乙酸鹽為底物電化學(xué)輔助生物產(chǎn)氫初步研究.pdf

1、本論文針對目前生物發(fā)酵制氫工藝中急待解決的提高單位基質(zhì)氫轉(zhuǎn)化率問題,立足于利用末端發(fā)酵產(chǎn)物中乙酸等小分子有機質(zhì)在微生物作用下進(jìn)一步獲得氫氣開展試驗研究。本研究結(jié)合微生物燃料電池工藝,采用電化學(xué)輔助生物產(chǎn)氫的新方法實現(xiàn)了以乙酸鹽為底物的產(chǎn)氫過程。采用兩極室微生物燃料電池反應(yīng)器,以城市生活污水處理廠活性污泥接種,在環(huán)境溫度20~28℃啟動。反應(yīng)器運行采用兩種方式：1#反應(yīng)器以外加0.5~0.6V電壓直接輔助產(chǎn)氫；2#和3#反應(yīng)器先產(chǎn)電馴化啟

2、動穩(wěn)定后再轉(zhuǎn)為外加電壓輔助產(chǎn)氫。采用間歇方式保持生物量以加快啟動速度。1#反應(yīng)器運行2個月產(chǎn)生氫氣,陰極室頂空氫氣含量最高達(dá)到70%,電子的氫氣還原效率為21.0 % ,氫氣總轉(zhuǎn)化效率為11.6 % ,氫氣比產(chǎn)率最高為0.4molH2/molNaAC。2#和3#反應(yīng)器運行結(jié)果表明,以產(chǎn)電啟動馴化可以較快的獲得初步穩(wěn)定電化學(xué)活性生物膜,3#反應(yīng)器啟動1個月獲得1000Ω負(fù)載時輸出電壓穩(wěn)定在400mV的啟動狀態(tài),最高輸出電壓可達(dá)440mV,

3、2#反應(yīng)器最高輸出電壓可以達(dá)到500mV ( 1000Ω負(fù)載),庫侖效率為15.0%±0.5%。產(chǎn)氫結(jié)果以3#反應(yīng)器緩沖瓶內(nèi)氫氣平均濃度25%進(jìn)行計算乙酸鈉轉(zhuǎn)化為氫氣的總效率為2.9%,氫氣比產(chǎn)率為0.1molH2/molNaAC,但是陰極室頂空氫氣濃度要高于緩沖瓶內(nèi),最高達(dá)到51.4%。分析表明在0.5~0.6V外加電壓下產(chǎn)生的氫氣不同于電解水制氫,而屬于電子傳遞功能菌的作用結(jié)果,陰極電極電位分析表明可以進(jìn)一步降低外加電壓實現(xiàn)產(chǎn)氫。由

4、此解釋了在給定外加電壓下體系電流變化受功能菌代謝乙酸鹽過程規(guī)律的影響。試驗發(fā)現(xiàn)pH顯著地影響反應(yīng)器的運行效果。陽極室功能菌適宜生存條件保持在6.5~7.2中性范圍,陰極室在7.0以下時運行效果比較好并隨pH的降低有所提高。分析認(rèn)為,體系pH失衡的原因可能是質(zhì)子交換膜(PEM)對質(zhì)子的傳遞效率低,以及外加電壓下變形菌屬與梭菌屬等易導(dǎo)致體系酸化的微生物所致。采用SSCP技術(shù)分析電化學(xué)輔助生物產(chǎn)氫微生物群落,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)體系中主要電子傳遞功能菌群