“双碳”下金属纳米颗粒优化暗发酵制氢策略及前景

氢能是“双碳”下推动化石能源低碳转型的重要方向,推动绿氢技术的发展仍面临诸多挑战,微生物暗发酵制氢是实现生物质绿氢转化的有效途径。其中,利用具有量子尺寸效应、比表面积大和电导率高的金属纳米颗粒(MNPs)优化暗发酵制氢技术是近年来的研究热点。综述和评论了国内外添加MNPs用于优化暗发酵制氢性能的作用机制、技术难点和制氢效果等,重点阐述并比较了铁、镍和锌基三类热门MNPs优化策略在提高产氢酶系活性、增强代谢产氢途径和优化微生物群落结构等方面的作用,展望了暗发酵制氢可深入MNPs优化氢化酶活性、拓宽生物质发酵底物以及产氢菌筛选和反应器设计、生物质发酵技术开发等研究方向和应用前景。

CaO预处理青稞秆厌氧暗发酵实验设计与暗发酵性能分析

厌氧消化技术是《固体废物处理与资源化》课程中处理有机废物最有效的处理技术之一。为了让学生更好地掌握厌氧消化方面的基础知识,以青稞秆为原料开展了厌氧暗发酵实验。通过暗发酵实验设计和对暗发酵性能进行分析,使学生掌握用实验数据进行做图和对实验数据进行简单分析的方法,在巩固基础知识的同时,培养学生对科学研究的兴趣。

新兴污染物三聚氰酸对剩余污泥暗发酵产氢的影响

为探究新兴污染物三聚氰酸(CA)对剩余污泥(ES)厌氧暗发酵产氢的影响,作者在中温环境下,建立5组批式厌氧反应器,通过控制进料CA的含量探究了ES暗发酵过程氢气、溶解性有机物、甲烷及关键酶活性的变化规律。结果表明,CA对ES暗发酵产氢具有剂量依赖性。当CA的含量为1.0 mg/kg时,ES暗发酵产氢最大量为10.2 mL/g VSS,约为空白组的1.1倍。高含量CA降低ES暗发酵产氢效率。适量CA存在能提高ES中溶解性有机质含量,且当CA含量为1.0 mg/kg时,溶解性蛋白质和溶解性多糖的最大浓度分别升高至564 mg/L和159 mg/L,均显著高于空白组。此外,适量CA存在能提高ES发酵过程挥发性脂肪酸的浓度。CA显著降低了ES发酵过程甲烷的产量。酶活性分析表明当CA含量低于1.0 mg/kg时,蛋白酶、乙酸激酶和丁酸激酶的活性随CA含量升高而升高,而CA含量超过1.0 mg/kg时,CA显著降低暗发酵过程关键酶的活性。

暗发酵制氢的研究进展

厌氧发酵制氢具有产氢能力高、速率快、持续稳定、反应装置的设计操作简单、原料来源广泛且成本低等特点,更易于实现规模化生产,成为制氢领域的研究热点。主要介绍了暗发酵制氢的原理、影响因子,概述了暗发酵制氢工艺的研究现状及发展趋势。

预处理温度对玉米秸秆暗发酵制氢性能的影响

为了比较不同预处理温度对玉米秸秆暗发酵制氢性能的影响,在不同温度(40、80、120、160℃和200℃)下,采用1%H2 SO4和2%NaOH两种试剂分别对玉米秸秆进行预处理,再进行中温暗发酵实验,接种物来源于以猪粪为原料的厌氧消化后的沼液。结果表明:最佳的预处理条件为80℃下,采用1%H 2 SO4对玉米秸秆预处理60 min,其单位总固体(TS)产氢量达到27 mL/g,比未预处理玉米秸秆提高了56.27%,且最大产氢速率最高可达到15.42 mL/h,比未预处理玉米秸秆的最大产氢速率提高了83.57%。玉米秸秆产氢最适宜的pH值范围为5.0~5.5,不同预处理温度会对产酸量和产酸的组分造成影响,发酵类型均为丁酸型发酵。因此,预处理温度是影响暗发酵制氢性能的一个重要因素。

影响暗发酵制氢因素的研究进展

暗发酵制氢具有产氢能力高、速率快、持续稳定、原料来源广泛且成本低等特点,易于实现规模化生产,已成为制氢领域的研究热点。文中主要介绍了对暗发酵制氢高效、持续和稳定产氢有重要影响的影响因子,如接种物、pH值、温度以及水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)。概述了暗发酵制氢技术近年来的研究现状和其发展趋势。

