太陽能微生物制氫系統(tǒng)的研究

【摘要】： 太陽能光合微生物制氫技術(shù)的研究對世界能源經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義,它充分利用豐富的太陽能作為能量來源,CO_2作為碳源,通過微生物的光合作用進(jìn)行產(chǎn)氫反應(yīng)。本文重點對兩種微生物共同產(chǎn)氫的系統(tǒng)中光反應(yīng)器內(nèi)光輻射、系統(tǒng)產(chǎn)氫量以及光轉(zhuǎn)化率進(jìn)行研究。主要研究工作包括: (1)在輻射傳遞方程基礎(chǔ)上,結(jié)合光反應(yīng)器內(nèi)微生物的吸收和散射試驗研究結(jié)果,通過對輻射方程各項分析,建立了光反應(yīng)器內(nèi)部的光輻射傳遞方程。建立兩種微生物共同產(chǎn)氫系統(tǒng)的質(zhì)量方程以及光轉(zhuǎn)化率方程。方程中對散射輻射的模擬采用了24個方向上離散方法,通過對試驗結(jié)果,表明其模擬具有可信度。在入射邊界條件上,提出了散射入射和直射入射分別考慮的方式,相對國內(nèi)外已有研究報告,具有更高的模擬精度,同時可以為分析輻射傳遞過程和優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。 (2)根據(jù)微生物的輻射特性,發(fā)現(xiàn)微生物在吸收太陽能進(jìn)行產(chǎn)氫過程中,當(dāng)輻射強(qiáng)度小于一定值時,微生物不能進(jìn)行產(chǎn)氫反應(yīng)。結(jié)合國外試驗成果,提出這一極限值為67.0W/m~2。采用單一物種進(jìn)行產(chǎn)氫時,對照太陽輻射沿波長方向上的分布,發(fā)現(xiàn)單一物種微生物不能充分利用整個波段范圍內(nèi)的太陽能。通過試驗本文提出了采用A.variabilis和R.sphaeroides共同產(chǎn)氫,并對其模擬計算結(jié)果進(jìn)行分析研究。 (3)分別將光強(qiáng)、反應(yīng)器厚度、產(chǎn)氫量、光轉(zhuǎn)化率等重要參數(shù)繪制成等值分布圖和曲線分布圖。根據(jù)圖表分析結(jié)果表明,隨著反應(yīng)器厚度以及微生物濃度的增加,光輻射強(qiáng)度在反應(yīng)器內(nèi)遞減,當(dāng)兩者增加到一定程度時,反應(yīng)器內(nèi)部出現(xiàn)暗區(qū)。分析比較單一物種與混合物種產(chǎn)氫模擬討算結(jié)果,在相同總濃度和反應(yīng)器厚度情況下,混合物種的產(chǎn)氫量高于單一物種的產(chǎn)氫量,最佳配比關(guān)系為X_R/X_A=4:1。 (4)在分析影響因素的基礎(chǔ)上,改變程序中使用的參數(shù)以及邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬,比較計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器厚度、微生物濃度和配比關(guān)系可以提高產(chǎn)氫量和光轉(zhuǎn)化率。 【關(guān)鍵詞】：光反應(yīng)器 輻射傳遞方程 產(chǎn)氫質(zhì)量 光轉(zhuǎn)化率
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類號】：TK519
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 緒論8-19
• 1.1 生物質(zhì)制氫研究進(jìn)展8-9
• 1.2 生物制氫途徑9-12
• 1.2.1 光合微生物制氫技術(shù)9-12
• 1.3 光合產(chǎn)氫微生物產(chǎn)氫機(jī)制12-13
• 1.3.1 光合細(xì)菌12
• 1.3.2 微藻12-13
• 1.4 光反應(yīng)器的研究13-16
• 1.4.1 光在微生物產(chǎn)氫中的作用13-14
• 1.4.2 光反應(yīng)器類型研究14-16
• 1.5 光轉(zhuǎn)化率16-17
• 1.6 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r17
• 1.7 本文主要工作和研究內(nèi)容17-19
• 2 太陽能微生物制氫系統(tǒng)光傳遞模型19-38
• 2.1 光輻射穿透吸收、散射介質(zhì)時能量的衰減19-21
• 2.1.1 光分布最簡單模型:Beer-lambert方程20-21
• 2.2 輻射傳遞方程21-24
• 2.2.1 邊界條件23-24
• 2.3 微生物和介質(zhì)的輻射特性24-28
• 2.3.1 水吸收24-25
• 2.3.2 微生物的輻射特性25-28
• 2.4 產(chǎn)氫質(zhì)量方程28-31
• 2.4.1 產(chǎn)氫速率30
• 2.4.2 產(chǎn)氫質(zhì)量方程30-31
• 2.5 制氫系統(tǒng)的光轉(zhuǎn)化率31-33
• 2.5.1 光在光合微生物制氫過程中的作用31-32
• 2.5.2 太陽能產(chǎn)氫光轉(zhuǎn)化率32-33
• 2.6 光反應(yīng)器制氫系統(tǒng)數(shù)值模擬求解方法與過程33-36
• 2.6.1 輻射傳遞方程計算方法—離散坐標(biāo)法33-35
• 2.6.2 邊界條件輻射方程離散35
• 2.6.3 離散產(chǎn)氫質(zhì)量方程35-36
• 2.7 本章小結(jié)36-38
• 3 校正程序38-44
• 3.1 校正不同條件下的輻射量38-41
• 3.1.1 各向等量散射38-39
• 3.1.2 無散射，只有吸收39-40
• 3.1.3 同時存在散射和吸收40
• 3.1.4 校正直射光40-41
• 3.2 確認(rèn)網(wǎng)格無關(guān)性41-42
• 3.3 加水吸收與忽略水吸收的比較42-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 4 運行結(jié)果與分析44-57
• 4.1 反應(yīng)器內(nèi)光輻射計算結(jié)果44-49
• 4.2 光強(qiáng)隨波長方向上的變化49
• 4.3 產(chǎn)氫質(zhì)量方程計算結(jié)果49-53
• 4.3.1 改變反應(yīng)器厚度對產(chǎn)氫質(zhì)量的影響50-52
• 4.3.2 不同總濃度以及不同厚度的比較52-53
• 4.4 光轉(zhuǎn)化率計算結(jié)果53-55
• 4.5 本章小結(jié)55-57
• 5 結(jié)論與展望57-60
• 5.1 結(jié)論57-58
• 5.2 展望58-60
• 參考文獻(xiàn)60-63
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況63-64
• 致謝64-65

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