—緒論研究背景及意義能源是支撐現(xiàn)代文明社會發(fā)展的基礎(chǔ)，其多元的存在形式與復(fù)雜的消費(fèi)結(jié)構(gòu)深刻交織，全方位滲透進(jìn)社會發(fā)展的各個環(huán)節(jié)。該能源分類體系包含不可再生礦物資源（涵蓋煤炭、石油、天然氣等）與可再生能源（包含太陽能、風(fēng)能、水能及生物質(zhì)能）兩大核心模塊?；谖覈?dāng)前能源消費(fèi)架構(gòu)的實(shí)證分析，傳統(tǒng)化石燃料仍持續(xù)占據(jù)核心支撐地位。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局2022年發(fā)布的權(quán)威統(tǒng)計(jì)公報，我國傳統(tǒng)化石燃料消費(fèi)量占總能源需求的82.3%，其中煤炭占比56.2%，原油占比18.1%，天然氣占比8.0%REF_Ref12618\n\h[1]。隨著化石能源成本的日益上漲，存量的日益枯竭以及燃燒化石能源對環(huán)境帶來的嚴(yán)重污染，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，生物質(zhì)資源的開發(fā)和利用正逐漸成為焦點(diǎn)。生物質(zhì)能資源作為典型的可再生清潔能源，蘊(yùn)含著廣闊的開發(fā)利用前景，其可持續(xù)利用特性使之成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要方向。通過熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的氣化、液化與固化工藝路徑,將其轉(zhuǎn)化為具有高熱值、低污染的特點(diǎn)的能源產(chǎn)品，如生物柴油、氫氣、生物燃料等。作為具有悠久農(nóng)耕文明傳統(tǒng)的國家，我國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源呈現(xiàn)儲量大、種類多、分布廣的特征，這種得天獨(dú)厚的資源稟賦為生物質(zhì)能開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。從資源構(gòu)成來看，農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便及林業(yè)廢棄物等多元化原料來源，不僅體現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)潛力，也為構(gòu)建可持續(xù)能源體系提供了重要戰(zhàn)略資源支撐。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計(jì)我國每年產(chǎn)生秸稈8.65億噸，畜禽糞污30.5億噸，但這些資源的能源化利用率不足60%REF_Ref12850\n\h[2]，大部分農(nóng)業(yè)秸稈類廢棄物都未被合理利用，存在胡亂堆放、焚燒等現(xiàn)象，從而增加了二氧化碳等溫室氣體的排放量，對空氣造成了嚴(yán)重污染REF_Ref12919\n\h[3]。在上述能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與生物質(zhì)能開發(fā)的背景下，秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)氫作為一種兼具“能源替代”與“污染治理”雙重效益的技術(shù)路徑，不僅可以產(chǎn)出清潔能源氫氣，又可以使農(nóng)業(yè)秸稈類廢棄物資源化利用，提高農(nóng)業(yè)秸稈類廢棄物利用率，緩解由于農(nóng)業(yè)秸稈類廢棄物未合理利用造成的環(huán)境污染，成為破解農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與清潔能源生產(chǎn)協(xié)同難題的關(guān)鍵突破口，具有很大的發(fā)展前景和顯著的現(xiàn)實(shí)意義REF_Ref13118\n\h[4]。深入探究秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)氫效能，無疑是開啟生物質(zhì)能高效利用大門的關(guān)鍵鑰匙之一。秸稈的纖維素含量高達(dá)35%-50%，半纖維素占比20%-30%，理論上可提供豐富的可發(fā)酵糖源，但其致密的木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合結(jié)構(gòu)（LCC）嚴(yán)重阻礙了微生物對底物的有效利用。因此，如何通過高效預(yù)處理破除木質(zhì)素屏障、提升可發(fā)酵性，并通過優(yōu)化發(fā)酵工藝實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)氫，成為秸稈類廢棄物能源化利用的核心挑戰(zhàn)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀秸稈類農(nóng)作物在農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用現(xiàn)狀秸稈是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，收獲谷物、果實(shí)等主要產(chǎn)品后剩余的植物莖葉部分，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的副產(chǎn)品。常見的秸稈類農(nóng)作物主要包括玉米秸、稻稈、小麥稈、棉花稈、油菜稈、花生秧、豆稈、薯類秧、甘蔗梢等。其中，我國秸稈類型中，玉米、水稻和小麥的秸稈占比最多，占秸稈總量的79.19%，是主要的秸稈來源REF_Ref13170\n\h[5]。在分布地區(qū)中，東北、華北和長江中下游地區(qū)占比超60%，其中玉米秸稈占比最高36%，其次為水稻28%和小麥20%。