金属纳米颗粒辅助木质纤维素暗发酵生物制氢的研究进展

通过文献计量学分析表明暗发酵制氢是目前研究最热门的生物制氢方法,Fe、Ni、Co、Ag等金属纳米颗粒作为该领域研究热点可改善暗发酵制氢存在底物转化率与产氢效率均有待提高的难题。介绍了金属纳米颗粒的特点、生物相容性及其与酶、微生物细胞的作用机理,进一步从促进木质纤维素水解影响产氢、对水解酶的固定化影响产氢、提高氢化酶活性影响产氢、调控发酵微生物细胞代谢和促进细胞电子传递影响产氢、改善微生物群落结构影响多菌群协同产氢等几个方面对典型金属纳米颗粒辅助木质纤维素暗发酵产氢的研究现状进行综述,并对金属纳米颗粒应用于暗发酵产氢存在的难点及前景方向进行了展望。

pH值对剩余污泥暗发酵产氢的影响

pH值是影响剩余污泥暗发酵产氢的重要因素，为了寻求暗发酵产氢的最佳pH条件，试验研究了中温（37±2）℃条件下不同pH值（4～11）对剩余污泥暗发酵产氢的影响。结果表明，当pH=10时剩余污泥的H2产量最大，发酵132h时累积H2产量为21．1mL／gVSS。剩余污泥暗发酵水解、酸化和产甲烷阶段的试验分析表明：pH=10时H2产量最大的主要原因是pH=10的条件促进了污泥的水解和产酸，却抑制了产甲烷菌的活性，因此H2的产量显著增加。

过氧化钙强化初沉池污泥厌氧暗发酵的产氢机制探究

采用过氧化钙(CaO_(2))对剩余污泥进行预处理,研究CaO_(2)对剩余污泥厌氧暗发酵产氢的性能,并通过分析发酵过程中有机物变化、关键酶活性揭示CaO_(2)强化污泥暗发酵产氢的机制。结果表明,经CaO_(2)预处理后,污泥暗发酵产氢气量显著提高,当CaO_(2)剂量为0.3 g/g时,氢气的最大积累量为6.54 mL/g。CaO_(2)预处理后发酵体系中溶解性有机物含量大幅提高,当CaO_(2)剂量为0.3 g/g时,SCOD的最大为592 mg/L。CaO_(2)预处理抑制了产甲烷古菌的活性,降低了甲烷积累量。CaO_(2)促进水解及酸化关键水解酶,而抑制F420酶活性。温度是影响CaO_(2)强化污泥产氢的因素,当温度由15℃升高至45℃时,氢气的最大积累量由4.54 mL/g升高至7.13 mL/g。

金属纳米颗粒在暗发酵生物制氢中的应用研究进展

介绍了金属纳米颗粒的种类及其影响暗发酵产氢的作用机理,进一步对Fe、Ni及其氧化物纳米颗粒和其它金属纳米颗粒应用于微生物暗发酵产氢的影响作用进行了综述,并对其应用于暗发酵产氢的研究方向进行了总结和展望。

高粱酒糟糖化处理及其暗发酵产氢性能

高粱酒糟是白酒生产过程中产生的富含纤维素的副产品,其暗发酵产氢被认为是较有前景的处理方法之一。为提高高粱酒糟氢气转化效率,探讨了不同预处理方式对高粱酒糟糖化率及糖化液发酵产氢的影响。结果表明,纤维素酶解是酒糟糖化的最优处理方式,其酶解条件为:固液比1:15(g:mL)、纤维素酶添加量4000 U/g,对应酶解液还原糖产率为17.21%,比对照组提高了341.28%。此外,糖化液产氢结果表明,与纤维素酶单一酶解方法相比,纤维素酶-淀粉酶耦合法的酒糟糖化液产氢率更高,对应的氢气产率为51.56 mL/g。扫描电镜结果显示,酒糟的纤维结构在酶解过程中明显被破坏,说明纤维素酶解促进了纤维素向糖类物质转化。

