玉米秸秆发酵产氢研究

传统能源储量日益减少以及能源需求的不断增长使21世纪的能源问题面临巨大的挑战,人们越来越认识到可再生能源的巨大潜力和发展前景。利用农业固体废弃物和污泥联合厌氧发酵制氢,既可解决农业废物和污泥的环境污染问题,又可制备清洁的燃料能源,因此具有非常重要的研究价值。以厌氧活性污泥为接种物,以玉米秸秆为发酵底物进行发酵产氢实验,研究了不同秸秆粒径、预处理方法、发酵液pH值和金属离子对玉米秸秆发酵产氢速率以及产氢气量的影响。结果表明：玉米秸秆粒径越小越利于发酵产氢;经过H2SO4预处理后,玉米秸秆单位总产氢量大于经NaOH预处理样品;pH值为6左右可以提高玉米秸秆的发酵产氢气速率;Fe2＋和Mg2＋对发酵产氢效果有一定的影响。     

酸碱预处理对稻草秸秆发酵产氢的影响

随着环保要求的日益严格和化石能源的日益短缺,氢能作为清洁高效的可再生能源受到人们的普遍重视。厌氧发酵生物制氢是利用生物技术分解有机废弃物制备氢气,该工艺设备简单、操作容易、成本低廉等优点。以稻草秸秆为发酵底料,以厌氧活性污泥为接种物,研究酸碱预处理对秸秆发酵产氢的影响。结果表明,H2SO4预处理为最佳的预处理方式;稻草秸秆经1%的H2SO4预处理后发酵气中氢气的最大含量、最高比产氢速率和最高氢气产率分别为47.68%、4.67mL/(h.g)和59.21 mL/g;经1%的NaOH预处理后发酵气中氢气的最大含量、最高比产氢速率和最高氢气产率分别为41.92%、3.24 mL/(h.g)和42.02 mL/g;发酵液相中主要产物为乙醇、乙酸和丁酸。     

预处理方法对细菌降解玉米秸秆产氢能力的影响

为提高细菌降解玉米秸秆产氢能力,实验研究了酸化汽爆预处理、硫酸预处理、氢氧化钠预处理和氨水预处理4种预处理方法对细菌Clostridium sp.X9降解玉米秸秆发酵产氢能力的影响.结果表明,酸化汽爆为最佳的预处理方式.在酸化汽爆预处理条件为硫酸体积分数1%、汽爆温度121℃和汽爆时间2 h时,纤维素降解产氢细菌Clostridium sp.X9利用酸化汽爆玉米秸秆产氢获得的最大产氢率和玉米秸秆降解率分别为6.4 mmol/g和47.8%.液相代谢末端产物主要为丁酸、乙酸和乙醇.     

温度及水洗预处理对生物质氧气-水蒸气气化特性的影响

为研究气化温度和水洗预处理对玉米秸秆氧气-水蒸气气化特性的影响,借助扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、比表面积与孔隙度分析仪、气相色谱仪(GC)和气质联用仪(GC-MS)等表征不同工况下的气化产物。研究结果表明：在400℃和600℃下制得的焦油中2,3-二氢苯并呋喃的质量分数最高,在800℃和1 000℃下制得的焦油中苯酚的质量分数最高。从400℃到1 000℃,含氧官能团取代的芳香族化合物逐渐转变为多环芳烃,苯酚的质量分数从5.07%增加至17.37%,合成气中H₂和CO的体积分数升高,CH₄和CO₂的体积分数降低,热值和H₂与CO的物质的量比增加。水洗预处理降低了在800℃下由玉米秸秆气化所得合成气中H₂和CO的体积分数,其热值较水洗前降低了2.55%。水洗后制得的生物质焦比表面积、总孔体积和平均孔径均增大,促进了焦油的裂解反应,提高了CO₂和CH₄的产率。水洗促进了焦油中M1类化合物的形成,抑制了环烷烃、多环芳香...     

