本发明涉及化工废水处理技术和新能源，特别是涉及利用酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置及工艺。
背景技术：
1、随着城市化的快速发展，工业用水的剧增导致废水的种类和数量迅猛增加，从而引起日趋广泛和严重的水体污染现象，甚至对人类的安全和健康造成了很大的威胁。工业废水的排放量大，污染范围广，排放来源广泛，主要来自于石化、纺织、钢铁和电镀等工业，形成了成分复杂，种类繁多，浓度各异，有毒刺激的工业废水。高浓度酸碱度的工业废水由于可生化性差，难以处理成为我国水环境安全的重要威胁。目前工业废酸废碱废水的处理主要有中和法、离子交换法以及化学转化法等。作为现阶段新兴水资源发展的重要一环，工业废水再生利用也是我国减少工业废水排放的重要举措。
2、甲烷作为一种主要的温室气体和众多工业化学品的源头原料，将其转换为高附加值化学品(例如甲醇、乙醇等有机物)被认为是缓解温室效应的重要手段。作为传统甲烷水蒸气重整技术的新兴替代技术，电催化甲烷转换技术可以在室温下实现甲烷的转化，可以有效缓解传统工艺带来的经济成本和环境压力。而且电催化甲烷转化技术可以定向地将甲烷转化为醇类和有机酸等小分子产物，可作为源头原料合成高附加值化学品例如乙醛、乙醚、乙酸乙酯及乙胺等物质，也可投入到餐饮、洗护、染料和燃料等行业。目前，通过电催化实现甲烷的转换需要至少2.0v(vs.sce)电能的输入才能实现甲烷的转化，所以如何降低转换过程的过电势也是目前研究的重点。
技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置及工艺，避免了常规工业行业中将低浓度酸碱度废水中和处理排放损失废酸废碱中储存的化学能，以及因为剧烈中和会即刻生成大量沉淀需要进一步的后续分离和处理的问题，且本发明利用酸碱不对称电解槽将废酸废碱溶液中储存的化学能转换为电能，以辅助驱动电催化甲烷转化反应，同时生产氢气。
2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，包括至少一对电催化电极对，所述电催化电极对包括电催化甲烷转化电极和析氢对电极，所述电催化甲烷转化电极作为阳极设于废碱溶液中，所述析氢对电极作为阴极设于废酸溶液中，所述废酸溶液与所述废碱溶液之间设置有离子交换膜，使废酸溶液与废碱溶液隔开形成废酸电解槽和废碱电解槽，所述废碱电解槽底部还设有甲烷曝气管，所述电催化甲烷转化电极、析氢对电极与外接电源相连。
3、本发明的一些实施例中，所述电催化电极对多于一对时，各对所述电催化电极对之间串联连接。
4、本发明的一些实施例中，所述电催化甲烷转化电极电选自nio/ni、nio-zro2、改性nio、zro2、coo2、fe2o3中的一种。
5、本发明的一些实施例中，所述析氢对电极选自铂电极、掺铂石墨烯、镍片、不锈钢网中的一种。
6、本发明的一些实施例中，所述电催化甲烷转化电极和析氢对电极可以为膜电极。
7、本发明的一些实施例中，所述废酸电解槽、废碱电解槽为具有耐酸碱腐蚀性的材料。
8、本发明的一些实施例中，所述电催化甲烷转化电极与所述析氢对电极之间的间距为1～10cm。
9、本发明的一些实施例中，所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换摸或双极膜中的一种。
10、本发明的一些实施例中，所述装置还包括氢气收集设备。
11、本发明的一些实施例中，所述装置还包括氢气检测设备。
12、本发明的一些实施例中，所述装置还包括循环泵，使废酸电解槽中的废酸溶液与废碱电解槽中的废碱溶液均能够各自从外置储液罐流动循环更新或从废液源处得到不断补充。
13、本发明的一些实施例中，所述废酸溶液为含有大量游离h+或者吸附/消耗oh-的溶液。
14、本发明的一些实施例中，所述废碱溶液为含有大量游离oh-或者吸附/消耗h+的溶液。
15、本发明还提供一种利用酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置电催化甲烷转化并制备氢气的工艺，将废酸溶液引入废酸电解槽中，将废碱溶液引入废碱电解槽中，在废碱电解槽中通入甲烷，开启电源对电催化甲烷转化电极和析氢对电极通电，废碱电解槽和废酸电解槽中分别利用酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化和氢气析出。
16、如上所述，本发明的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置及工艺，具有以下有益效果：
17、1)本发明的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置采用工业废酸废碱中储存的化学能作为甲烷电催化转化并协同制氢的部分驱动能，使得甲烷电催化转化协同制氢的过程中，节约部分电能的输入，充分利用含有废酸废碱的工业废水，将其作为二次原材料，实现节约能源，降低能耗。
18、2)本发明的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置以外接电源和废酸废碱中储存的化学能共同作为驱动能，构成电能和废酸废碱中和能协同驱动的甲烷电催化转化耦合析氢的反应，这一设计实现了甲烷转化、高效制氢、废水处理、提高经济性等多重目标。
19、3)本发明装置结构简单，操作灵活，引入废酸废碱和过渡金属基甲烷电催化剂，实现甲烷转换协同制氢效率高，减少环境污染，具有很高的性价比优势。
1.一种酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，包括至少一对电催化电极对，所述电催化电极对包括电催化甲烷转化电极和析氢对电极，所述电催化甲烷转化电极作为阳极设于废碱溶液中，所述析氢对电极作为阴极设于废酸溶液中，所述废酸溶液与所述废碱溶液之间设置有离子交换膜，使废酸溶液与废碱溶液隔开形成废酸电解槽和废碱电解槽，所述废碱电解槽底部还设有甲烷曝气管，所述电催化甲烷转化电极、析氢对电极与外接电源相连。
2.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述电催化电极对多于一对时，各对所述电催化电极对之间串联连接。
3.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述电催化甲烷转化电极选自nio/ni、nio-zro2、改性nio、zro2、coo2、fe2o3中的一种；
4.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述废酸电解槽、废碱电解槽为具有耐酸碱腐蚀性的材料。
5.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述电催化甲烷转化电极与所述析氢对电极之间的间距≤10cm。
6.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换摸或双极膜中的一种。
7.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述装置还包括氢气收集设备；
8.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述装置还包括循环泵，使废酸电解槽中的废酸溶液与废碱电解槽中的废碱溶液均能够各自从外置储液罐流动循环更新或从废液源处得到不断补充。
9.如权利要求1所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置，其特征在于，所述废酸溶液为含有大量游离h+或者吸附/消耗oh-的溶液；
10.一种利用权利要求1～9任一项所述的酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化协同制氢装置电催化甲烷转化并制备氢气的工艺，其特征在于，将废酸溶液引入废酸电解槽中，将废碱溶液引入废碱电解槽中，在废碱电解槽中通入甲烷，开启电源对电催化甲烷转化电极和析氢对电极通电，废碱电解槽和废酸电解槽中分别利用酸碱中和能辅助驱动甲烷电催化转化和氢气析出。