微藻生物质两段式暗发酵强化氢气和甲烷产量的实验研究

微藻生物质厌氧消化生产氢气和甲烷效率低下,研究了一种新型微藻处理工艺即两段式暗发酵提高氢气和甲烷产量。结果表明微藻生物质的最佳有机负荷为10 g/L,相应的氢气产量为18.6 mL/g(每克挥发性有机质产气量)。进一步研究表明蛋白酶预处理能进一步提高水解酸化相中氢气的产量至35.5 mL/g,反应pH最低为6.0。同时,蛋白酶预处理能够提高产甲烷相中甲烷产量;并且最大产量为251 mL/g,显著高于空白对照组。机理研究表明,两段式消化分别为水解酸化相和产甲烷相提供最佳环境。

暗发酵制氢代谢途径研究进展

氢能因具备高热值、燃烧产物无污染、原料来源广泛等优点成为最具潜力的新能源之一。暗发酵因不受光照限制,产氢能力强,并可以解决环境污染问题而成为研究的热点。该文主要综述了暗发酵制氢的代谢途径及其研究进展,重点阐述了产氢菌株关键酶或基因改造的最新研究成果,并对其未来的应用进行了展望。

矿化垃圾强化剩余污泥暗发酵产氢

为强化污泥暗发酵产氢,考察了矿化垃圾(AR)对污泥暗发酵产氢的影响,并从有机物生物转化过程、酶学及微生物群落特征等方面分析了AR对污泥暗发酵产氢的强化机制。结果表明,当AR含量为9%时,氢气产量高达15.6 mL/g,约为空白组的1.25倍。同时AR促进了污泥水解酸化过程,并可将发酵液内溶解性COD、溶解性蛋白质和多糖含量分别提高至4265、2903和1195mg/L。AR既提高了与水解酸化过程相关关键酶的活性,又影响了污泥暗发酵过程中微生物的群落特征。在门水平上,AR提高了Firmicutes和Proteobacteria的相对丰度;在属水平上,其提高了Bacteroides和Gallicola的相对丰度,上述微生物均与污泥水解酸化过程相关。

微藻光—暗联合发酵制氢固碳效果及经济效益评价

微藻能源是最具潜力的第三代生物质能源,将废物处理的微藻用于制氢,能够在增强废物资源化利用的同时提升生物制氢的经济效益与环境效益。为优化微藻生物制氢的方式并提升生产效益,基于光伏供能情境,采用光—暗发酵相结合的方式进行了微藻生物氢的制取,并分析了不同光—暗联合下微藻的制氢效果和固碳减排效果,最后核算了废物处理产生的经济效益和生物制氢的生产潜力。研究结果表明:①微藻光发酵制氢具有较好的固碳减排效果,每生产1 kg氢气,光发酵的固碳减排量为0.89 kgCO_(2),相较于暗发酵高0.46 kgCO_(2);②暗发酵制氢具有较好的经济效益,每生产1 kg氢气,暗发酵制氢的经济效益为61.56元,相较于光发酵高61.01元;③将光—暗发酵相结合,单个周期可生产41.23 kg氢气,实现固碳减排54.61 kgCO_(2),产生经济效益为2560.52元。结论认为:①采用TP5类(自养时间7 d、异养时间9 d,微藻最终浓度为54 g/L)周期下微藻增殖量进行的光—暗发酵制氢,实现了固碳减排与经济效益并存,相比于其他组合具有更好的生产效果,更适合用于规模化扩大生产;②光—暗发酵联合制氢是基于微藻增殖所进行的,应依据藻种特性优化制氢环境,对制氢比例与制氢方式做出调整,以加强微藻生物质能源开发,不断扩展微藻生物制氢的发展前景。

暗发酵-光发酵两阶段联合生物制氢技术研究进展

随着能源紧缺的日益加剧,以及化石燃料燃烧引起的环境问题逐渐突显,氢能作为一种清洁可再生能源越来越受到青睐。生物制氢与热化学及电化学制氢相比其反应条件温和、低耗、绿色,是一项非常有应用前景的技术。生物制氢从广义上可以分为暗发酵和光发酵产氢两种,其中暗发酵微生物可以利用有机废弃物产生氢气以及有机酸等副产物,光合细菌在光照和固氮酶的作用下可以将暗发酵产生的有机酸继续用于产氢,因此两种发酵产氢方式相结合可以提高有机废物的资源化效率。将近年来暗发酵-光发酵两阶段生物制氢技术进行整理分析,从其产氢机理、主要影响因素、暗发酵-光发酵产氢结合方式(两步法、混合培养产氢)几个方面进行阐述,最后指出该技术面临的挑战。

