电压扰动对EAD代谢通量中微生物与关键酶活性的影响

为探究电压扰动对EAD代谢通量中微生物与关键酶活性的影响,实验采用单室EAD反应器,以电解电压为扰动变量,利用CNA构建代谢模型,对扰动前后微生物群落、酶活水平及通量变化进行讨论。结果表明,电压扰动后,产甲烷途径偏向于氢营养型产甲烷,约占38.5%,且0.6 V扰动时表现出最佳的甲烷通量,为0.5222 g。EAD体系中的H₂的主要来源是阴极和NADH,电解电压的扰动会影响H₂的产生,进而会影响产甲烷通量。在0.6 V扰动后,生物膜中Trichloromonas的相对丰度高达 40.2%,分别是1.0 V和1.4 V的1.52倍和1.13倍,同时CoI、PTA、AK与CoF₄₂₀均表现出最佳的酶活水平,关键酶活水平和Trichloromonas的相对丰度与产甲烷代谢通量表现出较好的一致性,而阳极生物膜中微生物多样性也是影响EAD产甲烷通量的重要因素。     

pH对高温厌氧耗氢产甲烷及微生物群落的影响

随着化石燃料的枯竭,以厌氧耗氢产甲烷菌为功能优势菌群的异位（或离位）加氢沼气生物提纯工艺备受关注。本文考察了高温条件下不同初始pH对厌氧耗氢产甲烷过程及微生物群落的影响。研究结果表明,半连续流反应器中不同初始pH变化对产甲烷量影响不大,在以H₂/CO₂为基质的厌氧体系中,厌氧耗氢产甲烷过程是甲烷产生的主要途径。比产甲烷活性研究结果进一步表明碱性条件（初始pH=8.5～9.0）耗氢产甲烷污泥对氢气消耗率提高,产甲烷迟滞期缩短至6.9h,且甲烷产率高达19.8mL CH₄ /(gVS?h)。通过高通量测序技术对不同初始pH条件下的产甲烷古菌群落进行分析,3个样本均以厌氧耗氢产甲烷菌为主导,酸性和中性条件古菌群落属水平上相似,以Methanothermobacter为主,其相对丰度分别为90.6%、91.6%;而碱性条件下以Methanobacterium为主,其相对丰度可达83.6%,还发现了Methanomassiliicoccus,其相对丰度可达7.7%。碱性条件下Methanobacterium相对丰度的提高和Methanomassiliicoccus的富集,可能是碱性条件下比产甲烷活性提高的主要原因。     

接种量对MEC阳极生物膜氢气产率的影响

以葡萄糖为底物,采用单池MEC反应器探究不同接种量下MEC阳极生物膜的氢气产率与阳极表面电活性微生物之间的关系。结果表明,无电解电压的对照组并未有阳极生物膜形成,对照组、20%、30%和40%接种量下产生的最大电流分别为0、7.5、13.6、0.7 mA,氢气产率分别为0.1、0.87、1.52、1.28 mol H₂/mol-G,其中,30%接种量下的阳极膜表现出较好的氢气产率和微生物多样性。16S rRNA测序结果表明,各实验组阳极生物膜中占主导的产电菌均以Clostridium和Geobacter为主,30%接种量条件下阳极膜微生物种类、优势菌丰度及生物量都最丰富,其中电活性微生物丰度为64.9%,且相对丰度不受接种量的影响。     

电压和电流对连续电化学厌氧消化的影响

电解电压和电流是连续电化学厌氧消化的重要电化学参数,通过影响厌氧消化电活性微生物活性进而影响电化学厌氧消化。研究改变电压和电流,在35℃下运行连续电化学厌氧消化(EAD),分析了不同条件下的产气量、组分含量、底物消耗率及甲烷产率。结果表明,电压的提高有利于EAD体系内电活性微生物的生长进而促进产生电流,4.0 V时EAD产甲烷最高,电活性微生物活性最强与甲烷产率最佳;当电压继续升高至5.0 V与6.0 V,电压过高抑制反应体系类电活性微生物活性,甲烷产率下降。增加电流运行的EAD均有较高的底物消耗率和较高的甲烷产率。     