秸稈中含有氮、磷、鉀、鈣、鎂等礦物質(zhì)元素及有機(jī)物質(zhì)，作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的衍生輸出物，其成分構(gòu)成既體現(xiàn)了植物養(yǎng)分循環(huán)的生態(tài)學(xué)特征，又成為具有顯著能源轉(zhuǎn)化價值的生物質(zhì)資源載體。傳統(tǒng)處理方式上，秸稈焚燒是最普遍的方式，不只是我們國家，世界各地也如此REF_Ref13226\n\h[6]。雖然就地焚燒消滅了處理區(qū)域的雜草和害蟲，并且處理方式便于農(nóng)民操作，是一種非常高效、經(jīng)濟(jì)的方式，但其造成的危害也很嚴(yán)重REF_Ref13252\n\h[7]。秸稈燃燒不充分會產(chǎn)生大量污染物，如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)化合物等，人類若是長期居住在此環(huán)境會增加慢性心臟病、肺部疾病、呼吸系統(tǒng)疾病、急性支氣管炎等疾病的患病風(fēng)險REF_Ref13281\n\h[8]。秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用方式主要分為以下幾種：秸稈飼料化、秸稈肥料化、秸稈基料化、秸稈燃料化、秸稈原料化。秸稈飼料化是指將秸稈加工成飼料，用于養(yǎng)殖牲畜。這種方式在一些畜牧業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，利用率為23.42%，飼料化利用主體達(dá)2.9萬多家REF_Ref13304\n\h[9]。我國農(nóng)耕歷史悠久，玉米秸稈從古至今一直作為家畜的飼料來源之一。雖然秸稈中含有大量的營養(yǎng)素，但由于玉米秸稈纖維量高，蛋白質(zhì)含量低以及適口性差等因素導(dǎo)致其中的營養(yǎng)物質(zhì)無法完全被動物吸收REF_Ref13337\n\h[10]。通過使用化學(xué)方法對秸稈進(jìn)行預(yù)處理，破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增大纖維孔隙度可解決上述問題REF_Ref13360\n\h[11]。肥料化是秸稈常見的利用方式，通過將秸稈還田、堆肥等方式，使秸稈中的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分回歸土壤，改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力。這是目前我國秸稈利用的主要方式，占比達(dá)到53.93%。秸稈還田又分為直接還田和間接還田。直接還田利用農(nóng)機(jī)將秸稈粉碎、破茬、深耕和耙壓后直接施入土壤。間接還田則是將秸稈加工后再還田，如秸稈沼肥還田、過腹還田、堆漚還田等。我國遼寧省扎實(shí)推進(jìn)秸稈科學(xué)還田沃土，分區(qū)域、分作物制定操作規(guī)程，形成適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)的綜合方案，2024年秸稈綜合利用率達(dá)93.16%。將秸稈返還田間可以很好地改善土壤的生育能力，因?yàn)榻斩捀缓袡C(jī)物和礦物質(zhì)REF_Ref18844\n\h[12]，能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，從而既保護(hù)了自然環(huán)境和又具備良好的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但由于技術(shù)原因?qū)е陆斩捲谶€田時打碎程度差度大，還田效果不佳，進(jìn)而對田間作物生產(chǎn)也產(chǎn)生了負(fù)面影響，秸稈還田技術(shù)需加強(qiáng)REF_Ref13418\n\h[13]?；匣侵笇⒔斩捵鳛榛|(zhì)或原料，通過物理、化學(xué)或生物處理技術(shù)轉(zhuǎn)化為功能性材料的過程，主要應(yīng)用于食用菌栽培和生物質(zhì)材料制備REF_Ref12144\n\h[14]。在食用菌栽培中玉米秸稈因其35%-40%的高纖維素含量和孔隙結(jié)構(gòu)，是理想的菌絲生長載體REF_Ref9649\n\h[15]，可作為多種食用菌的栽培基料，經(jīng)粉碎、滅菌后與輔料混合制成菌棒，我國約70%的草腐型食用菌依賴秸稈基料REF_Ref5217\n\h[16]。通過秸稈的原料化利用，可以將玉米秸稈轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品，比如生物建材，生物乙醇等，提高其經(jīng)濟(jì)價值。秸稈能源化利用的主要技術(shù)路徑包括直接燃燒發(fā)電技術(shù)、熱化學(xué)氣化工藝及液化轉(zhuǎn)化技術(shù)等多元化方法。這些技術(shù)路線在提升能源轉(zhuǎn)化效率、降低污染物排放、優(yōu)化能源供給結(jié)構(gòu)等方面展現(xiàn)出不同的技術(shù)優(yōu)勢，構(gòu)成了當(dāng)前生物質(zhì)能開發(fā)領(lǐng)域的核心技術(shù)框架REF_Ref12004\n\h[17]。其中氣化是將秸稈作為厭氧發(fā)酵的底物，通過預(yù)處理打破秸稈致密的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)出氫氣，清潔能源甲烷等。秸稈類農(nóng)作物發(fā)酵在厭氧產(chǎn)氫方面研究現(xiàn)狀厭氧發(fā)酵是一個多階段微生物代謝過程，利用有機(jī)廢棄物在無氧條件下，通過微生物的代謝活動將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳等產(chǎn)物的過程。