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制氫法和生物制氫法兩大類。盡管化學制氫作為一項成熟的技術已成為工業(yè)制氫的一種主要手段，但是化學制氫通常

2、反應條件要求苛刻，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)的各種有機廢棄物(有機廢水、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菌可分解有機質產(chǎn)生氫氣，對有機質分解徹底，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?。但光轉化

3、效率普遍較低和成本太高制約了光合生物制氫技術的應用和發(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，進而采用濾光技術，提高了能夠被產(chǎn)氫細菌高效吸收的有效光密度，極大地提高了光轉化效率，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，使進入到光導纖維的能夠被光合細菌高效吸收的光的密度大大增加。同時，該系統(tǒng)采用光導纖維將太陽光輸送到罐狀反應器的內部，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，使信號探測器固

5、定在集能平面上與其一起轉動，當接收到太陽光線發(fā)生偏轉信號后，傳給電子自動控制電路，通過模數(shù)轉換對信號進行分析，給出指令，使驅動電機通過減速機構轉動集能平面，精確對準太陽，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)，其中在設計具有較高表面積和體積比的新型環(huán)流罐式光反應器時，以反應液的循環(huán)流動進行攪拌，取代了傳統(tǒng)反應器內部的漿葉攪拌，增加了反應器的有效容

6、積。并采用外置的熱交換系統(tǒng)，在循環(huán)的同時完成了反應溫度的控制，取代了傳統(tǒng)的夾層結構，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纖維的傳光過程進行了理論分析，對光在反應器中的衰減特性，進行了入射光強、反應液濃度和深度對光衰減的影響實驗研究，發(fā)現(xiàn)入射光的強度對光在反應液中的衰減規(guī)律沒有直接影響，即入射光的強度與光的穿透力無關，隨著反應液濃度的增加，反應液之間的相互遮光現(xiàn)象不斷加強，對光的吸收程度也逐漸

7、加大，從而使入射光透過反應液的比例下降，導致透過反應液的光強迅速衰減。反應液的濃度越高，液體之間的相互遮光現(xiàn)象也就越嚴重，對光的吸收程度越大，從而使入射光透過反應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)化提供了科學依據(jù)。 3.對選育出的高效產(chǎn)氫菌株的光譜耦合特性進行了細致的研究，發(fā)現(xiàn)不同的菌株都有適合其生長的不同波段的光，對紫色非硫細菌F1，F(xiàn)5，F(xiàn)7，F(xiàn)11，紫色硫

8、磺細菌S7，S9和紫綠色硫磺細菌L6進行了細胞形態(tài)觀察，并測出了它們的活細胞吸收光譜曲線，發(fā)現(xiàn)紫色非硫細菌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行處理，研究在不同波段下光合細菌的生長特性和產(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，使進入系統(tǒng)的太陽能與光合產(chǎn)氫細菌的吸收光譜特性相耦合，有效地避免“光飽和效應”，顯著提高太陽能光合生物制氫系

10、統(tǒng)的光轉化效率，經(jīng)過測試光合細菌利用畜禽糞便生成氫的燃燒熱與光合細菌吸收的太陽光能量之比，即太陽能光轉化效率最高達到了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