温度对产甲烷菌代谢途径和优势菌群结构的影响

产甲烷菌是严格厌氧的古菌,由其完成的产甲烷过程通常是厌氧微生物生化代谢中最重要的限速步骤。温度作为影响产甲烷菌的产甲烷速率重要因素,其变化会改变生物环境中的产甲烷的代谢途径和优势菌群分布。目前已知甲烷生物合成有3条途径：乙酸代谢途径、CO₂还原途径和甲基营养型途径。理论上乙酸途径生成的甲烷约占甲烷生成总量的2/3,CO₂还原产甲烷途径则约占1/3,甲基营养型途径只在少数情况下考虑其影响,例如盐湖。在低温条件下产甲烷菌以利用乙酸代谢为主;在中温条件下,产甲烷途径以乙酸代谢和H₂/CO₂还原一定比例存在;在高温和超高温条件下,以只利用CO₂还原途径的菌群为主。     

固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂，可以在处理废水的同时将CO₂转化为甲烷，极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一，其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题，推导了微生物阴极电极反应动力学方程（Nernst-Monod方程），构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型，研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5 V (vs SHE)时，随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大，底物浓度降低；但当阴极电势降低至-0.5 V(vs SHE)后，生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和；低电导率（<10^-3 S/m）会导致生物膜内形成明显的电势差，使得底物利用速率降低，严重影响微生物阴极的性能；生物膜孔隙率控制在0.4时，微生物阴极可达到最佳电流密度。     

无模板法中空碳球电化学产过氧化氢

采用气溶胶法无模板制备了中空碳球,并进行改性,构建了电化学产H₂O₂体系,探究了改性机理、最佳改性条件、最佳反应条件、循环性能。研究表明,同时使用H₂碳化和KOH活化的中空碳球的产H₂O₂性能最好,H₂使得大量C=C转化为催化活性更高的C—C。中空碳球改性的最佳煅烧温度为800℃,最佳煅烧时间为2 h。改性后的中空碳球产H₂O₂具有较广的pH(3～11)和电压(-0.8～-1.4 V)适应范围。在电压-1.2 V、催化剂量2.67 mg/cm²、空气流量1.5 L/min、pH 7条件下,产生的H₂O₂浓度最高,1 h内达到了173 mg/L,循环5次后,性能没有明显下降。     

电芬顿调理污泥脱水性能影响因素研究

采用电芬顿技术对市政剩余污泥进行调理，以毛细吸水时间(CST)、污泥比阻(SRF)和污泥含水率为指标，研究了电芬顿调理污泥的主要影响因素(包括H₂O₂投加量、电压和反应时间)。结果表明，增大H₂O₂投加量和电压、延长反应时间均能有效改善污泥脱水性能。电芬顿调理污泥最佳条件为H₂O₂投加量0.12 mol/L，电压8 V，反应时间60 min。调理后污泥含水率下降18.8%。而过多的H₂O₂投加量、高电压和过长的反应时间均不利于改善污泥脱水性能。     

离子膜电解法制备氯金酸及其机理探究

以Au为阳极、石墨为阴极、饱和甘汞电极(SCE)为参比电极、盐酸为电解质，采用离子膜电解法制备了氯金酸。探究了氯金酸制备过程中Au的阳极行为以及实验条件(Cl^–浓度、电解液pH、H₂O₂含量)对制备过程的影响，并对反应机理进行了探究。结果表明，实验所得样品化学式为HAu Cl₄·4H₂O，氯金酸产率可达94.57%;Au被电解为Au³⁺发生在阳极电位0.83～1.30 V(vs.SCE)之间，致钝电位为1.3 V(vs.SCE)；电解过程中减小电解液pH、增大电解液中Cl^–浓度可以促进Au的电解，峰电位随着pH的减小而降低；本实验条件下最佳电解条件为：电解电位1.25 V(vs.SCE)、电解液pH为1.0、Cl^–浓度1.0 mol/L、H₂O₂含量5 mmol。Nyquist图表明，氯金酸电解制备过程受电荷转移与扩散混合控制，随着溶液中Cl^–浓度...     