這一過程主要包括四個階段：水解、酸化、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷，如REF_Ref6745圖STYLEREF1\s1-1所示。在水解階段，大分子有機(jī)物被分解為小分子物質(zhì)如不可溶的纖維素和半纖維素在微生物分泌的水解酶作用下被降解為單糖。隨后產(chǎn)酸菌將單糖代謝為短鏈揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、醇類及少量氫氣，即為酸化階段。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段丙酸、丁酸等中間產(chǎn)物進(jìn)一步分解生成氫氣和乙酸，而由于系統(tǒng)中同時存在耗氫菌，部分氫氣可能被轉(zhuǎn)化為甲烷，從而導(dǎo)致氫氣收率下降。最后在產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌將乙酸、氫氣和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷。厭氧發(fā)酵過程受多種因素影響，包括發(fā)酵溫度、pH值、碳氮比（C/N）、固體濃度（TS）、發(fā)酵原料特性、預(yù)處理方式、接種物和接種量等。溫度影響酶活性，中溫和高溫發(fā)酵產(chǎn)氣量較高。pH值范圍在6.8~7.2是最佳的，過低或過高的pH均可能抑制關(guān)鍵酶的活性降低產(chǎn)氫效率REF_Ref12128\r\h[18]。預(yù)處理方式如物理、化學(xué)和生物方法可提高秸稈水解效率。根據(jù)利用的產(chǎn)氫微生物，可以將制氫方法可分為光合生物制氫和發(fā)酵法制氫REF_Ref24931\r\h[19]。發(fā)酵法制氫是一種利用微生物代謝將生物質(zhì)中的有機(jī)底物降解轉(zhuǎn)化為氫氣的技術(shù)，具體又分為暗發(fā)酵法制氫和光發(fā)酵法制氫。暗發(fā)酵是在無光照條件下，通過專性厭氧菌與兼性生物，如丁酸梭狀芽孢桿菌、大腸埃希氏桿菌等，在無氧條件下對有機(jī)物進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫。該方法操作簡單、反應(yīng)速度較快，但由于副產(chǎn)物（如乙酸和丁酸）的累積常導(dǎo)致氫氣產(chǎn)率低于理論值。光發(fā)酵是利用光合細(xì)菌，如紅假單胞菌、莢膜紅細(xì)菌等，在光照條件下，將有機(jī)酸（如乙酸、丁酸）作為碳源生成氫氣的過程。相比之下，光發(fā)酵具有較高的氫氣產(chǎn)率，且能充分利用暗發(fā)酵過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸。SumanthRanganathan及其研究團(tuán)隊(duì)在對玉米秸稈進(jìn)行光發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，通過優(yōu)化光照和培養(yǎng)條件，獲得了最高141.42mL/(gTS）的氫氣累計(jì)產(chǎn)量REF_Ref12249\r\h[20]。除以上兩種方式外，正在研究的混合發(fā)酵技術(shù)通過結(jié)合不同底物的優(yōu)勢，能夠有效提高發(fā)酵效率和產(chǎn)氫量。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)張全國教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)建了中試規(guī)模農(nóng)業(yè)廢棄物暗-光聯(lián)合生物制氫系統(tǒng)REF_Ref12461\r\h[21]。在生物制氫工藝中，微生物通常為兩大類，混合菌群和純培養(yǎng)菌，二者的選擇直接影響系統(tǒng)產(chǎn)氫效率。效率對比如REF_Ref25458表STYLEREF1\s1-1所示：表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s11混合菌群和純培養(yǎng)菌產(chǎn)氫效率對比指標(biāo)混合菌群純培養(yǎng)菌底物適應(yīng)性強(qiáng)，可降解復(fù)雜秸稈成分（如半纖維素、木糖）弱，依賴單一糖原（如葡萄糖）產(chǎn)氫率30–60mL/(gTS)60–120mL/(gTS)穩(wěn)定性高，抗抑制能力強(qiáng)（如耐受低濃度抑制劑）低，易受VFAs、氨氮抑制代表菌種Clostridium、Enterobacter與產(chǎn)酸菌混合Clostridiumsp、Enterobacteraerogenes純菌株秸稈預(yù)處理技術(shù)研究現(xiàn)狀秸稈的化學(xué)組成主要包括木質(zhì)素、纖維素及半纖維素三大組分。其中，木質(zhì)素作為芳香族聚合物，具有復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其苯丙烷單元通過碳碳鍵和醚鍵等交聯(lián)方式形成剛性骨架，導(dǎo)致微生物降解難度增大。纖維素作為植物細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)成分，其結(jié)晶區(qū)高度有序的分子排列形成致密微纖絲結(jié)構(gòu)，阻礙了酶的直接作用。半纖維素通過氫鍵和范德華力與纖維素表面結(jié)合，同時通過酯鍵或醚鍵與木質(zhì)素形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種復(fù)合體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的空間位阻效應(yīng)，所以在厭氧發(fā)酵過程中，秸稈表現(xiàn)出較低的生物降解率。秸稈預(yù)處理的目的是改變結(jié)構(gòu)、破壞纖維素-半纖維素-木質(zhì)素之間的連接、解除木質(zhì)素的阻礙和保護(hù)，進(jìn)而提高水解轉(zhuǎn)化率REF_Ref12500\r\h[22]。