棉花秸秆厌氧发酵制氢气周强修改

棉花秸秆厌氧发酵制氢气周强修改 题 目: 棉花秸秆厌氧发酵制氢气 姓 名: 周强 学 院: 化学学院 专 业: 应用化学 班 级: 082班 学 号: 085131218 指导教师: 王建华 职称: 讲师 2010年 11 月 日 棉花秸秆厌氧发酵制氢气 作者 周强 指导老师 王建华 摘要:近年来，随着人们对能源的需求剧增，石油价格持续攀升，能源短缺和环境污染问题已对我国经济的可持续发展带来严峻的挑战。因此，寻找替代能源、开展可再生能源的研究，对于维护国家的能源战略安全、减少环境污染具有十分重要的意义。而氢气是一种高效、清洁、无污染的清能源，其将是21世纪人类最理想的替代能源。本文以天然理厂污泥为厌氧产氢微生物来源，以棉花秸秆为发酵底物制备氢气，究对底物的预处理、反应温度和酶解时间对底物产氢能力的影响。 关键词: 生物制氢;厌氧发酵;棉花秸秆;发展前景 Cottonstalk anaerobic fermentation for hydrogen Author Zhou Qiang Tutor Wang Jianhua Abstract: Hydrogen is a clean renewable energy.In the ocess of ing it only produces Water without carbon-based emissions that contribute to environmental pollution and climate Change. Currently, with the more irements to energy and the increasing price of etroleum the problem of energy shortage and environmental pollution brings allenges to sustainable development of our nation economy. So, it is very singificative to find some new substituted energy to develop the study of renewable energy for protecting the security of energy strategy and reducing the environmental pollution. In this process, mico-organisms degrade organic wastes to produce hydrogen. It reaches two aims : getting rid of wastes and protecting environment .So it must have a good future. The hydrogen production of cottonstalk wastes was stematically stigated through naerobic fermentation by using the natural sludge as noculants. The effects of pretreatment, Study of substrate pretreatment and enzymatic ydrolyses on the hydrogen production capacity uence.perature,acidity on hydrogen production capacity influence. Key words : bio-hydrogen production anaerobic fermentation cottonstalk development. 【前言】 能源是人类赖以生存和进行物质生产的重要物质基础，是地球演化及万 1 物进化的动力，对其开发和使用推动着人类文明的发展。能源科学技术的每一次突破，都带来社会发展和生产力的巨大飞跃。 通过人类的发展历史可以看到:世界能源结构的转变经历了由煤炭替代木柴、由石油和天然气代替煤炭的转变。许多国家依靠充足而廉价的石油实现了经济的高速度增长。仅50年代和60年代，世界石油消费量每10年就增长1倍还多。可以说，石油带来了世界经济的繁荣，也带来了现代文明。 [1] 目前，人类所使用的商品能源中，95%是化石能源。在能量消耗中比重最大的是石油，约占能源消耗总量的45%，煤炭约占30%，天然气约占21%。而这些矿物燃料都是不可再生的能源，在地球上的储量是有限的。世界煤炭储量估计约为10万亿吨，据目前开采速度大约可以维持400年;世界石油总储量约3000亿吨，其中探明储量1240亿吨，以1989年的开采水平可维持40年，即使地球上总储量全部被开采，也维持不了七、八十年。世界天然气储量发展中国家和工业化国家各占一半，因为发展中国家生产力水平低，其储量和产量比为9年，而工业化国家仅为39年。同时，随着有限储料(煤炭、石油和天然气)的减少、能源需求的不断增长，化石燃料燃烧(生成二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等)造成的环境污染，使21世纪纪的人类面临巨大挑战。 面对着严峻的能源危机与环境污染，促使社会、经济协调发展，实施可持续发展战略己经形成共识。因而，开发利用新能源的开发，以替代非再生能源，已成当今世界迫切和现实的研究课题之一。许多国家正加紧研究开发、风能、海洋能、地热能、生物质能和氢能等代替能源。【此段重点介绍氢能的重要性】 1. 研究的意义 国家重点基础研究发展项目氢能领域首席科学家、清华大学毛宗强指出:从发展趋势看，未来经济一定是一种节能型、清洁型经济，尽量使用有利于环保和人民身心健康的能源。 因此，新型替代型清洁能源的开发与利用，以替代非再生能源，是当今世界最迫切和现实的研究课题之一。可再生能源的开发己引起人们的广泛重视，科学家们纷纷将目光投向可再生性资源的开发和利用。目前，许多国家正在致力于研究开发太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能和氢能等新能源。 在诸多新能源中，氢能作为一种理想的清洁能源而倍受科学家的关注。这是因为氢 [2]具有许多突出优点: 1、氢是宇宙中最丰富的元素，宇宙中75%的质量由氢元素构成，取之不竭，用之不 2 尽。 2、燃烧值高，氢是周期表中最轻的元素，与其它物质相比，具有最高的能量比，达到34.15kacl/g;而汽油仅13kcal/g，喷气飞机用燃料为12.15kcal/g，煤的仅为4.837keal/g。 3、清洁无污染，氢气燃烧时不产生温室气体和其它对人体有害的物质，氢氧结合的燃烧产物是最纯净的物质—水，不会对环境产生任何污染。近年来激发人们对氢能新的兴趣和讨论的一个重要因素是环境保护的需要。首先美国加州规定了使用零排放汽车 [3](ZEV)，2003年10%售出的车必须是ZEV。另外一个与此有关的事件是工业化国家签订了日本京都协议。按照这个国际条约，在2008~2012年工业化国家的温室气体排放要比1 [4]990年的水平降低5.2%。 4、化学简单性。它在快速释放能量时，破坏和形成的键相对来说很少，具有高的反应速率常数和较快的电极过程动力学，可以用电化学方法释放它的能量。氢在铂电极上 [5]2放电时的交换电流密度达lma/cm，氢-空气(氧)高效燃料电池的原理就是基于这一点。这种燃料电池可以达到数百ma/cm2扩的电流密度，或者100W/kg级的比功率，为燃料电池驱动的电动车打下了技术基础。燃料电池车的燃料利用率可以达到40~50%，这比内燃机 [6]车的要高50%。 5、应用范围广。氢不但是一种优质燃料，还是石油、化工、化肥和冶金工业中的重要原料和物料。石油和其他化石燃料的精炼需要氢，如烃的增氢、煤的气化、重油的精炼等;化工中制氨、制甲醇也需要氢，氢还用来还原铁矿石。用氢制成燃料电池可直接发电 采用燃料电池和氢气一蒸汽联合循环发电，其能量转换效率将远高于现有的火电厂。总之，氢能将势不可挡地进入社会生活的各个领域。 因此，氢气作为洁净高效和可以再生的二次能源而倍受关注。人们预言氢气将成为本世纪最理想的清洁绿色能源，是化石燃料极富前途的替代品。随着制氢技术的进步和贮氢手段的完善，氢能将在21世纪的能源舞台上大展风采。 [重点介绍发酵制氢的研究现状，主要最近几年我国哪些组在生物厌氧发酵方面取得和成果以及国外在该领域取得的成果，最后一段介绍一下本实验有何特色以及优势] 2. 发酵法制氢技术 许多专性厌氧和兼性厌氧微生物，如丁酸梭状芽抱杆菌、拜式梭状芽抱杆菌、大肠埃希式杆菌、产气肠杆菌、褐球固氮菌等，能利用多种底物在氮化酶或氢化酶的作用下将底物分解制取氢气。