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本科学生毕业论文(设计)

题目丁酸MEC制氢产氢潜力的研究
姓名
学号
院、系能源与环境科学学院
专业农业建筑环境与能源工程
指导教师
职称(学历) 副教授(博士)

丁酸MEC制氢产氢潜力的研究
摘要:MEC制氢在传统发酵制氢的基础上引入电化学技术,是在微生物燃料电池(MFC)的基础上发展而来的一种新的有潜力的产氢技术,利用活性污泥中产电微生物的电化学活性,在电解协助下进一步转化为发酵制氢末端代谢产物(挥发性有机酸)为氢气,从而提高制氢效率。为研究MEC制氢的潜力,本实验以厌氧活性污泥为接种物,以丁酸为底物,在35℃下,pH=-, 、,电流的变化、产气总量、氢气含量、甲烷含量以及料液中的有机酸含量的变化等,进一步得到气体的能量转化率,以期得到理想的产氢潜力。实验结果表明:①电压不同,电解电流随时间也相应发生变化,,产气量也较大,;②实验测算出的氢气含量相对较高,一般在40%-60%,甲烷的含量最高不到6%,说明产氢效率较高。
关键词: 电解协助;正丁酸;电活性微生物;发酵产氢;微生物燃料电池
1 引言
微生物电解协助(MEC)产氢是Logan等在微生物燃料电池(MFC)的基础上发现的。是在微生物燃料电池(MFC)系统中,微生物氧化有机物释放出CO2和质子到溶液中,产生的电子则到达电极表面[1]。电子通过外电路到达阴极,质子通过电解液扩散至阴极,形成电流。在阴极,电子和质子与氧气反应生成水。若将MFC进行改装,使其保持厌氧条件,再加一个外加电压,使阴极反应变成电子与质子反应而产生H2,,这便成了微生物电解产氢(MEC)反应。MEC产氢所需外加电压比电解水低( V[2],[3-4]),产氢效率比微生物发酵产氢高,并能将有机物彻底氧化[5]。MEC制氢技术具有低能耗、环保等优势,是目前国内外研究的热点。
此外,MEC制氢是在的基础上实现的。发酵产氢受热力学因素的限制,大量乙酸、丙酸和丁酸等挥发性脂肪酸不能转化为氢气,国外学者称之为发酵产氢的发酵屏障[6]。首先,从能源转化率方面来看,其转化率通常不超过 15%[7],若以葡萄糖为原料,以乙酸为唯一末端副产物,理论上的最大转化率为4molH2 /mol葡萄糖。为达到该转化率,这些有机酸必须进一步转化为氢气,为此有学者把目光转向了光合产氢[8],进而提出集成光发酵和暗技术,旨在通过光合产氢充分利用产生的末端产物,从而提高氢转化率。但是,该技术仍受光照条件和光反应器的限制。其次,有机挥发酸的积累严重影响了系统稳定性[9-10] 有学者研究了在甲酸产氢体系中,加入外源乙酸、丙酸和丁酸等挥发性有机酸对过程的抑制影响,表明酸性挥发性末端产物的积累是导致不稳定的主要原因之一,并称之为代谢产物的反馈抑制影响。为提高氢转化率,消除代谢产物的反馈抑制,很多学者从产氢反应器及工艺产氢微生物的生理代谢产氢酶以及还原剂产生系统方面进行了大量研究,很大程度上提高了氢转化率,但难以克服的热力学限制。
Liu H 等[6]利用外加电解电源借助微生物燃料电池的研究手段,进行了乙酸电解协助产氢实验,并获得成功,称之为电解协助微生物产氢,随后报道了其他不同底物以及有机废水制氢[11],Rozendal R A 等[12]也进行了这一方面的研究,认为是微生物电催化的作用,并称之为生物催化电解制氢,Chae K J 等[8]进行该方面的研究, 称之为生物电化学电池。在此基础上,李建昌等[13-14]研究了电解协助发酵产氢的基本原理及可行性,并设计了单池电解协助发酵产氢装置。
本实验将采用单池MEC制氢的原理,以厌氧活性污泥为接种物,丁酸为底物,把沼气发酵液认为是较理想的缓冲溶液,、,各种气体含量的变化,底物有机酸的变化,测算出氢的能量转化率,以期得到丁酸MEC制氢的潜力。
2 材料与方法
材料
接种物
接种物取自云南师范大学太阳能研究所生物质能研究室沼气发酵结束后的厌氧活性污泥,经测定其 pH =-,TS =%,VS =%。
底物
原料采用正丁酸(无色油状液体,有特殊臭味,含量≥%,分子量:,-,沸点161-165℃,溴值(Br2/100)%,)。
电极
阴极采用自制的Pt电极(3cm ×3cm ),阳极采用自制的石墨电极(3cm ×3cm )。
电源、电压和