最終實(shí)現(xiàn)提高木質(zhì)纖維素生物降解性能、減少有機(jī)質(zhì)殘留、提高厭氧氫氣產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率，因此，應(yīng)有針對性地選擇合適有效的預(yù)處理方法。預(yù)處理方法可分為物理法、化學(xué)法及生物法。物理法物理預(yù)處理技術(shù)通過機(jī)械力、電磁波或輻射等作用破壞秸稈木質(zhì)纖維素的物理結(jié)構(gòu)，增加底物與微生物或酶的接觸面積，降低纖維素結(jié)晶度。機(jī)械破碎技術(shù)通過碾磨、擠壓等方式將秸稈顆粒減小至0.2-2mm，顯著提升酶解效率，例如雙螺桿擠壓預(yù)處理玉米秸稈后，葡萄糖和木糖產(chǎn)量分別可達(dá)45g/L和40g/L，較未處理組提高3倍以上REF_Ref12549\r\h[23]；微波處理利用高頻電場使物料內(nèi)極性分子高頻振動產(chǎn)生熱量，破壞纖維素分子間氫鍵，在170-230℃下可降解部分木質(zhì)素和半纖維素，提升酶水解率REF_Ref12582\r\h[24]；超聲預(yù)處理通過空化效應(yīng)產(chǎn)生瞬時高溫高壓和強(qiáng)氧化性自由基，破壞秸稈纖維結(jié)構(gòu)；唐洪濤等研究表明，500kGy輻照玉米秸稈20天后，酶解還原糖得率較初始提高13.68%REF_Ref12608\r\h[25]。盡管物理預(yù)處理技術(shù)操作相對簡單且無污染，但普遍存在能耗高、設(shè)備成本大的問題?；瘜W(xué)法化學(xué)預(yù)處理技術(shù)借助酸、堿、有機(jī)溶劑或離子液體等化學(xué)試劑破壞木質(zhì)纖維素的共價鍵和氫鍵，溶解木質(zhì)素或半纖維素，從而暴露纖維素結(jié)構(gòu)。酸處理中，稀硫酸（0.5%-5%）在120-215℃下可水解半纖維素生成單糖。堿處理通過皂化反應(yīng)溶解木質(zhì)素。氧化預(yù)處理（如濕氧化法、臭氧法）通過氧化反應(yīng)降解木質(zhì)素，Martin等在195℃堿性條件下用濕氧化法處理甘蔗渣，纖維素轉(zhuǎn)化率達(dá)70%REF_Ref12638\r\h[26]；臭氧預(yù)處理可在常溫下降解半纖維素和木質(zhì)素，提升酶解率40%以上REF_Ref12664\r\h[27]，但兩類方法均存在能耗或成本問題。生物法生物預(yù)處理技術(shù)通過微生物（包括真菌、細(xì)菌等）或酶的生物催化作用，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素與半纖維素的選擇性降解。該技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、能源消耗低、環(huán)境兼容性好的顯著優(yōu)勢。在木質(zhì)素降解過程中，真菌作為主要微生物類群發(fā)揮著核心作用，其中白腐菌等絲狀真菌通過分泌木質(zhì)素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等氧化酶類，能夠特異性識別并斷裂木質(zhì)素大分子中的碳碳鍵和醚鍵，同時保持纖維素的完整結(jié)構(gòu)，對木質(zhì)素的去除效率可達(dá)到40%-60%，且處理后的秸稈原料展現(xiàn)出顯著提高的酶解效率，為后續(xù)的厭氧發(fā)酵過程創(chuàng)造了有利條件；細(xì)菌通過分泌纖維素酶和木聚糖酶，利用二者的特異性催化作用分解多糖組分降解半纖維素。Baramee等利用強(qiáng)固芽孢桿菌K-1預(yù)處理水稻秸稈，木聚糖去除率達(dá)21.0%，增強(qiáng)了纖維素對酶的可及性REF_Ref12690\r\h[28]。研究內(nèi)容與技術(shù)路線研究內(nèi)容本研究對玉米秸稈進(jìn)行堿預(yù)處理，通過改進(jìn)預(yù)處理機(jī)制、分析預(yù)處理秸稈組分含量，探究最有效的秸稈預(yù)處理機(jī)制，更好地促進(jìn)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫，解決秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效率低等問題。具體內(nèi)容如下：堿預(yù)處理秸稈工藝參數(shù)優(yōu)化研究對秸稈進(jìn)行堿預(yù)處理，優(yōu)化溫度預(yù)處理?xiàng)l件，通過對預(yù)處理后水解液的COD（化學(xué)需氧量）和還原糖產(chǎn)量進(jìn)行分析，探究不同預(yù)處理?xiàng)l件對秸稈水解效能的影響，探尋最優(yōu)工藝參數(shù)，為后續(xù)厭氧發(fā)酵奠定基礎(chǔ)。二氧化硅添加對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能探究在依據(jù)第一部分得出的最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件完成對玉米秸稈預(yù)處理操作后，首先針對納米二氧化硅粒徑孔度對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能展開探究：在厭氧發(fā)酵體系中添加不同粒徑孔度的二氧化硅，通過連續(xù)監(jiān)測分析氫氣產(chǎn)量、PH、氧化還原電位（ORP）等關(guān)鍵指標(biāo)，深入探究其對玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響規(guī)律。繼而，基于第一部分的最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件及第二部分得出的二氧化硅最佳粒度孔徑，開展二氧化硅添加量對產(chǎn)氫效能的探究：在厭氧發(fā)酵體系中添加不同使用量的最佳粒度孔徑納米二氧化硅并進(jìn)行恒溫厭氧發(fā)酵，通過持續(xù)監(jiān)測分析上述關(guān)鍵指標(biāo)，探究添加量對玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程的影響規(guī)律，最終確定最佳添加量。