專利名稱：一種綠藻光解水制氫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及污水處理和清潔能源開發(fā)領(lǐng)域，具體的說是一種低光強(qiáng)和復(fù)雜培養(yǎng)基條件下綠藻光解水制氫的方法。
背景技術(shù)：
氫氣是一種清潔的能源載體，燃燒時(shí)只生成水，燃燒值很高，約為汽油的3倍且不產(chǎn)生任何污染物。如果將氫能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，熱效率比常規(guī)石化能源高30%-60%。另外，太陽能、風(fēng)能、水利、地?zé)岬榷寄苻D(zhuǎn)化為氫能。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末，氫能將供應(yīng)全球多于75%的能源需求，成為能源消費(fèi)市場的主流能源。然而目前面臨的一個(gè)很大的問題是如何獲得廉價(jià)的氫氣。盡管在人類生存的地球氫是最豐富的元素，但是天然存在氫氣卻極少。在自然界中，最豐富的含氫物質(zhì)是水(H2O),其次就是各種礦物燃料(煤、石油、天然氣等)及各種生物質(zhì)。所以如果要開發(fā)利用這種理想的清潔能源，必須首先開發(fā)氫源，即研究開發(fā)各種制氫方法。與傳統(tǒng)制氫方式相比，綠藻可以光解水產(chǎn)生氫氣近年來受到了廣泛的關(guān)注。然而由于綠藻生物制氫成本偏高，迄今為止，國際上尚未在其制氫產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)發(fā)展方面取得突破。若使綠藻生物制氫真正成為一種替代能源，降低綠藻生產(chǎn)及產(chǎn)氫成本至關(guān)重要。另外，綠藻直接光解水制氫技術(shù)在產(chǎn)生氫氣的同時(shí)產(chǎn)生氧氣，隨著氣相氧分壓逐漸加大，氫化酶逐漸失活，產(chǎn)氫停止，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)大規(guī)模制氫。所以目前的綠藻產(chǎn)氫的研究大部分集中解決在產(chǎn)氫過程的氧抑制問題上。目前主要的產(chǎn)氫方法包括外加光系統(tǒng)II抑制劑和培養(yǎng)基缺硫的產(chǎn)氫方法。加入光系統(tǒng)II抑制劑雖然可以抑制綠藻釋放氧氣，但可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞短時(shí)期內(nèi)死亡，不適合大規(guī)模經(jīng)濟(jì)地制造氫氣。另一種產(chǎn)氫方法是將培養(yǎng)成熟的綠藻收集后，懸浮于不含硫元素的培養(yǎng)基中，無硫培養(yǎng)導(dǎo)致綠藻放氧能力的降低，當(dāng)綠藻光合放氧速率降低至其呼吸速率以下時(shí)，綠藻產(chǎn)氫體系就會(huì)自發(fā)達(dá)到厭氧，產(chǎn)氫就可以產(chǎn)生。然而這種產(chǎn)氫方法的弊端也較為明顯綠藻需要收集，且當(dāng)前并沒有合適的方法，例如離心收集需要耗費(fèi)電力，投入和設(shè)備成本都較高，并且將培養(yǎng)基中的硫元素去除同樣會(huì)大幅提高綠藻制氫的成本。所以若使綠藻產(chǎn)氫大規(guī)?；仨氶_發(fā)正常條件下(有硫)產(chǎn)氫方法和非外加光系統(tǒng)II抑制劑的產(chǎn)氫方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種低光強(qiáng)和復(fù)雜培養(yǎng)基條件下綠藻光解水制氫的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種綠藻光解水制氫的方法，綠藻在廢水中輔以二氧化碳培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期，然后添加乙酸鈉，并在厭氧條件下經(jīng)6-12小時(shí)的暗誘導(dǎo)后，再放置于低光強(qiáng)下產(chǎn)氫，即得到綠藻光解水產(chǎn)氫。