温度和初始pH对农业固体废物暗发酵产氢的影响

以猪粪、鸡粪、玉米秸秆、餐厨垃圾和厨余垃圾等5种农业固体废物为底物,采用修正的Gompertz模型,研究了典型农业固体废物暗发酵产氢动力学和代谢产物变化规律,探讨了不同温度和初始pH条件下的主要产氢代谢途径。结果表明:温度和初始pH对农业固体废物暗发酵产氢具有显著影响;高温组累积产气量和氢气百分含量显著高于中温组。在55℃高温且pH为6.0的条件下,餐厨垃圾暗发酵产氢效果最佳,累积产气量和氢气百分含量最大,为1 100 mL和73.58%,最大产氢速率和产氢潜力分别为37.11 mL·h-1和660.30 mL;厨余垃圾暗发酵产氢效果次之,鸡粪产氢潜力最差。在暗发酵产氢末期,以鸡粪为底物的代谢产物的氨氮浓度最高,过高的氨氮浓度可能抑制了产氢过程。VFA分析表明:不同底物和条件下丁酸浓度均最高,且含有少量乙醇、乙酸、丙酸等;暗发酵产氢代谢途径是以丁酸型发酵为主的混合型发酵。通过温度、初始pH等非生物性控制因素的优化调控,显著提高了农业固体废物暗发酵产氢潜力和底物利用效率,为生物制氢的技术研发与工程应用提供参考。

纳米零价铁和零价铁对餐厨垃圾暗发酵制氢过程铁离子和酶活性的影响

通过投加不同浓度的纳米零价铁(NZVI)和零价铁(ZVI),考察了暗发酵制氢过程中铁离子组成和浓度变化、氢化酶和脱氢酶活性,研究了2种添加剂强化餐厨垃圾高温((55±1)℃)暗发酵制氢的作用机制。结果表明:投加NZVI和ZVI均可提高餐厨垃圾暗发酵制氢性能;当投加100 mg·L-1 ZVI时,产氢效果最佳,最大产氢潜力和最大产氢速率分别为425.72 mL和66.32 mL·h-1,是投加NZVI实验组的1.64倍和1.34倍,代谢途径是以乙醇型发酵为主的混合型发酵;在投加NZVI和ZVI后,暗发酵制氢末端产物的Fe2+和Fe3+浓度升高,投加300 mg·L-1NZVI和100 mg·L-1 ZVI实验组Fe2+浓度最大,是未投加实验组的2倍和1.87倍;与反应前相比,Fe2+显著升高,Fe3+由于微生物利用与转化浓度降低,同时可有效提高氢化酶活性。投加100 mg·L-1 ZVI不仅可提高氢化酶活性,还可提高脱氢酶活性。以上结果可为提高餐厨垃圾等复杂有机废物的高效能源化提供参考。

种泥预处理和发酵温度对暗发酵产氢的影响研究进展

生物质暗发酵产氢不仅可以处理有机废物,同时可以获得清洁能源,实现了废物资源化利用。然而产氢种泥中大量耗氢菌的存在会导致暗发酵氢气产量低等问题,因此种泥预处理是暗发酵产氢的必需条件。随着暗发酵产氢基质的多样化,产氢种泥的预处理方法也不断发展。对近十年来产氢种泥预处理方法的发展进行了综述,并且结合发酵温度,讨论了种泥预处理方法和发酵温度两方面条件对暗发酵产氢的影响,并对该研究方向提出了展望,以期为后续暗发酵产氢的进一步研究提供参考。

凤眼莲半连续暗光发酵耦合产氢研究

为了对凤眼莲这种生物质进行能源资源化利用,采用两个串联的5 L发酵罐以补料分批培养(半连续培养)的方式研究凤眼莲的暗光发酵耦合产氢特性。通过硫酸溶液、常压微波加热和纤维素酶水解的方式降解凤眼莲得到大量的还原糖,再用处理后的凤眼莲溶液在补料分批培养的条件下进行实验,获得了稳定的暗发酵及光发酵的产氢速率,分别为200.6 m L/(L·d)和85.4 m L/(L·d)。实验中单位原料的产氢量则分别达到50.7 m L/g TVS和285 m L/g TVS,产氢过程的整体热值转化效率为21.7%。