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秸秆废弃物固态发酵产氢的研究

作　者: 白真真
导　师: 樊耀亭
学　校: 郑州大学
专　业: 应用化学
关键词: 生物产氢固态发酵秸秆废弃物高底物浓度
分类号: TQ116.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在发酵生物制氢研究中,通常采用低的底物浓度(≦2.0%),由此产生的大量废水造成严重的二次环境污染问题。因此,以玉米秸秆为底物进行固态发酵产氢在秸秆类废弃物的综合利用和后续处理上具有重要的意义。为了减少发酵生物产氢过程中废水的产生,本文以秸秆废弃物为底物,对固态发酵产氢进行了初步的研究。具体内容如下：1.考察了底物浓度对玉米秸秆产氢性能的影响,结果表明：较高的底物浓度对秸秆产氢有抑制作用。当底物浓度从20 g·L-1上升到60 g·L-1时,累积产氢量却从104.0ml·g-TS-1下降至49.6ml·g-TS-1。相应地,副产物挥发性脂肪酸(VFAs)的含量从4705.23mg·L-1快速增加到9374.01mg·L-1,反应后pH也从4.8下降至4.2。2.为了提高在较高浓度(60g·L-1)条件下秸秆的产氢能力,先对发酵产氢的生态因子进行了单因素的优化,之后在此基础上利用响应面设计法寻求最佳工艺条件。通过统计软件minitab15对关键生态因子(初始pH、碳酸钠添加量和铁单质用量)进行回归分析,确定了产氢的最佳参数：初始pH为7.77,碳酸钠添加量为0.055g·g-cornstalk-1,铁添加量为957mg·L-1,且根据回归方程得到的理论氢气产量为79.384 ml·g-TS-1。3.利用5L连续搅拌厌氧反应器(CSABR)对优化后的秸秆产氢进行了放大实验,考察了发酵过程中的氢产量、氢气浓度以及液态末端产物等。玉米秸秆的最大产氢量和产氢速率分别达到了80.6 ml·g-TS-1和2.5 ml H2·(g-TS·h)-1。实验数据和优化结果相吻合。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 前言  9-19
  1.1 研究背景  9-11
  1.2 固态发酵研究进展  11-17
    1.2.1 发酵底物  11-14
      1.2.1.1 底物特性  11-12
      1.2.1.2 底物预处理  12-13
      1.2.1.3 底物的种类  13-14
    1.2.2 产气菌源  14-15
    1.2.3 关键生态因子  15-17
      1.2.3.1 温度  15-16
      1.2.3.2 pH  16
      1.2.3.3 C/N  16-17
  1.3 秸秆类生物质固态发酵产氢存在的主要问题  17
  1.4 本课题的研究意义和内容  17-19
    1.4.1 本课题的研究意义  17-18
    1.4.2 本课题的主要研究内容  18-19
2 底物浓度对发酵产氢的影响  19-32
  2.1 材料与方法  19-28
    2.1.1 实验原料  19-20
    2.1.2 实验仪器与设备  20-21
    2.1.3 试验方法  21
      2.1.3.1 秸秆水解方法  21
      2.1.3.2 批式试验方法  21
    2.1.4 分析方法  21-28
      2.1.4.1 气体体积分析装置  21-22
      2.1.4.2 气相组分分析  22-23
      2.1.4.3 液相末端产物组分分析  23-25
      2.1.4.4 秸秆中还原糖含量的测定  25-26
      2.1.4.5 玉米秸秆中各成分的测定  26-27
      2.1.4.6 累积产氢量的测定与计算  27
      2.1.4.7 产氢动力学模型  27-28
  2.2 结果与讨论  28-31
    2.2.1 秸秆浓度对产氢的影响  28-30
    2.2.2 秸秆浓度对还原糖含量的影响  30-31
  2.3 小结  31-32
3 固态发酵产氢的初步研究  32-49
  3.1 材料与方法  32-34
    3.1.1 实验原料  32-33
    3.1.2 实验仪器与设备  33
    3.1.3 试验方法  33
      3.1.3.1 秸秆水解方法  33
      3.1.3.2 批式试验方法  33
    3.1.4 分析方法  33-34
      3.1.4.1 秸秆总固体的测定  33-34
      3.1.4.2 其他分析方法  34
  3.2 结果与讨论  34-40
    3.2.1 菌源活化处理对产氢的影响  34-35
    3.2.2 温度对产氢的影响  35-36
    3.2.3 初始pH对产氢的影响  36-37
    3.2.4 氮源对产氢的影响  37-38
    3.2.5 单质铁对产氢的影响  38-39
    3.2.6 无水碳酸钠对产氢的影响  39-40
  3.3 响应面优化产氢  40-47
    3.3.1 响应面实验设计  40-42
    3.3.2 回归模型的建立及方差分析  42-45
    3.3.3 响应曲面分析  45-47
  3.4 验证试验  47-48
  3.5 小结  48-49
4 小型放大实验的验证  49-53
  4.1 材料与方法  49-50
    4.1.1 实验原料  49
    4.1.2 实验仪器与设备  49
    4.1.3 试验方法  49-50
      4.1.3.1 秸秆水解方法  49-50
      4.1.3.2 放大实验试验方法  50
    4.1.4 分析方法  50
  4.2 结果与分析  50-52
    4.2.1 氢产量与氢气浓度的变化  50-51
    4.2.2 液相产物的变化  51-52
  4.3 小结  52-53
5 结论  53-54
参考文献  54-61
个人简历攻读硕士学位期间发表的学术论文与研究成果  61-62
致谢  62

秸秆废弃物固态发酵产氢的研究

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