具體為I)綠藻的培養(yǎng)將綠藻接種于廢水中(接種終濃度為光密度值OD75tl = O. I)，在100-200 μ E/m2-s光照強(qiáng)度下馴化20_24h，馴化后通入二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，(混合氣體通入量為O. lL/min，二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w為2% (體積百分比)和98%氮?dú)饣旌蠚?，培養(yǎng)至綠藻進(jìn)入對(duì)數(shù)生長末期停止生長，此時(shí)藻液的光密度值OD750為I. 5-2. O ；其中，綠藻接種密度為光密度值OD75tl = O. I ；2)綠藻產(chǎn)氫向上述藻液中添加乙酸鈉并在厭氧條件下暗誘導(dǎo)，暗誘導(dǎo)后將藻液置于30-40 μ E/m2 · s光照強(qiáng)度下產(chǎn)氫。其中，上述培養(yǎng)至綠藻進(jìn)入對(duì)數(shù)生長末期藻液終濃度為OD75tl = I. 5-2. O時(shí)向藻液中添加終濃度為30-40mmol/L的乙酸鈉。
所述廢水可為厭氧發(fā)酵后的殘余廢液或生活污水。所述廢水為沼液，應(yīng)去除其中的固體顆粒后，每升沼液中添加10_15g的活性炭攪拌24-30h后經(jīng)過濾，取上清液，而后將上清液用水稀釋為上清液濃度的25% -100%，經(jīng)滅菌處理后，待用。而所述廢水為生活污水時(shí)由于其色度低，僅需簡易離心去除固體顆粒，經(jīng)滅菌處理后，待用。所述綠藻產(chǎn)氫時(shí)直接在培養(yǎng)至進(jìn)入對(duì)數(shù)生長末期停止生長的藻液中加入乙酸鈉，密封，然后對(duì)藻液上空抽真空并充氮?dú)庵翚鈮浩胶?，重?fù)操作使反應(yīng)器達(dá)到厭氧，然后將藻細(xì)胞暗處放置誘導(dǎo)氫化酶活性，然后放置于30-40 μ E/m2 · s光照強(qiáng)度下產(chǎn)氫。所述綠藻為綠藻門的小球藻(Chlorella)、柵藻(Scenedesmus)或衣藻(Chlamydomonas)。在低光強(qiáng)的條件下產(chǎn)氫。低光強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)在于在這種光強(qiáng)下綠藻釋放的氧氣不會(huì)對(duì)
產(chǎn)氫產(chǎn)生抑制。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明將污水綜合利用與綠藻培養(yǎng)偶聯(lián)，并利用培養(yǎng)成熟的綠藻產(chǎn)氫，同時(shí)達(dá)到了污水處理、綠藻培養(yǎng)和二氧化碳減排的功能，并在低光強(qiáng)的條件下消除了產(chǎn)氫過程中氧抑制的問題，既在不需要離心、更換培養(yǎng)基等條件(區(qū)別于兩步法需更換無硫培養(yǎng)基)獲得清潔的可再生能源氣體-氫氣，而且添加的乙酸鈉是可促進(jìn)綠藻生長的碳源，對(duì)藻細(xì)胞無害。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例采用的光生物反應(yīng)器示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的綠藻生長情況示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的綠藻累積產(chǎn)氫量示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的綠藻培養(yǎng)過程的COD含量變化示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的綠藻培養(yǎng)過程的氨氮含量變化示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的綠藻培養(yǎng)過程的總磷含量變化示意圖。