技術(shù)路線材料與方法實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備實(shí)驗(yàn)原料本文中實(shí)驗(yàn)所用秸稈取自于某玉米田。將玉米秸稈置于烘箱內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，置于植物粉碎機(jī)內(nèi)進(jìn)行粉碎，粉碎后過10目篩，得玉米秸稈粉。主要儀器本實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)儀器如REF_Ref805表STYLEREF1\s2-1所示：表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s11主要儀器儀器型號生產(chǎn)廠家低溫冷凍柜BD/BC-153KM(E)合肥美的電冰箱有限公司pH計(jì)pHS-3E上海雷磁儀器有限公司ORP計(jì)恒溫水浴振蕩器SHA-B常州國華電器有限公司數(shù)顯式電熱恒溫干燥箱101-2A型上海陽光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司分析天平KQ-100DE德國賽多麗斯集團(tuán)紫外可見分光光度計(jì)L5S上海儀電分析儀器有限公司數(shù)顯恒溫水浴鍋HH-6常州國華電器有限公司氣相色譜儀CP-3800天美儀拓實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司馬弗爐SX2-12-12沈陽通用電爐制造有限公司離心機(jī)TGL16M長沙湘智離心機(jī)有限公司COD消解儀CR3200天津賽力斯科技自動化有限公司主要藥品本實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)藥品如REF_Ref1367表STYLEREF1\s2-2所示：表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s12主要藥品試劑名稱分子式規(guī)格廠家氫氧化鉀KOHAR：分析純天津市大茂化學(xué)試劑廠濃硫酸H2SO4AR：分析純國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司濃鹽酸HCLAR：分析純國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司硫酸銀Ag?SO?AR：分析純國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司硫酸汞HgSO?AR：分析純天津市大茂化學(xué)試劑廠無水乙醇CH3CH2OHAR：分析純天津市大茂化學(xué)試劑廠重鉻酸鉀K?Cr?O?AR：分析純國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司3,5二硝基水楊酸C7H4N2O7AR：分析純上海麥克林生化科技股份有限公司試驗(yàn)指標(biāo)檢測方法PH檢測方法采用玻璃電極法測定本實(shí)驗(yàn)物料的PH值，PH計(jì)型號為pHS-3E，上海雷磁儀器有限公司。COD檢測方法取樣品溶液靜置后的上澄清液過濾并稀釋到合適倍數(shù)加入到消解管中，再向消解管中加入一定量的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液，硫酸汞溶液和硫酸-硫酸銀溶液。將混合溶液置于消解器中，在150°C的恒溫條件下消解15min，直到反應(yīng)完全。從加熱器中取出消解管，溫度冷卻至60℃左右時，搖勻溶液冷卻至室溫。利用分光光度計(jì)測定樣品的吸光度，通常在600nm波長下進(jìn)行測量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度和吸光度值，使用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行COD的計(jì)算。公式如下：COD=C標(biāo)準(zhǔn)還原糖檢測方法采用3,5-二硝基水楊酸（DNS）法結(jié)合紫外分光光度計(jì)測定。繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：取0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4ml濃度為1.0mg/mL的葡萄糖溶液，分別加入到7個10ml離心管中，各加入1.5ml3,5-二硝基水楊酸試劑振蕩均勻，100℃恒溫水浴振蕩器中振蕩5min，取出冷卻至室溫，將蒸餾水加入離心管中至10ml，混合均勻；用紫外分光光度計(jì)測量在540nm處的吸光度，以葡萄糖濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，并得到回歸方程。樣品還原糖測定：取適量待測樣品溶液，加入DNS試劑，按照與標(biāo)準(zhǔn)曲線制作相同的條件進(jìn)行反應(yīng)和測定吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得對應(yīng)的還原糖濃度，計(jì)算出樣品中還原糖的含量。氫氣產(chǎn)量測量方法用排水法收集，利用CP-3800型氣相色譜儀測定收集氣體中氫氣的含量，進(jìn)樣口溫度100℃、TCD檢測器溫度150℃。