太陽能光合生物制氫系統(tǒng)及其光譜耦合特性研究.pdf

1、本文是在國家自然科學(xué)基金項目“太陽能光合生物制氫體系及其光譜耦合特性研究”(批準(zhǔn)號：50476087)的支持下開展的系列研究。 能源短缺、環(huán)境污染是人類面臨的兩大難題，尋找可持續(xù)供應(yīng)的清潔的后續(xù)能源已經(jīng)是全球刻不容緩的一件大事，氫氣以其能量密度高、潔凈燃燒和可再生而被公認(rèn)為是礦物燃料的最理想替代能源。目前生產(chǎn)氫氣的方法主要有化學(xué)制氫法和生物制氫法兩大類。盡管化學(xué)制氫作為一項成熟的技術(shù)已成為工業(yè)制氫的一種主要手段，但是化學(xué)制氫通常

2、反應(yīng)條件要求苛刻，消耗常規(guī)能源，生產(chǎn)過程對環(huán)境造成污染。生物制氫是利用微生物自身的新陳代謝途徑而生產(chǎn)氫氣的方法，反應(yīng)條件溫和，且制氫原料可采用工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各種有機(jī)廢棄物(有機(jī)廢水、畜禽糞便和城市污水等)，在生產(chǎn)氫氣的同時又治理了環(huán)境。 作為生物制氫的一種，光合生物制氫是在光照條件下利用光合細(xì)菌可分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生氫氣，對有機(jī)質(zhì)分解徹底，產(chǎn)氫量高，且產(chǎn)氫過程中也不產(chǎn)生對產(chǎn)氫酶有抑制作用的氧氣，是一種最具發(fā)展?jié)摿Φ纳镏茪浞椒?。但光轉(zhuǎn)化

3、效率普遍較低和成本太高制約了光合生物制氫技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，本文采用太陽光完全替代能耗較大的人工光源，實現(xiàn)了太陽能光合生物制氫系統(tǒng)在基本不消耗能源的情況下運行，從而有效地減少了光合生物制氫的能源消耗，顯著降低了生物制氫成本。本文研究了本實驗室篩選出來的高效產(chǎn)氫菌種的光譜耦合特性，進(jìn)而采用濾光技術(shù)，提高了能夠被產(chǎn)氫細(xì)菌高效吸收的有效光密度，極大地提高了光轉(zhuǎn)化效率，同時也對以畜禽糞便為原料的光合制氫工藝條件進(jìn)行了研究。 主要研究成果有

4、以下幾個方面： 1.成功研制出一套帶有自動跟蹤太陽且可調(diào)濾光的太陽光高效聚焦傳輸系統(tǒng)，并完成了該系統(tǒng)的光傳輸性能優(yōu)化研究。采用菲涅耳透鏡聚光方式，使太陽光高效聚集，在焦點前放置可更換的帶通濾光片，在焦點處放置端光纖，使進(jìn)入到光導(dǎo)纖維的能夠被光合細(xì)菌高效吸收的光的密度大大增加。同時，該系統(tǒng)采用光導(dǎo)纖維將太陽光輸送到罐狀反應(yīng)器的內(nèi)部，改善了深層區(qū)域的光照度。為了提高對太陽的利用率，根據(jù)太陽的運行規(guī)律，采用光電控制技術(shù)，使信號探測器固

5、定在集能平面上與其一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)接收到太陽光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)信號后，傳給電子自動控制電路，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換對信號進(jìn)行分析，給出指令，使驅(qū)動電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動集能平面，精確對準(zhǔn)太陽，從而實現(xiàn)了對太陽方位角和高度角的全方位二維自動跟蹤，大大提高了太陽能利用率。 2.研制了具有較高效率的光合生物制氫實驗系統(tǒng)，其中在設(shè)計具有較高表面積和體積比的新型環(huán)流罐式光反應(yīng)器時，以反應(yīng)液的循環(huán)流動進(jìn)行攪拌，取代了傳統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)部的漿葉攪拌，增加了反應(yīng)器的有效容

