太阳能光合生物制氢系统及其光谱耦合特性研究

【摘要】：本文是在国家自然科学基金项目“太阳能光合生物制氢体系及其光谱耦合特性研究”(批准号：50476087)的支持下开展的系列研究。 能源短缺、环境污染是人类面临的两大难题，寻找可持续供应的清洁的后续能源已经是全球刻不容缓的一件大事，氢气以其能量密度高、洁净燃烧和可再生而被公认为是矿物燃料的最理想替代能源。目前生产氢气的方法主要有化学制氢法和生物制氢法两大类。尽管化学制氢作为一项成熟的技术已成为工业制氢的一种主要手段，但是化学制氢通常反应条件要求苛刻，消耗常规能源，生产过程对环境造成污染。生物制氢是利用微生物自身的新陈代谢途径而生产氢气的方法，反应条件温和，且制氢原料可采用工农业生产的各种有机废弃物(有机废水、畜禽粪便和城市污水等)，在生产氢气的同时又治理了环境。 作为生物制氢的一种，光合生物制氢是在光照条件下利用光合细菌可分解有机质产生氢气，对有机质分解彻底，产氢量高，且产氢过程中也不产生对产氢酶有抑制作用的氧气，是一种最具发展潜力的生物制氢方法。但光转化效率普遍较低和成本太高制约了光合生物制氢技术的应用和发展，本文采用太阳光完全替代能耗较大的人工光源，实现了太阳能光合生物制氢系统在基本不消耗能源的情况下运行，从而有效地减少了光合生物制氢的能源消耗，显著降低了生物制氢成本。本文研究了本实验室筛选出来的高效产氢菌种的光谱耦合特性，进而采用滤光技术，提高了能够被产氢细菌高效吸收的有效光密度，极大地提高了光转化效率，同时也对以畜禽粪便为原料的光合制氢工艺条件进行了研究。 主要研究成果有以下几个方面： 1．成功研制出一套带有自动跟踪太阳且可调滤光的太阳光高效聚焦传输系统，并完成了该系统的光传输性能优化研究。采用菲涅耳透镜聚光方式，使太阳光高效聚集，在焦点前放置可更换的带通滤光片，在焦点处放置端光纤，使进入到光导纤维的能够被光合细菌高效吸收的光的密度大大增加。同时，该系统采用光导纤维将太阳光输送到罐状反应器的内部，改善了深层区域的光照度。为了提高对太阳的利用率，根据太阳的运行规律，采用光电控制技术，使信号探测器固定在集能平面上与其一起转动，当接收到太阳光线发生偏转信号后，传给电子自动控制电路，通过模数转换对信号进行分析，给出指令，使驱动电机通过减速机构转动集能平面，精确对准太阳，从而实现了对太阳方位角和高度角的全方位二维自动跟踪，大大提高了太阳能利用率。 2．研制了具有较高效率的光合生物制氢实验系统，其中在设计具有较高表面积和体积比的新型环流罐式光反应器时，以反应液的循环流动进行搅拌，取代了传统反应器内部的浆叶搅拌，增加了反应器的有效容积。并采用外置的热交换系统，在循环的同时完成了反应温度的控制，取代了传统的夹层结构，降低了成本。并深入系统地研究了制氢系统中光的传输过程，对菲涅耳透镜的聚光过程和光导纤维的传光过程进行了理论分析，对光在反应器中的衰减特性，进行了入射光强、反应液浓度和深度对光衰减的影响实验研究，发现入射光的强度