碱性过氧化氢预处理对醋渣厌氧消化性能的影响

利用单因素法研究了碱性过氧化氢预处理过程中的H₂O₂浓度、预处理温度以及预处理时间3个因素对醋渣厌氧消化性能的影响，结果表明，H₂O₂浓度、预处理温度和预处理时间的最优条件分别为4%、40℃和12 h。经实验验证，在最佳联合预处理条件下醋渣厌氧消化累积甲烷产量（基于挥发性固体含量）达302.0 mL/g，生物降解率为70.0%，较未预处理醋渣提升了54.4%。     

模拟喷吹氢气对高炉运行和二氧化碳排放的影响

本文采用一维稳态区域模型模拟了氢气注入对高炉运行和二氧化碳排放的影响。在高炉垂直温度模式模拟的基础上，以热储备区为重点，评估了最大注氢速率。本研究还检查了鼓风温度氧气浓度对焦炭置换率、生产率、氢气利用效率和二氧化碳减排的影响。在鼓风温度为1200°C，富氧量为2vol%和12vol%时，最大氢气注入速率分别为每吨铁水（HM）注入19.0和 28.3千克的H₂。结果表明，焦炭替代率为每千克H₂ 3到4 千克的焦炭，直接CO₂排放减少10.2%到17.8%，根据氧富集水平的不同，生产率最高可提高13.7%。提高鼓风温度进一步减少了二氧化碳的直接排放。氢气利用度达到最大值0.52–0.54 H₂O/(H₂O + H₂)。氢气注入的脱碳潜力估计在每吨H₂ 9.4吨CO₂到9.7吨CO₂之间。为了经济可行性，注氢需要在低成本制氢方面取得革命性进展，除非技术变革是由碳排放成本推动的。氢气注入可能会对滚道的径向温度模式产生不利影响，这可以通过采用适当的注氢技术来解决。     

热碱预处理对玉米秸秆厌氧消化的影响

在55℃下利用氢氧化钙和氢氧化钾对玉米秸秆进行预处理,考察氢氧化钾和氢氧化钙两种热碱预处理对玉米秸秆中温厌氧消化的影响。结果表明,相同浓度的碱用量下,KOH预处理后厌氧消化产气效果明显优于Ca(OH)₂ 预处理。0.5%KOH和2.0%Ca(OH)₂耦合的预处理效果与1.5% KOH以及1.5%Ca(OH)₂单独预处理效果相当,累积单位挥发性固体（VS）甲烷产量为247.3mL/g,相比于未预处理组甲烷产量提高了58.7%,说明可以用2.0%Ca(OH)₂代替1.0% KOH。从成本节约的角度,1.5%Ca(OH)₂为最佳的热碱预处理条件,累积单位VS甲烷产量为242.2mL/g,比未预处理效果提高了55.4%。     

利用克雷伯氏菌进行同步糖化发酵产氢的研究

氢作为一种清洁的能源引起了人们的普遍重视.实验以产酸克雷伯氏菌(Klebsiella oxytoca)HP1为产氢菌株,以稻草粉为产氢底物,进行同步糖化发酵(Simultaneous Saccharification and Fermentation,SSF)产氢.对影响同步糖化发酵产氢的单因子进行试验,选取对氢产率影响较大的因子:温度、pH、纤维素酶用量等进行L9(34)正交试验.结果表明同步糖化发酵产氢的最佳条件为:温度40℃,pH6.5,纤维素酶用量为20FPAU/g稻草粉,摇床转速100r/min,发酵时间42h.在该条件下的最大氢产率为110.6mL/g稻草粉,稻草粉的氢转化率为22%.进行了10L放大发酵产氢试验,最大氢产率为122.3mL/g稻草粉,氢转化率为24.3%.与分步糖化发酵(Separate Hydrolysis and Fermentation,SHF)产氢相比,氢产率提高34.4%.研究表明,利用同步糖化发酵工艺可以提高生物制氢的产量和得率.     

羟基磷灰石负载Ru催化氨硼烷产氢性能研究

采用浸渍-还原法制备了Ru/羟基磷灰石(HAP)催化剂,并考察了Ru负载量、还原剂硼氢化钠的用量、还原温度以及反应条件对催化剂Ru/HAP催化BH₃NH₃水解产氢的影响.结果表明:当Ru的负载质量分数为0.3%、Ru与还原剂硼氢化钠的物质的量比为1.0:2.2、还原温度为303 K时,Ru/HAP催化剂催化BH₃NH₃水解产氢的转化频率T_OF为125 mol H₂·mol^-1Ru·min^-1.当搅拌转速为450 r·min^-1时,外扩散限制消除,产氢速率最大.产氢速率与催化剂浓度成正比,氨硼烷水解产氢反应由催化剂界面反应控制,Ru/HAP催化剂催化BH₃NH₃水解产氢反应对催化剂浓度反应级数为0.8.随着反应温度的升高,氨硼烷产氢速率系数增大,副产物偏硼酸钠越易从催化剂表面脱附,产氢速率逐渐增大.反应动力学计算表明Ru/HAP催化剂催化BH₃NH₃水解产氢反应对氨硼烷浓度为0级反应,活化能为44 kJ·mol^-1.     