流场对MEC生物阴极CO2还原性能与产物的影响

针对微生物电解池 （microbial electrolysis cell,MEC）CO₂还原过程阴极CO₂还原速率低的问题,本文通过改变阴极室的流场环境,探究流场对生物阴极启动、运行、产物及功能微生物的影响,阐明MEC生物阴极CO₂还原性能、产物转化、微生物群落对流场的响应关系。结果表明,流场不仅增强了生物阴极还原CO₂能力（电子消耗量提高了10%,其中CO₂产乙酸途径消耗电子量提高了30%）,还使生物阴极的CO₂还原途径由启动阶段的CO₂还原产甲烷转变为运行阶段产乙酸。高通量分析表明,流场改变了生物阴极和阴极液的微生物群落结构,使阴极生物膜的嗜氢型产甲烷菌（Methanobacterium）向嗜乙酸型产甲烷菌（Methanosaeta）主导的群落演变。产乙酸菌群落（Petrimonas、Candidatus_Caldatribacterium）丰度较对照组提高了3.8%,在CO₂产乙酸过程中起到重要作用。本研究可为MEC还原CO₂产乙酸的定向调控研究提供理论和技术支撑。     

Reaction and oxygen permeation studies in Sm0.4Ba0.6Fe0.8Co0.2O3 − δ membrane reactor for partial oxidation of methane to syngas

A disk-type Sm_0.4Ba_0.6Co_0.2Fe_0.8O_3 − δ perovskite-type mixed-conducting membrane was applied to a membrane reactor for the partial oxidation of methane to syngas (CO + H₂). The reaction was carried out using Rh (1 wt%)/MgO catalyst by feeding CH₄ diluted with Ar. While CH₄ conversion increased and CO selectivity slightly decreased with increasing temperature, a high level of CH₄ conversion (90%) and a high selectivity to CO (98%) were observed at 1173 K. The oxygen flux was increased under the conditions for the catalytic partial oxidation of CH₄ compared with that measured when Ar was fed to the permeation side. We investigated the reaction pathways in the membrane reactor using different membrane reactor configurations and different kinds of gas. In the membrane reactor without the catalyst, the oxygen flux was not improved even when CH₄ was fed to the permeation side, whereas the oxygen flux was enhanced when CO or H₂ was fed. It is implied that the oxidation of CO and H₂ with the surface oxygen on the permeation side improves the oxygen flux through the membrane, and that CO₂ and H₂O react with CH₄ by reforming reactions to form syngas.     

Solubility and mass transfer of H2, CH4, and their mixtures in vacuum gas oil: An experimental and modeling study

In this work, the solubility data and liquid-phase mass transfer coefficients of hydrogen (H₂), methane (CH₄) and their mixtures in vacuum gas oil (VGO) at temperatures (353.15-453.15 K) and pressures (1-7 MPa) were measured, which are necessary for catalytic cracking process simulation and design. The solubility of H₂ and CH₄ in VGO increases with the increase of pressure, but decreases with the increase of temperature. Henry's constants of H₂ and CH₄ follow the relation of ln H=-413.05/T + 5.27 and ln H=-990.67/T + 5.87, respectively. The molar fractions of H₂ and system pressures at different equilibrium time were measured to estimate the liquid-phase mass transfer coefficients. The results showed that with the increase of pressure, the liquid-phase mass transfer coefficients increase. Furthermore, the solubility of H₂ and CH₄ in VGO was predicted by the predictive COSMO-RS model, and the predicted values agree well with experimental data. In addition, the gas-liquid equilibrium (GLE) for H₂ + CH₄ + VGO system at different feeding gas ratios in volume fraction (i.e., H₂ 85% + CH₄ 15% and H₂ 90% + CH₄ 10%) was measured. The selectivity of H₂ to CH₄ predicted by the COSMO-RS model agrees well with experimental data. This work provides the basic thermodynamic and dynamic data for fuel oil catalytic cracking processes.     