6、積。并采用外置的熱交換系統(tǒng)，在循環(huán)的同時完成了反應(yīng)溫度的控制，取代了傳統(tǒng)的夾層結(jié)構(gòu)，降低了成本。并深入系統(tǒng)地研究了制氫系統(tǒng)中光的傳輸過程，對菲涅耳透鏡的聚光過程和光導(dǎo)纖維的傳光過程進(jìn)行了理論分析，對光在反應(yīng)器中的衰減特性，進(jìn)行了入射光強(qiáng)、反應(yīng)液濃度和深度對光衰減的影響實驗研究，發(fā)現(xiàn)入射光的強(qiáng)度對光在反應(yīng)液中的衰減規(guī)律沒有直接影響，即入射光的強(qiáng)度與光的穿透力無關(guān)，隨著反應(yīng)液濃度的增加，反應(yīng)液之間的相互遮光現(xiàn)象不斷加強(qiáng)，對光的吸收程度也逐漸

7、加大，從而使入射光透過反應(yīng)液的比例下降，導(dǎo)致透過反應(yīng)液的光強(qiáng)迅速衰減。反應(yīng)液的濃度越高，液體之間的相互遮光現(xiàn)象也就越嚴(yán)重，對光的吸收程度越大，從而使入射光透過反應(yīng)液的下降比例也越大，即光衰減的越快。這些研究成果為完成太陽能光合生物制氫系統(tǒng)的研制及其穩(wěn)定運行條件的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。 3.對選育出的高效產(chǎn)氫菌株的光譜耦合特性進(jìn)行了細(xì)致的研究，發(fā)現(xiàn)不同的菌株都有適合其生長的不同波段的光，對紫色非硫細(xì)菌F1，F(xiàn)5，F(xiàn)7，F(xiàn)11，紫色硫

8、磺細(xì)菌S7，S9和紫綠色硫磺細(xì)菌L6進(jìn)行了細(xì)胞形態(tài)觀察，并測出了它們的活細(xì)胞吸收光譜曲線，發(fā)現(xiàn)紫色非硫細(xì)菌F1，F(xiàn)5，F(xiàn)7，F(xiàn)11具有相似的吸收特性，在375和590nm處有最大吸收，S7，S9具有相似的吸收特性，在380和490nm處有最大吸收，L6在590nm處有最大吸收。并以黑暗好氧處理4天的豬糞污水為原料，在溫度為30℃，pH為7.0，接種量為10％，采用中心波長分別為400nm、470nm、540nm、600nm、700nm，

9、帶寬為100nm的帶通濾光片DTB400、DTB470、DTB540、DTB600、DTB700對通過采集到的太陽光進(jìn)行處理，研究在不同波段下光合細(xì)菌的生長特性和產(chǎn)氫特性，發(fā)現(xiàn)在不同波段的光照下，同一種菌種具有不同的生長特性和產(chǎn)氫特性，而在380nm-780nm的光照下由這幾種細(xì)菌組成的混合菌群具有最大產(chǎn)氫能力。通過采用濾光技術(shù)，使進(jìn)入系統(tǒng)的太陽能與光合產(chǎn)氫細(xì)菌的吸收光譜特性相耦合，有效地避免“光飽和效應(yīng)”，顯著提高太陽能光合生物制氫系

10、統(tǒng)的光轉(zhuǎn)化效率，經(jīng)過測試光合細(xì)菌利用畜禽糞便生成氫的燃燒熱與光合細(xì)菌吸收的太陽光能量之比，即太陽能光轉(zhuǎn)化效率最高達(dá)到了21.03％. 4.本文利用自制的太陽能光合生物制氫實驗系統(tǒng)研究了以豬場糞便為原料的光合細(xì)菌利用太陽能光譜耦合制氫工藝條件。研究表明，產(chǎn)氫量隨原料濃度的升高而增大，豬場糞便處理從二級沉淀池出來的污水濃度一般在5000mg·L-1左右，考慮到工業(yè)化應(yīng)用，以5000mg·L-1為實驗原料濃度；溫度對光照產(chǎn)氫有比較顯著