四种预处理方法对混合菌产氢特性的影响

以木质纤维素水解后的主要单糖D-木糖为底物,研究了酸处理、碱处理、热处理、红外照射处理对取自沼气发酵池的混合菌发酵制氢过程中的产氢量和产氢速率的影响.实验结果表明:四种预处理方法都可以提高产氢量和产氢速率.最佳的热处理条件为100℃,20～50 min.该条件下累计产氢量和最大产氢速率较未处理的混合菌发酵分别提高约30...     

添加铁氧化物和活性炭对玉米秸秆两相厌氧消化性能和微生物学特性影响研究

为了提高玉米秸秆厌氧消化性能,将铁氧化物（Fe₂O₃,Fe₃O₄）和活性炭分别添加到玉米秸秆两相厌氧消化系统中的酸化相和甲烷相进行试验。结果表明,在酸化相和甲烷相中分别添加Fe₃O₄粉末和活性炭粉末（PAC）的试验组效果最佳。Fe₃O₄粉末添加到酸化相后,挥发性脂肪酸（volatile fatty acids,VFAs）与乙醇的总含量比对照组中两者的总含量提高了25.4%。酸化结束后加入活性炭粉末继续进行甲烷化试验,玉米秸秆累积产甲烷量达到7 965 mL,比对照组提高了27.8%。与对照组相比,添加Fe₃O₄粉末和活性炭粉末试验组的t₈₀（累积产甲烷量达到总甲烷产量的80%所用的时间）缩短了8 d,电导率提高了33.3%。从微生物群落角度分析,在Fe₃O₄+PAC试验组中,细菌优势菌属为Clostridium_sensu_stricto_1,古菌优势菌属为Methanobacterium,可以提高H₂利用率并且促进厌氧过程中的直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer,DIET）。因此,Fe₃O₄粉末和活性炭粉末的添加可以有效提高玉米秸秆厌氧消化产甲烷潜力。     

铁强化二氧化锰去除连二硫酸锰及工艺研究

锰矿浆烟气脱硫过程中会产生副产物连二硫酸锰(MnS₂O₆),它的存在制约了脱硫液中锰的资源化利用.基于锰矿组成提出铁强化MnO₂去除MnS₂O₆新工艺,探究了不同铁化学环境对MnO₂去除S₂O^2-₆影响.结果表明,加入Fe(III)对于二氧化锰去除S₂O^2-₆具有良好促进作用,去除率呈递增趋势,在5g·L^-1质量浓度的硫酸下去除率可达55.1%.操作条件优化实验结果表明,反应温度90℃,H₂SO₄质量浓度5g·L^-1,Fe(III)质量浓度15g·L^-1,n(S₂O^2-₆)∶n(MnO₂)=1∶20,反应时间3h的工况条件组合下S₂O^2-₆的效果较佳.     

KOH预处理玉米秸秆与猪粪混合厌氧消化过程中性能参数变化规律研究

为了探究KOH预处理玉米秸秆与猪粪厌氧消化过程中性能参数的变化规律,采用间隔卸料的方式在中温条件下进行厌氧共发酵,结果表明：预处理玉米秸秆与猪粪混合后可以改善产气性能,提高厌氧消化效率。经KOH预处理后的玉米秸秆与猪粪混合原料的产气高峰比未预处理的玉米秸秆与猪粪混合原料的产气高峰提前了3~6 d,产气速率和累积甲烷产量分别比未预处理组提高了9.6%~65.6%和13.8%;预处理可使原料消化更彻底,有机物去除率达到71.1%;修正后的Gompertz方程能较好地反映厌氧消化产甲烷过程,其中预处理组的产甲烷率速率（基于挥发性固体含量）比未处理组提高了8.8%。因此,采用KOH预处理玉米秸秆可以提高混合厌氧消化的产甲烷性能。     

微波预处理对泔脚发酵产氢的影响

采用经热（80℃,15 min）预处理的城市生活垃圾厌氧消化污泥为接种物,考察了600 W的微波作用下,经过0,1,2,4和8 min的微波预处理的泔脚的中温（36℃）批式发酵产氢,并借助CurveExpert1.3软件对实验结果用修正的Compertz模型进行拟合.结果表明：不同长度的微波预处理时间对泔脚发酵产氢具有不同程度的促进作用,4 min是转折点;结合能量衡算,2 min的微波预处理表现出更大的产氢优越性,其产氢延迟时间λ、最大比产氢率、产氢率分别为2.51 h,13.33 mL/（g.h）,215.11 mL/g.发酵产氢结束后,产氢发酵液中乙酸和丁酸的质量分数之和占挥发性脂肪酸的比例大于79.3%,呈现典型的丁酸型发酵.     

