光发酵厌氧流化床制氢反应器载体优化与运行特性研究

摘要

针对连续流光发酵制氢过程中底物利用效率、生物持有量和光能转化率低的技术难点，本文首次采用活性炭纤维(activated carbon fiber, ACF)固定化光发酵细菌，并应用于产氢研究。阐明了 ACF的处理方法、浓度﹑长度、比表面积等同光发酵产氢之间的内在规律和联系，确定了最佳产氢条件。并探索将改性 ACF作为载体应用于光发酵厌氧流化床制氢反应器进行连续流试验研究，建立有效的光发酵产氢调控策略，以期为生物制氢的规模化生产提供理论和技术指导。
　　活性炭纤维有着良好的生物相容性和固定化产氢性能，比产氢率随着活性炭纤维比表面积的增加而增加，过大的长度和浓度都会对产氢有抑制作用。其产氢最佳参数为：比表面积1500 m2/g，长度1 mm，浓度0.8 g/L。间歇试验最大比产氢率为3.05 molH2/mol乙酸，比传统载体(陶粒和活性炭)高12.4~47.3％，结果证实了活性炭纤维是一种有效的光发酵细菌固定化载体。
　　HNO3改性活性炭纤维的固定化产氢性能要明显优于 KOH或 H2O2改性活性炭纤维，HNO3改性的最佳处理浓度浓度为6 mol/L，处理时间为1 h，间歇试验最大产氢速率达35.94 ml/L/h，最大比产氢率高达3.30 molH2/mol乙酸，比产氢率同对照试验相比提高了约36%。
　　活性炭纤维表面含氧官能团含量对产氢有重要影响。HNO3改性可显著的改变活性炭纤维表面 C、N、O三种元素比例，使含氧官能团含量明显上升。研究表明，改性后活性炭纤维表面主要有 C-OH、C=O和 C-OOH三种官能团，其中C=O含量对细菌固定化起着决定性作用。
　　在光发酵厌氧流化床制氢反应器的连续流运行中，HRT、初始 pH、碳源、氮源和光照强度对产氢影响显著，过高的 HRT、碳源、氮源和光照强度对产氢均有抑制作用。其中，初始 pH对反应器产氢的影响最为显著，在初始 pH=6.0时产氢延迟期延长至3天，且比产氢率和产氢速率大幅降低。光发酵厌氧流化床制氢反应器的最佳运行条件为：HRT48 h，碳源浓度50 mmol/L，氮源浓度10 mmol/L，初始 pH7.0，光照强度4000 lux。其最高比产氢率为2.26 molH2/mol乙酸，最高产氢速率为25.8 mlH2/L/h。

目录

光发酵厌氧流化床制氢反应器载体优化与运行特性研究

RESEARCH ON CARRIER OPTIMIZATION AND OPERATION CHARACTERISTICS OF PHOTO-HYDROGEN PRODUCING ANAEROBIC FLUIDIZED BED REACTOR

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 固定化光发酵细菌生物制氢技术

1.3.1 包埋法

1.3.2 吸附法

1.4 活性炭纤维固定化细菌研究

1.5 光发酵制氢反应器研究

1.5.1 管式光发酵制氢反应器

1.5.2 平板式光发酵制氢反应器

1.5.3 柱式光发酵制氢反应器

1.6 厌氧流化床制氢反应器研究

1.7 本课题的主要研究内容

1.8 本课题研究的技术路线

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.1.1 菌种来源

2.1.2 试验装置

2.1.3 培养基

2.1.4 主要仪器和设备

2.2 试验方法

2.2.1 光发酵细菌ACF固定化方法

2.2.2 间歇产氢试验方法

2.2.3 连续流产氢试验方法

2.2.4 分析方法

第3章 活性炭纤维的改性及固定化产氢性能研究

3.1 活性炭纤维基本参数优化

3.1.1 ACF比表面积对RLD-53产氢的影响

3.1.2 ACF长度对RLD-53产氢的影响

3.1.3 ACF浓度对RLD-53产氢的影响

3.1.4 ACF与传统载体固定化产氢性能对比

3.2 HNO3改性ACF固定化产氢性能研究

3.2.1 HNO3改性ACF对RLD-53产氢的影响

3.2.2 HNO3改性ACF对比产氢率的影响

3.3 KOH改性ACF固定化产氢性能研究

3.3.1 KOH改性ACF对RLD-53产氢的影响

3.3.2 KOH改性ACF对比产氢率的影响

3.4 H2O2 改性ACF固定化产氢性能研究

3.4.1 H2O2 改性ACF对RLD-53产氢的影响

3.4.2 H2O2 改性ACF对比产氢率的影响

3.5 改性ACF表面光发酵细菌表观特征

3.6 HNO3改性ACF表面XPS表征

3.6.1 HNO3改性ACF表面元素XPS表征

3.6.2 HNO3改性ACF表面含氧官能团XPS表征

3.7 本章小结

第4章 光发酵厌氧流化床制氢反应器运行特性研究

4.1 HRT对反应器运行的影响

4.1.1 上同HRT下反应器比产氢率变化

4.1.2 上同HRT下反应器产氢速率变化

4.2 碳源浓度对反应器运行的影响

4.2.1 上同碳源浓度下反应器比产氢率变化

4.2.2 上同碳源浓度下反应器产氢速率变化

4.3 氮源浓度对反应器运行的影响

4.3.1 上同氮源浓度下反应器比产氢率变化

4.3.2 上同氮源浓度下反应器产氢速率变化

4.4 初始pH对反应器运行的影响

4.4.1 上同初始pH下反应器比产氢率变化

4.4.2 上同初始pH下反应器产氢速率变化

4.5 光照强度对反应器运行的影响

4.5.1 上同光照强度下反应器比产氢率变化

4.5.2 上同光照强度下反应器产氢速率变化

4.6 间歇试验及连续流试验产氢性能对比

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

《学位论文出版授权书》

致 谢