实施例中，丁酸的降解率为65％，光催化反应产生的混合气体由烷烃、氢气和二氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将短链脂肪酸的水溶液和半导体光催化剂混合，得到混合液；2)在紫外光或可见光照射下，将混合液在无氧、温度为30～70℃条件下进行光催化反应，即得混合气体。

【技术特征摘要】
1.一种利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将短链脂肪酸的水溶液和半导体光催化剂混合，得到混合液；2)在紫外光或可见光照射下，将混合液在无氧、温度为30～70℃条件下进行光催化反应，即得混合气体。2.如权利要求1所述的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，其特征在于，所述短链脂肪酸的碳原子数为2～6个。3.如权利要求2所述的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，其特征在于，所述短链脂肪酸为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸中的一种或组合。4.如权利要求1所述的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，其特征在于，步骤1)中，所述混合液中，短链脂肪酸的浓度为0.1～3.0g/L。5.如权利要求1所述的利用水溶液中短链脂肪酸制备烷烃和氢气的方法，其特征在于，步骤1)中，混合液的pH＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑先君，魏丽芳，陈庆涛，王焕新，秦笑梅，李翠玲，赵梦，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41