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例I(I)沼液的處理以沼液為培養(yǎng)基需預(yù)處理。沼液經(jīng)沉降、離心和過濾去除其中的固體顆粒，添加活性炭吸附，以消除其色度對(duì)光透過率的影響，添加的活性炭濃度約為IOg/L，攪拌24h后經(jīng)過濾保留上清液。以水稀釋至上清液濃度的25%，經(jīng)滅菌處理后作為培養(yǎng)緑藻的培養(yǎng)基；(2)綠藻的接種將處理后的沼液裝入光生物反應(yīng)器(參見圖I)，接入新鮮的蛋白核小球藻，接種比例為處理后的沼液體積的O. 5% -I %，緑藻接種密度為光密度值OD75tl =
O.I。然后放置于單側(cè)日光燈下在100 μ E/m2 · S的光照強(qiáng)度光照培養(yǎng)，以磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，馴化24h后從反應(yīng)器底部培養(yǎng)液下部通入ニ氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，(混合氣體通入量為O. lL/min, ニ氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w為2% (體積百分比)和98%氮?dú)饣旌蠚?，培養(yǎng)至藻細(xì)胞生物量不再增加，并停止光照通氣，即綠藻進(jìn)入對(duì)數(shù)生長末期停止生長，培養(yǎng)過程的緑藻細(xì)胞的光密度值(OD75tl)如圖2所示；(3)綠藻產(chǎn)氫取適量藻液加入至厭氧產(chǎn)氫反應(yīng)器中，并添加40mmol/Lこ酸鈉，密封。然后對(duì)藻液上空抽真空并充氮?dú)庵翚鈮浩胶猓貜?fù)三次使反應(yīng)器達(dá)到厭氧，藻液上空或溶液內(nèi)少量殘余的氧氣可由藻細(xì)胞自身的呼吸作用消除。將藻液在暗處放置12h進(jìn)行氫化 酶誘導(dǎo)后，置于30 μ E/m2 · s光照強(qiáng)度的單側(cè)日光燈光源下光照產(chǎn)氫，累積產(chǎn)氫量如圖3所
/Jn ο以上實(shí)驗(yàn)步驟均在室溫25°C下進(jìn)行，3天的累積產(chǎn)氫量可達(dá)到約70mL/L。同時(shí)蛋白核小球藻生長過程中沼液的COD和氮磷含量變化如圖4、5和6，綠藻對(duì)沼液的C0D、氨氮和總磷的去除率分別為64%、97%和98%，說明綠藻既可利用沼液中的營養(yǎng)元素進(jìn)行生長又可對(duì)沼液的COD和氮、磷有較好的去除效率。由此采用本發(fā)明方案以綠藻光解水制氫，可進(jìn)行沼液利用的同時(shí)獲得清潔能源氣體氫氣，且氫氣來源于光能分解水，屬于可再生能源，既實(shí)現(xiàn)了沼液利用、緑藻培養(yǎng)，ニ氧化碳減排和清潔的可再生能源生產(chǎn)的四重效果。實(shí)施例2(I)生活污水的處理生活污水經(jīng)沉降、離心和過濾去除其中的固體顆粒，經(jīng)滅菌處理后作為培養(yǎng)緑藻的培養(yǎng)基；(2)緑藻的培養(yǎng)其步驟與實(shí)施例I相同，只是以生活污水代替沼液，以萊茵衣藻代替蛋白核小球藻；(3)緑藻產(chǎn)氫其步驟與實(shí)施例I相同，只是以生活污水代替沼液，以萊茵衣藻代替蛋白核小球藻，產(chǎn)氫光照強(qiáng)度改變?yōu)?0μΕ/ηι2 · S。本發(fā)明采用富含營養(yǎng)物質(zhì)的沼液等污水培養(yǎng)綠藻并采用ニ氧化碳輔助培養(yǎng)技木，可明顯的降低緑藻培養(yǎng)成本；采用不更換培養(yǎng)基的方式制取氫氣，改變了傳統(tǒng)的緑藻無硫產(chǎn)氫エ藝路線，可大幅降低產(chǎn)氫成本；采用暗誘導(dǎo)加低光強(qiáng)結(jié)合的技術(shù)，有效的降低了光解水所產(chǎn)生的氧氣對(duì)產(chǎn)氫的抑制作用。該項(xiàng)技術(shù)既能解決沼液等排放造成環(huán)境污染的問題又可同時(shí)提供清潔能源。本技術(shù)可以應(yīng)用于污水治理、緑藻培養(yǎng)、ニ氧化碳減排及氫氣生產(chǎn)エ業(yè)。