堿預(yù)處理秸稈工藝參數(shù)優(yōu)化研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以固液比1:40，向15個厭氧瓶中加入1g秸稈粉末和2%的KOH溶液40ml，將這15個混合溶液分為三組，分別置于-25℃冷凍柜中冷凍、4℃冰箱中冷藏、25℃室溫實(shí)驗(yàn)臺靜置，其中每一組組內(nèi)5個混合溶液周期分別為6h、8h、12h、16h、24h，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析還原糖REF_Ref17420圖STYLEREF1\s3-1為在1：40固液比條件下，3組實(shí)驗(yàn)組分別在-25℃、4℃、25℃溫度下且組內(nèi)5個實(shí)驗(yàn)樣品分別預(yù)處理6h、8h、12h、16h、24h，不同周期，不同溫度對秸稈水解產(chǎn)生還原糖產(chǎn)量的影響。處理周期6h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生還原糖256.95mg/g、215.77mg/g、190.53mg/g；處理周期8h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生還原糖315.96mg/g、276.49mg/g、226.77mg/g；處理周期12h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生還原糖373.46mg/g、304.77mg/g、281.99mg/g；處理周期16h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生還原糖349.93mg/g、318.62mg/g、281.05mg/g；處理周期24h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生還原糖245.67mg/g、216.71mg/g、200.77mg/g。根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，還原糖產(chǎn)量與反應(yīng)溫度關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，相同周期-25℃反應(yīng)溫度產(chǎn)生的還原糖最多。以處理周期12h為例，反應(yīng)溫度-25℃產(chǎn)生的還原糖比反應(yīng)溫度4℃、25℃分別多了68.69mg/g、91.47mg/g，效率分別提升22.5%、32.4%。還原糖產(chǎn)量與處理周期關(guān)系呈先上升后下降趨勢，相同反應(yīng)溫度下，反應(yīng)周期12h還原糖產(chǎn)量最高。以最佳反應(yīng)溫度-25℃為例，處理周期12h的還原糖產(chǎn)量分別比6h、8h、16h、24h高116.51mg/g、57.5mg/g、23.53mg/g、118.79mg/g，效率分別提升45.3%、18.2%、6.72%、46.6%。COD為在1：40固液比條件下，3組實(shí)驗(yàn)組分別在-25℃、4℃、25℃溫度下且組內(nèi)5個實(shí)驗(yàn)樣品分別預(yù)處理6h、8h、12h、16h、24h，不同周期，不同溫度對秸稈水解產(chǎn)生COD產(chǎn)量的影響。處理周期6h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生COD425mg/L、361.67mg/L、288.33mg/L；處理周期8h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生COD435mg/L、348.33mg/L、331.67mg/L；處理周期12h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生COD451.67mg/L、381.67mg/L、345mg/L；處理周期16h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生COD415mg/L、348.33mg/L、315mg/L；處理周期24h，反應(yīng)溫度-25℃、4℃、25℃，分別產(chǎn)生COD398.33mg/L、318.33mg/L、308.33mg/L。根據(jù)數(shù)據(jù)可以得出，COD產(chǎn)量與反應(yīng)溫度關(guān)系呈負(fù)相關(guān)，相同周期-25℃反應(yīng)溫度產(chǎn)生的COD最多。以處理周期12h為例，反應(yīng)溫度-25℃產(chǎn)生的還原糖比反應(yīng)溫度4℃、25℃分別多了63.33mg/L、136.67mg/L，效率提升了17.51%、47.40%。還原糖產(chǎn)量與處理周期關(guān)系呈先上升后下降趨勢，相同反應(yīng)溫度下，反應(yīng)周期12hCOD產(chǎn)量最高。以最佳反應(yīng)溫度-25℃為例，處理周期12h的還原糖產(chǎn)量分別比6h、8h、16h、24h高26.67mg/L、16.67mg/L、36.67mg/L、53.33mg/L；效率提升了62.75%、4.78%、10.53%、13.39%。本章小結(jié)本章通過調(diào)整玉米秸稈與KOH溶液預(yù)處理的溫度和周期，通過檢測玉米秸稈預(yù)處理后還原糖、COD這兩種理化指標(biāo)，可以獲得結(jié)論如下：KOH溶液預(yù)處理的最佳條件是在溫度為-25℃、周期12h條件下對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。二氧化硅添加對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能探究二氧化硅粒徑孔度對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本章實(shí)驗(yàn)選取KOH濃度為2%，固液比為1：40，溫度為-25℃，周期為12h的預(yù)處理?xiàng)l件。