电化学辅助利用乙酸盐生物制氢工艺的研究

论文摘要

本文针对单位基质转化率低是目前生物发酵法制取氢气的一个瓶颈问题,就这一问题如何利用末端发酵产物中乙酸等有机小分子通过微生物作用进一步获得氢气进行了初步研究。本文结合微生物燃料电池工艺,采用电化学辅助微生物产氢的新方法实现了以乙酸盐为唯一碳源的产氢目标。实验以哈尔滨文昌污水处理厂沉淀池与浓缩池获得活性污泥作为启动接种菌源。装置采用两极室生物燃料电池反应器,两极室有效容积各为480mL。阳极采用80mm×80mm碳布,阴极用30mm×30mm含金属Pt碳纸。外电路接入1000?电阻,实验温度维持在30±2℃。同时运行1#和2#两个反应器,1#反应器启动时无外加电压辅助,稳定后载入0.50.6V外电压,2个月后收集到H2,乙酸钠转化为H2的总转化效率在3.0%左右,H2生成产率约为0.1molH2/molNaAc。2#反应器采用外加电压辅助启动,1个月后收集到氢气,电子的氢气还原效率为Ee=21.0%,H2转化总效率为EH=11.6%,气体生成产率为0.4molH2/molNaAc。比较而言,2#反应器无论是启动速度还是运行效率都高于1#反应器。本文分析了影响电化学辅助生物产氢工艺运行的关键性因素。结果表明,阳极室pH的及时调节在实验中至关重要。研究认为,阳极室pH保持在6.87.2,阴极室pH在7.0左右,有利于氢气的稳定生产。实验分析认为质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）对质子传递效率不高和阳极室产酸型微生物的存在是体系pH失衡原因。采用单链构象多肽性技术（Single-Strand Conformation Poly-morphism, SSCP）分析阳极室微生物群落变化规律。分析表明反应体系中主要电子传递功能菌群为假单胞菌属和希瓦氏菌属,驯化阶段到稳定产氢阶段二者为群落中明显的优势菌群,反应器条件波动后,优势菌群中出现了脱硫微球菌类、梭菌属类以及放线菌等在微生物燃料电池微生物研究中提及的菌类。同时检测到变形菌属与梭菌属类,这些微生物也导致了阳极室酸化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 生物制氢技术与微生物燃料电池
• 1.2.1 生物制氢技术进展
• 1.2.2 微生物燃料电池技术概况及原理
• 1.3 利用燃料电池技术电化学辅助生物制氢
• 1.4 本课题的主要内容及意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本课题的意义及目的
• 1.4.3 本课题研究的主要内容
• 第2章 实验装置与方法
• 2.1 实验装置设计
• 2.2 分析项目和检测方法
• 2.2.1 乙酸盐的测定
• 2.2.2 阳极附着生物膜生物量的测定
• 2.2.3 容器内生物相形态的观察
• 2.2.4 SSCP 技术分析微生物群落动态
• 2.2.5 活性污泥的驯化及实验采用的培养基
• 2.3 本章小结
• 第3章 电化学辅助生物产氢工艺
• 3.1 直接启动工艺的运行与分析
• 3.1.1 产电阶段电压和电流变化分析
• 3.1.2 产电阶段pH 和ORP 的变化分析
• 3.1.3 电化学辅助阶段生物产氢工艺运行效能
• 3.2 外加电压启动工艺结果分析
• 3.2.1 辅助电压启动反应器电流分析
• 3.2.2 辅助电压启动反应器ORP 和pH 变化分析
• 3.2.3 辅助电压启动反应器运行效能
• 3.3 电化学辅助生物产氢与电解水产氢的区别
• 3.4 工艺运行影响因素分析
• 3.4.1 阳极表面生物膜的影响
• 3.4.2 ORP 和pH 的影响
• 3.4.3 质子交换膜的影响
• 3.4.4 内外电阻的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 工艺运行阳极室生物群落变化分析
• 4.1 SSCP 对功能微生物分析结果
• 4.2 阳极室酸化微生物分析
• 4.3 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
• 致谢