權(quán)利要求
1.一種綠藻光解水制氫的方法，其特征在于綠藻在廢水中輔以二氧化碳培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期，然后添加乙酸鈉，并在厭氧條件下經(jīng)6-12小時(shí)的暗誘導(dǎo)后，再放置于低光強(qiáng)下產(chǎn)氫，即得到綠藻光解水產(chǎn)氫。
2.按權(quán)利要求I所述的綠藻光解水制氫的方法，其特征在于 . 1)綠藻的培養(yǎng)將綠藻接種于廢水中，在100-200μ E/m2 · s光照強(qiáng)度下馴化20_24h，馴化后通入二氧化碳和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，培養(yǎng)至綠藻進(jìn)入對(duì)數(shù)生長末期停止生長； .2)綠藻產(chǎn)氫向上述藻液中添加乙酸鈉并在厭氧條件下暗誘導(dǎo)，暗誘導(dǎo)后將藻液置于.30-40 μ E/m2 · s光照強(qiáng)度下產(chǎn)氫。
3.按權(quán)利要求I或2所述的綠藻光解水制氫的方法，其特征在于所述廢水可為厭氧發(fā)酵后的殘余廢液或生活污水。
4.按權(quán)利要求3所述的綠藻光解水制氫的方法，其特征在于所述廢水為沼液，應(yīng)去除其中的固體顆粒后，每升沼液中添加10-15g的活性炭攪拌24-30h后經(jīng)過濾，取上清液，而后將上清液用水稀釋為上清液濃度的25% -100%，經(jīng)滅菌處理后，待用。
5.按權(quán)利要求I或2所述的綠藻光解水制氫的方法，其特征在于所述綠藻產(chǎn)氫時(shí)直接在培養(yǎng)至進(jìn)入對(duì)數(shù)生長末期停止生長的藻液中加入乙酸鈉，密封，然后對(duì)藻液上空抽真空并充氮?dú)庵翚鈮浩胶猓貜?fù)操作使反應(yīng)器達(dá)到厭氧，然后將藻細(xì)胞暗處放置誘導(dǎo)氫化酶活性，然后放置于30-40 μ E/m2 · s光照強(qiáng)度下產(chǎn)氫。
6.按權(quán)利要求I或2所述的綠藻光解水制氫的方法，其特征在于所述綠藻為綠藻門的小球藻(Chlorella)、棚藻(Scenedesmus)或衣藻(Chlamydomonas)。
全文摘要
本發(fā)明涉及污水處理和清潔能源開發(fā)領(lǐng)域，具體的說是一種低光強(qiáng)和復(fù)雜培養(yǎng)基條件下綠藻光解水制氫的方法。綠藻在廢水中輔以二氧化碳培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長期，然后添加乙酸鈉，并在厭氧條件下經(jīng)6-12小時(shí)的暗誘導(dǎo)后，再放置于低光強(qiáng)下產(chǎn)氫，即得到綠藻光解水產(chǎn)氫。本發(fā)明將污水綜合利用與綠藻培養(yǎng)偶聯(lián)，并利用培養(yǎng)成熟的綠藻產(chǎn)氫，同時(shí)達(dá)到了污水處理、綠藻培養(yǎng)和二氧化碳減排的功能，并在低光強(qiáng)的條件下消除了產(chǎn)氫過程中氧抑制的問題，既在不需要離心、更換培養(yǎng)基等條件獲得清潔的可再生能源氣體-氫氣，而且添加的乙酸鈉是可促進(jìn)綠藻生長的碳源，對(duì)藻細(xì)胞無害。
文檔編號(hào)C12R1/89GK102676586SQ201210126020
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者張彥婷, 王環(huán)宇, 范曉蕾, 郭榮波 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所