將40ml2％的KOH和1g秸稈加入到厭氧瓶中，準(zhǔn)備5個，同時進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理結(jié)束后，調(diào)整pH值，分別向其中4個樣品瓶中加入粒徑孔度為15nm、30nm、100nm、300nm的納米二氧化硅，另外一個不加入納米二氧化硅，作為實(shí)驗(yàn)對照組，添加完成后對樣品瓶進(jìn)行密封處理，將5個樣品瓶放入恒溫振蕩器中35℃厭氧發(fā)酵36小時，發(fā)酵結(jié)束后使用排水集氣法記錄產(chǎn)氣量并收集10ml厭氧發(fā)酵末端氣相產(chǎn)物，使用氣相色譜對發(fā)酵后末端氣相產(chǎn)物進(jìn)行檢測并計(jì)算產(chǎn)氫量。使用pH計(jì)和ORP儀對厭氧發(fā)酵結(jié)束后的樣品溶液進(jìn)行檢測并記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析氫氣產(chǎn)量與末端PH值在厭氧發(fā)酵過程中，pH是一項(xiàng)能夠直觀體現(xiàn)發(fā)酵狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。借助對發(fā)酵液pH的監(jiān)測與分析，可以精準(zhǔn)判斷發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)碳氮是否處于平衡狀態(tài)，同時也能反映出微生物的代謝情況以及代謝過程的穩(wěn)定性。pH對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中微生物的活性影響極為顯著，不同的pH環(huán)境會改變微生物細(xì)胞內(nèi)的電荷分布、酶的活性位點(diǎn)構(gòu)象等，進(jìn)而影響微生物對底物的攝取、代謝途徑的選擇以及能量的產(chǎn)生和利用，最終對整個厭氧發(fā)酵進(jìn)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響REF_Ref12735\r\h[29]。樣品加入不同粒徑孔度二氧化硅的氫氣產(chǎn)量及末端PH值如REF_Ref16099圖STYLEREF1\s4-1所示，當(dāng)納米二氧化硅的粒徑孔度由0nm到100nm時，PH值分別為6.11、5.71、5.63、5.56，呈下降趨勢，氫氣產(chǎn)量分別為3.8ml、5.0ml、7.6ml、8.2ml，產(chǎn)量逐漸增多；當(dāng)納米二氧化硅的粒徑孔度由100nm到300nm時，PH值上升，由5.56升高至5.75，氫氣產(chǎn)量由8.2ml降低到7.5ml，由此數(shù)據(jù)看出，樣品中加入粒徑孔度為100nm的二氧化硅發(fā)酵結(jié)束后PH值最低，氫氣產(chǎn)量最多。氫氣產(chǎn)量與ORP值在厭氧發(fā)酵體系中，氧化還原電位（ORP）是極為關(guān)鍵的非生物因素。ORP的動態(tài)變化與微生物細(xì)胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）及其氧化態(tài)（NAD?）的氧化還原耦聯(lián)狀態(tài)密切相關(guān)REF_Ref12768\r\h[30]。ORP數(shù)值的改變直接影響細(xì)胞內(nèi)各類氧化還原酶的活性中心結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變酶對底物的親和力以及催化效率。當(dāng)ORP處于特定范圍時，能夠激活某些關(guān)鍵酶的活性，促進(jìn)電子在呼吸鏈中的傳遞，為細(xì)胞的生長、繁殖提供充足的能量；反之，則可能抑制相關(guān)酶的活性，阻礙能量代謝和物質(zhì)合成過程。對于厭氧發(fā)酵細(xì)菌而言，ORP對其生長、繁殖和代謝活動有著深遠(yuǎn)影響。在適宜的ORP環(huán)境下，細(xì)菌能夠高效攝取底物，通過特定的代謝途徑將其轉(zhuǎn)化為各種代謝產(chǎn)物。例如，在較低的ORP條件下，有利于產(chǎn)氫發(fā)酵途徑的進(jìn)行，促使細(xì)菌利用底物產(chǎn)生氫氣；而在較高的ORP環(huán)境中，發(fā)酵途徑可能會偏向于產(chǎn)酸或產(chǎn)甲烷。不同粒徑孔度二氧化硅添加對厭氧發(fā)酵末端ORP的影響如REF_Ref16259圖STYLEREF1\s4-2所示，當(dāng)納米二氧化硅的粒徑孔度由0nm到100nm時，ORP值分別為-236、-249、-277、-318，逐漸降低；氫氣產(chǎn)量分別為3.8ml、5.0ml、7.6ml、8.2ml，逐漸增加；當(dāng)納米二氧化硅的粒徑孔度由100nm到300nm時，ORP值上升，由-318升高至-266，氫氣產(chǎn)量由8.2ml降低到7.5ml，由此得出，加入粒徑孔度為100nm的二氧化硅厭氧發(fā)酵氫氣產(chǎn)量最高，ORP最低。二氧化硅添加量對秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本章結(jié)合第三章和第四章的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，選取KOH濃度為2%，固液比為1：40，溫度為-25℃，周期為12h的預(yù)處理?xiàng)l件。將40ml2％的KOH和1g秸稈加入到50ml西林瓶中，準(zhǔn)備6組，同時進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理結(jié)束后，調(diào)整pH值，分別向其中5個樣品瓶中加入添加量分別為0.2g/L、0.4g/L、0.6g/L、0.8g/L、1.0g/L的100nm二氧化硅，另外一瓶作為空白試驗(yàn)對照組，不加入100nm二氧化硅，添加完成后對樣品瓶進(jìn)行密封處理，將6個樣品瓶放入恒溫振蕩器中35℃厭氧發(fā)酵36小時，發(fā)酵結(jié)束后使用排水集氣法記錄產(chǎn)氣量并收集10ml厭氧發(fā)酵末端氣相產(chǎn)物，使用氣相色譜對發(fā)酵后末端氣相產(chǎn)物進(jìn)行檢測并計(jì)算產(chǎn)氫量。