光合細菌生物膜制氫反應器傳輸與產氫特性.pdf

1、當今世界經濟的發(fā)展強烈依賴于以化石燃料為主的能源供應，然而這些資源并非是取之不竭的。能源持續(xù)緊張，國際石油價格大幅振蕩，不斷攀升，能源短缺問題日益成為困擾社會和經濟發(fā)展的首要問題，同時化石能源的開采和應用對環(huán)境造成了嚴重破壞，特別是產生的CO2引起的溫室效應帶來的極端和異常氣候變化、氮氧化物和SO2帶來的酸雨等問題嚴重地威脅著地球和人類的可持續(xù)發(fā)展。我國是一個能源資源相對貧乏的國家，特別是石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的7.7％

2、和7.1％。因此開發(fā)可再生的生物能源對于促進可持續(xù)社會的發(fā)展具有重要意義。
　　 氫氣在所有已知能源中具有最高的單位質量能量密度，并在通過電化學或者燃燒的能量轉化過程中不釋放危害環(huán)境的產物，因此成為最具潛力的清潔可再生能源。2007年4月國家頒布能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃更明確指出將氫能開發(fā)作為我國今后重點的前沿發(fā)展技術之一。目前廣泛采用的傳統(tǒng)制氫方法一方面仍消耗化石能源，另一方面對環(huán)境造成破壞。太陽輻射能是目前世界儲量最大的可再生

3、能源。采用光合細菌的光生物制氫技術反應條件溫和，可以把太陽能利用與有機污染物降解耦合起來，完美解決了能源需求和環(huán)境保護之間的矛盾。
　　 采用細胞固定化技術實現(xiàn)連續(xù)化的產氫是光生物制氫付諸實際的基礎。生物膜和包埋這兩種細胞固定化方法已經應用于生物制氫的研究。采用該技術可提高制氫反應器單位體積內的生物量、反應器內細菌的環(huán)境耐受力、以及產氫速率和生物降解速率。然而包埋方法由于傳質阻力大、透光性差以及機械強度差的缺點不利于反應器長期運

4、行。本文采用生物膜細胞固定化技術，分別從提高反應器中的生物持有量、強化傳質和提高光能轉化效率出發(fā)，構造了微槽透光板式光生物制氫反應器、環(huán)流形光纖生物膜反應器和光纖束生物膜制氫反應器等三個能夠高效連續(xù)產氫的新型光生物制氫反應器。實驗研究了不同操作條件下上述光生物制氫反應器的產氫速率、底物消耗速率、產氫得率和光能轉化效率等特性和變化規(guī)律。
　　 通過微槽透光板式光生物制氫反應器與普通平板生物膜光生物制氫反應器的對比實驗發(fā)現(xiàn)，由于微槽

5、道結構可以提高反應器的比表面積進而增加了反應器的生物持有量，同時微槽道的起伏結構又可以增加反應器主流區(qū)和生物膜區(qū)域之間的對流傳質系數(shù)，底物和產物傳輸?shù)脑鰪娛沟蒙锬^(qū)域可維持較好的微生態(tài)環(huán)境。另外微槽道還可以增強光照在生物膜區(qū)域的散射，從而提高該區(qū)域的光照均勻性，使得生物膜區(qū)域內的微生物具有更高的光能轉化效率。在相同的實驗條件下，微槽透光板式光生物制氫反應器的產氫速率、產氫得率系數(shù)和光能轉化效率分別達到3.816 mmol/㎡/h，0.

6、75 molH2/molglucose和3.8％，比普通平板反應器產氫速率提高約75％。微槽道的結構形式可以為生物膜方法光生物制氫反應器的載體改良提供參考。
　　 本文首次將生物膜細胞固定化技術與導光載體相結合構造了環(huán)流形光纖生物膜制氫反應器，用于解決目前光生物制氫反應器存在的實現(xiàn)細胞固定化和增強反應器導光性之間的矛盾。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)該反應器在入射光波長為530 nm光纖表面光強度為4.15 W/㎡的條件下，反應器的光能轉化效

7、率和產氫速率得到顯著提高，分別達到47.9％和0.83 mmol/g cell/h。在實驗研究的基礎上建立了環(huán)流型光纖生物膜制氫反應器中底物傳輸與消耗的數(shù)學模型，分析了外界操作因素對該反應器內質量傳遞和底物降解的影響規(guī)律，理論預測值與實驗值基本吻合。在此基礎上構造的光纖束生物膜制氫反應器實現(xiàn)了反應器的內容積空間的充分利用并獲得了反應器內均勻的光強分布。在模擬自然光照的實驗條件下得到了當光照強度為5.1 W/㎡時，反應器的產氫速率和光能轉