La2NiO4 tubular membrane reactor for conversion of methane to syngas

La₂NiO₄ tubular membranes of relative density over 92% were used to separate oxygen from air and facilitate the partial oxidation of methane to H₂ and CO at 900 °C. When methane was fed into a tube of inner surface area 5.11 cm² at a rate of 10.5 ml/min, methane throughput conversion was 89%, CO selectivity 96%, H₂/CO ratio 1.5, and the equivalent oxygen flux was 6.8 ml/min. The surface of the La₂NiO₄ membrane exposed to CH₄ decomposed into La₂O₃ and Ni, while the surface in contact with air remained almost unchanged. It is suggested that the conversion of methane in the membrane reactor involves the reforming of methane by the H₂O and CO₂ catalyzed by nickel.     

甲烷及水蒸气对生物质催化气化合成气和焦油的影响

以松木木屑为生物质原料，在两段式反应器上进行甲烷、水蒸气对生物质催化气化影响的实验研究，考察了甲烷与生物质之比α、水碳比S/C对气体产率、碳转化率、焦油产率、焦油组分和露点温度影响的变化规律。结果表明：α从0增加到0.4，合成气中H₂的产率增加了57.4%，甲烷的加入有利于生成富含氢气的合成气；α为0.2时碳转化率最高，为86.9%，焦油产率下降了30.5%，第二、五类焦油的产率达到最低，可见适量CH₄的添加能促进焦油的转化，特别是大分子焦油和酚类的反应。随着S/C的提高，H₂产率升高，CO产率降低；S/C从1增加到1.5，各类焦油的含量均有所降低，当S/C进一步增加到2时，第二、五类焦油含量却有所上升，说明水蒸气可以促进焦油向气体分子转化的反应，但过量的水蒸气抑制酚类和大分子焦油的分解。总之，甲烷和水蒸气的适量添加均可以提高合成气中H₂的含量，降低焦油产率，提高合成气的品质，有利于气化产物的进一步利用。     

Circumventing fuel-NOx formation in catalytic combustion of gasified biomass

It has been shown that it is possible to decrease fuel-NO_x produced from NH₃ using catalytic combustion of a synthetic gasified biomass at fuel-lean conditions. In a certain temperature regime where the conversion of fuel components, such as CO, H₂ and CH₄, is low and conversion of NH₃ is high, it is suggested that the formed NO_x is reduced by the remaining fuel components, mainly hydrocarbons. With oxide catalysts only ca. 10% of the NH₃ was converted to NO_x, the rest to N₂. It has also been shown that the ignition sequence of CO, H₂ and CH₄ varied for different catalysts and different experimental conditions, and that methane coupling and methanation reactions occurred before ignition of CH₄.     

锆基双金属氧化物催化剂硫中毒的研究

在工业二氧化碳加氢制甲醇过程中,硫化氢气体的引入将对该过程中使用的催化剂活性及稳定性带来负面的影响。基于此,采用微反应合成法成功制备了InZrO_x和ZnZrO_x锆基催化剂,并研究了在二氧化碳加氢反应中,硫化氢气体对锆基催化剂的结构性质及其催化性能的影响规律。结果表明,在T=573 K、p=3.0 MPa和GHSV=18 000 mL/(g_cat·h)条件下,仅通入二氧化碳/氢气反应气时,InZrO_x和ZnZrO_x催化剂的二氧化碳转化率和甲醇选择性分别为7.2%、9.3%和93%、92%。在二氧化碳/氢气原料气中通入体积分数为5×10^-3硫化氢气体时,InZrO_x和ZnZrO_x催化剂的二氧化碳转化率和甲醇选择性都降为0,这主要是因为硫化氢气体占据了氧空位,导致锆基双金属氧化物催化剂硫中毒失活。当停止通硫化氢气体时,InZrO_x和ZnZrO_x催化剂的二氧化碳转化率和甲醇选择...