松墨天牛的人工饲育技术研究

【目的】 为了获得虫龄整齐、生理状态一致的幼虫及虫体内无松材线虫的成虫,开展了松墨天牛的室内人工饲育技术研究。【方法】 利用自行配制的人工饲料3种配方:A(松树木屑100 g+琼脂40 g+蔗糖20 g+酵母粉12.5 g+安息香酸钠2 g+山梨酸钾1 g+0.5 mol/L H₂SO₄ 10 mL+水800 mL)+B(松树木屑100 g+琼脂40 g+蔗糖20 g+酵母粉12.5 g+安息香酸钠2 g+山梨酸钾1 g+0.5 mol/L H₂SO₄ 10 mL+胆固醇1.5 g+抗坏血酸4 g+酪蛋白20 g+氯化胆碱1 g+水800 mL)+C(松树木屑100 g+琼脂40 g+蔗糖20 g+酵母粉12.5 g+安息香酸钠2 g+山梨酸钾1 g+0.5 mol/L H₂SO₄ 10 mL+麦胚粉25 g+胆固醇1.5 g+抗坏血酸4 g+酪蛋白20 g+氯化胆碱1 g+水800 mL),比较了人工饲料配方对松墨天牛发育历期及生活力的影响。【结果】A、B、C 3种人工饲料饲养的松墨天牛幼虫均可正常生长发育。发现取食配方A的幼虫发育历期平均为(90.6±9.3)d,蛹期为(11.9±1.3)d,化蛹率为6.4%,羽化率为66.7%。化蛹7 d后,雌、雄蛹质量分别为(0.37±0.03)g和(0.30±0.04)g; 羽化7 d后,雌、雄成虫体质量分别为(0.27±0.03)g和(0.21±0.02)g,取食配方B的幼虫发育历期平均为(71.9±4.0)d,蛹期为(12.8±0.7)d,化蛹率为18%,羽化率为75.8%。化蛹7 d后,雌、雄蛹质量分别为(0.33±0.02)g和(0.27±0.03)g; 羽化7 d后,雌、雄成虫体质量分别为(0.29±0.02)g和(0.22±0.03)g,取食配方C的幼虫的发育历期平均为(71.3±2.0)d,蛹期为(11.1±0.3)d,化蛹率为58.3%,羽化率为88.1%。化蛹7 d后,雌、雄蛹质量分别为(0.63±0.03)g和(0.49±0.03)g; 羽化7 d后,雌、雄成虫体质量分别为(0.53±0.03)g和(0.43±0.03)g。【结论】 以取食配方C饲养的天牛幼虫,其发育的各项指标均明显优于以取食配方A和B饲养的天牛。     

Ethanol production from corn stover pretreated by electrolyzed water and a two-step pretreatment method

Pretreatment is one of the most important unit operations for ethanol production from biomass feedstocks.In this study,corn stover was used as a feedstock to examine the effectiveness of two pretreatments:electrolyzed water pretreatment and a two-step pretreatment.Electrolyzed water was employed as a catalyst to conduct one-step pretreatment of corn stover at three temperatures(165,180 and 195°C) and three treatment times(10,20 and 30 min).During the two-step pretreatment process,an organic alkaline solution of 1%(w/w) NaOH in 70%(w/w) ethanol was used for lignin removal in the first step,followed by a second step using hot water.No furfural or 5-hydroxymethyl furfural was detected in the hydrolysates from both pretreatment methods when the detection limit of the HPLC was 0.2 g/L.The highest glucan conversion yields were 83% obtained at 195°C for 30 min with acidic electrolyzed water and 83% by the two-step process,where the second step of the pretreatment was at 135°C for 30 min.The hydrolyzates from the two pretreatment methods showed good performance in Saccharomyces cerevisiae fermentation tests.The two new methods may provide promising alternatives for the pretreatment of biomass for ethanol production.     

CSLF法提取蔗渣半纤维素工艺条件的响应面优化

利用中心组合设计法(CCD),对蔗渣半纤维素的纤维素溶剂的木质纤维素组分分离(CSLF法)进行优化.在单因素实验的基础上,确定磷酸质量分数、磷酸蔗渣液固比和水浴温度是影响蔗渣半纤维素提取的3个关键因素.以半纤维素提取率为响应目标,采用CCD和响应面分析法(RSM),确定CSLF法半纤维素的最佳提取工艺:磷酸质量分数为83%,磷酸蔗渣液固比为8.95 mL·g^-1和水浴温度为48.94 ℃.结果表明:蔗渣半纤维素提取率可达到75.29%,比优化前提高9%.