混合厌氧发酵产氢影响因子及动力学特性的研究

《混合厌氧发酵产氢影响因子及动力学特性的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第1章绪论1．1氢能及生物制氢技术能源是国家战略安全保障的基础，与经济发展密切相关。随着经济、社会的高速发展，人们对于能源的需求大量增加，目前，作为主要能源的化石燃料如石油、煤等的贮量同益枯竭，并且在化石燃料燃烧时生成的C02、硫氧化物、氮氧化物、烟雾、灰尘、焦油和其他有机化合物导致了严重的环境污染并产生了温室效应等一系列环境问题[¨。从已勘探的石油储量上看，煤的可开采年限仪为150年左右，而石油可开采的年限也只有100年，因此，为了缓解能源危机和环境污染问题，寻找开发利用洁净、高效的二次能源势在必行

2、。而在众多的清洁能源中，氢气由于其燃烧值很高，并且在燃烧过程中不会产生任何污染物等优点被人们所高度重视，很多国家纷纷制定氢能发展战略规划并投入巨资支持研发：如日本启动的“WE-NET”计划(1993)，计划在未来27年内年投入30亿美元用以开发氢能系统的关键技术，目的就是要把生产氢能作为可再生能源长期发展的最佳选择和途径；1997年，国际能源署(1EA)启动“氢能生产及利用协定”，将氢能的研究推向国际化，其战略目标足在2l世纪开创“氢能经济新时代”；2003年11月20日，国际氢能合作机构正式成立，包

3、括中国在内的15个国家和欧盟代表共同签署了《氢经济国际合作伙伴协议》[2】。1．1．1氢能的优越性及产氢技术现状与传统的能源燃料相比，被誉为“未来能源”的氢能是一种值得期待的新型能源，具有以下性质和特点【3，4】：(1)燃烧值高且燃烧稳定性好；(2)来源广泛且清洁无污染：氢可以通过一次能源(煤、化石燃料、天然气)、二次能源(电力)、可再生能源(太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热)来制取，而且地球上的水储量为20000多万吨，是氢取之不尽、用之不竭的重要源泉，最重要的一点，在氢气燃烧时只生成水，不会产

4、生其他任何污染物，可以实现真正的“零排放”及资源的无害化；(3)存在及储运形式多种多样：相对于可再生能源应用中的其他能源载体，人们可以将氢以气态、液态或者固态金属氢的形式来方便储运及适应各种应用环境的要求；(4)密度小且应用范围广泛。综上所述，相较于其他能源，氢能可以同时满足资源、环境和可持续发展的要求，因此，在未来能源体系中，氢能将成为最理想的清洁绿色能源。目前，虽然氢气的制取方法很多，但是总体来说可以分为两类，包括传统的理化法制氢和生物制氢【5】：河北科技大学硕士学位论文传统的理化法制氢主要有矿物

5、燃料制氢、水电解制氢、热化学循环制氢和重油部分氧化制氢等，其中占世界制氢总量90．43％的化石燃料高温裂解重整制氢是目前制氢的主流，但由于其高耗能的过程，不仅不能获得净能量，且用于生产氢的原料是不可再生的化石燃料，基本上没有改变能源短缺的情况，而且制氢过程的副产物较多，对环境的污染严重【纠J；约占世界产氢总量的4．12％的水电解制氢是将水电解为氢和氧，虽然所得的产品纯度较高，但是在生产过程中会浪费85％的电能及大量过量的水，能耗较高造成制氢成本过高19】；热化学循环法制氢是通过高温热解水直接分解生成氢

6、气和氧气，在该方法制氢的过程中需要大量的热能，虽然科技人员已经通过多步热化学循环反应来降低反应所需的温度(达到1000℃)，但是仍然需要大量的能耗；重油部分氧化制氢的方法主要是将重油中的碳氢与水蒸气及氧气结合产生氢气，然而当前的重油用途多种多样，且由于近年石油价格的持续上涨，使得重油制氢不再经济。基于上述制氢工艺存在的生产工艺复杂、投资大、成本高、需要消耗矿物燃料资源，并且产生大量的污染等不足之处，人们将目光逐渐投向低能耗、零污染、原料可再生的生物制氢工艺。Lewis于1966年提出生物制氢，并且在上

7、个世纪70年代能源危机产生的时候，一度引起了人们的关注，并着手进行研究。生物制氢是通过产氢细菌，把自然界储存于有机化合物(如碳水化合物、蛋白质等)中的能量转化为氢气的一个过程，简单来说就是利用某些微生物代谢过程来生产氢气的一项生物工程技术。由于该方法所用原料来源丰富、价格低廉，并且生产过程中不需要消耗矿物资源，具有清洁、节能、可再生等优点，因此越来越受到人们的重视[10】。有报道显示，日本和美国等国成立了专门机构来研究和发展氢能，其中美国政府为加速氢能(和燃料电池)的发展，对生物制氢研究的每年投入平均

8、为3百多万美元，而日本在该研究领域年投资约为美国的5倍，并建立了生物制氢发展规划，以期通过对生物制氢技术的基础和应用研究，使该技术在21世纪中叶实现商业化生产。1．1．2生物制氢技术的主要研究方向生物制氢技术利用微生物自身的代谢作用将有机废弃物质和水转化为氢能，其原料成本低，工艺条件要求相对简单，在～定程度上实现了对废弃物的有效利用与环境保护的多重目标‘¨】，根据微生物的代谢机制不同主要分为光合法生物制氢和发酵法生物制氢两大类u烈。1．1．2．1光合生物