发酵生物制氢的适用范围极为广泛，可利用各种废弃生物质生产 3 清洁的氢能源，如:甲酸、丙酮酸、CO和各种短链脂肪酸等有机物、淀粉纤维素等糖类。这些物质广泛存在于工农业生产的污水和废弃物中。 在厌氧菌发酵研究中，大多数的研究都着眼于纯菌种及细胞固定化技术，如产氢菌种的筛选及包埋剂的选择。人们用某些微生物载体或包埋剂，对细菌固定技术复杂，且不易选择合适的包埋剂;利用纯菌种和固定技术的生物制氢方法，发酵条件要求严格，纯菌种的分离和提纯技术条件苛刻且不易批量获得，纯菌种分离成本昂贵，所以只适合于实验室研究;小型试验易取得瞬间最高产氢率，要长期运行并连续生物产氢、保持较高的产氢量和氢浓度，技术难度高很难取得突破。上述原因限制了该项制氢技术的应有和规模化生产。 3. 发酵法制氢底物的研究现状 目前，生物制氢技术所用底物主要是简单的碳水化合物(如糖和淀粉等)及含简单碳水 [7.8]化合物的废水或废弃物。尽管一些研究小组用厌氧发酵法成功地将一些成分比较复杂 [9.10.11]的有机固体废弃物 (如土豆淀粉渣、麦鼓、食物废弃物、有机固体废弃物等)转化为氢气，但产氢效率不佳。而对于纤维素类难生物降解的生物质，例如酒糟、农作物秸秆(玉米秆、麦秸秆和稻草等)等，迄今国内外有其生物制氢的报道很少。这是由于用传统的发酵方法直接以这类生物质为底物进行生物制氢，几乎不能产氢，或者氢的转化效率和产氢速率极低。 4 .研究目标和发展前景 主要的研究目标是利用棉花秸秆进行厌氧发酵的产氢能力，通过改变不同的预处理方法和酶解条件，使得玉米秸秆厌氧发酵产氢达到了高效、可行的效果。在发酵条件方面，设计了正交实验，以累积产氢量为评价标准，初步分析了影响玉米秸秆产氢发酵的重要影响因素，以期能为玉米秸秆的发酵制氢提供一定的基础参考数据和经验。 利用农作废弃物秸杆成本低，我国玉米分布区域很广，华北地区新疆长江下游滨海、 [12]沿江平原;冀中南、鲁西北、豫北平原，黄淮平原。玉米秸秆是大宗的农作物废料，也是具有巨大潜力的再生资源，尤其是作为再生能源受到广泛的重视，但目前除一部分用作反当动物的饲料外，大部分未被利用。因此，用玉米秸杆来转化为可利用的能源具有重大的意义和广阔的前景。 4 参考文献: 【1】 .李文华、杨修编著，环境与发展，科学技术出版社(1994) 【2】 王毅波.21世纪理想的能源一氢能.能源研究与信息.2003，19(:2)63-68 【3】 US Department of Energy .Guide to Altermative Fuel Vehicle Incentives and Lawa[A].Clean Cities Program[Z],1996 【4】 Hoffimann P.liquid hydrogen powers third EQHHPP demostration bus. Hydrogen and Fuel Cell letter.1996.(5):4 【5】 Bockris JOM,Srinivasan S.Fuel cell .McgrawHill.New York.1998 【6】 US Department of Energy.Office of Transportatation Technologies.1993 【7】 陈学武，苗芳，侯建革，张桂，李俊英，玉米秸秆半纤维素的水解研究，河 北科技大学报1999 【8】 管英富，邓麦村，金美芳等.微藻光生物水解制氢技术.中国生物工程杂志.2003， 23(4):8一13 】 华东理工大学分析教研组，成都科学技术大学分析化学教研组编.分析化学， 【9 【10】 Kim BH,Bellows P.Data R.Zcikus JG.Control of carbon and electron flow in clostridium acctobbutylicum fermentation utilization of carbon monoxide to inhibit hydrogen production and to enhance butanol yield.Appl Envion Microbiol 1984.48:764-770 【11】 戚以政，汪叔雄编著，生化反应动力学与反应器，化学工业出版社，1995 【12】 卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用〔M〕.北京:化学工业出版社， 2000:125一136. 5