使用pH計(jì)和ORP儀對厭氧發(fā)酵結(jié)束后的樣品溶液進(jìn)行檢測并記錄。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析氫氣產(chǎn)量與末端PH值樣品加入不同添加量100nm二氧化硅的氫氣產(chǎn)量及末端PH值如REF_Ref27222圖STYLEREF1\s5-1所示，當(dāng)100nm二氧化硅的添加量由0.2g/L到0.4g/L時，PH值分別為5.56、5.53，呈下降趨勢，氫氣產(chǎn)量分別為8.2ml、8.5ml，產(chǎn)量逐漸增多；當(dāng)100nm二氧化硅的添加量由0.4g/L到1.0g/L時，PH值分別為5.53、5.77、5.88、5.94，PH值呈上升趨勢，氫氣產(chǎn)量分別為8.5ml、7.6ml、6.3ml、6.1ml，逐漸下降，由此可以看出，在實(shí)驗(yàn)組中，100nm二氧化硅的添加量為0.4g/L時，PH最低，產(chǎn)生的氫氣最多，和對照組相比，PH下降0.58，氫氣產(chǎn)量增加123.69％。氫氣產(chǎn)量與ORP值樣品加入不同添加量100nm二氧化硅的氫氣產(chǎn)量及ORP值如REF_Ref13610圖STYLEREF1\s5-2所示，當(dāng)100nm二氧化硅的添加量由0.2g/L到0.4g/L時，ORP分別為-318、-335，呈下降趨勢，氫氣產(chǎn)量分別為8.2ml、8.5ml，產(chǎn)量上升；當(dāng)100nm二氧化硅的添加量由0.4g/L到1.0g/L時，ORP分別為-335、-298、-285、-279，呈上升趨勢，氫氣產(chǎn)量分別為8.5ml、7.6ml、6.3ml、6.1ml，逐漸下降，由此可以看出，在實(shí)驗(yàn)組中，100nm二氧化硅的添加量為0.4g/L時，ORP最低，產(chǎn)生的氫氣最多，和對照組相比，ORP下降99，氫氣產(chǎn)量增加123.69％。本章小結(jié)本章針對預(yù)處理結(jié)束后的秸稈樣品展開厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，分兩步進(jìn)行：首先，在秸稈樣品中加入不同粒徑孔度的納米二氧化硅，經(jīng)連續(xù)監(jiān)測與分析發(fā)酵過程中的氫氣產(chǎn)量、PH、ORP三個指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)粒徑孔度為100nm的二氧化硅對提升秸稈厭氧發(fā)酵氫氣產(chǎn)量效果最佳，且此時對應(yīng)的PH值、ORP值均為最低；接著，在預(yù)處理結(jié)束后的秸稈樣品中加入不同添加量的100nm二氧化硅再次進(jìn)行厭氧發(fā)酵，同樣通過持續(xù)監(jiān)測上述三個指標(biāo)得出，當(dāng)100nm的二氧化硅添加量為0.4g/L時，最能提升秸稈厭氧發(fā)酵氫氣產(chǎn)量，與此同時對應(yīng)的PH值、ORP值也均處于最低狀態(tài)。結(jié)論與展望結(jié)論本研究聚焦農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與清潔能源生產(chǎn)的協(xié)同難題，針對玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫過程中木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)致密導(dǎo)致的底物利用效率低、產(chǎn)氫效能不足等關(guān)鍵問題，通過堿預(yù)處理工藝優(yōu)化、納米二氧化硅粒徑孔度及其添加量對產(chǎn)氫效能影響的系統(tǒng)研究，構(gòu)建了“預(yù)處理-添加劑調(diào)控-發(fā)酵過程優(yōu)化”的技術(shù)體系。研究綜合運(yùn)用化學(xué)分析（還原糖、COD）、微生物代謝參數(shù)監(jiān)測（pH、ORP）及產(chǎn)氣性能測試等方法，設(shè)計(jì)多組對照實(shí)驗(yàn)，揭示了低溫堿預(yù)處理對秸稈結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制、納米二氧化硅介孔結(jié)構(gòu)與產(chǎn)氫菌群的協(xié)同作用規(guī)律，得到以下結(jié)論：預(yù)處理?xiàng)l件對秸稈水解效能的影響：采用KOH溶液對玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理時，最佳條件為溫度-25℃、周期12h。在此條件下，秸稈的還原糖產(chǎn)量和COD產(chǎn)量均達(dá)到最高值，分別為373.46mg/g和451.67mg/L。這表明低溫長時間的堿預(yù)處理能夠有效破壞秸稈的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，提高其可發(fā)酵性，為后續(xù)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫提供了良好的底物基礎(chǔ)。二氧化硅粒徑孔度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能的影響：添加粒徑孔度為100nm的二氧化硅能夠顯著提升秸稈厭氧發(fā)酵的氫氣產(chǎn)量。在該條件下，發(fā)酵結(jié)束后的PH值和ORP值均為最低，氫氣產(chǎn)量達(dá)到8.2ml。這說明適當(dāng)粒徑孔度的二氧化硅為產(chǎn)氫菌群提供了更優(yōu)的吸附位點(diǎn)與代謝微環(huán)境，有效促進(jìn)了電子傳遞與氫氣合成路徑的激活，同時抑制了產(chǎn)甲烷菌等耗氫微生物的活性，從而提升氫氣選擇性。二氧化硅添加量對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫效能的影響：100nm二氧化硅的添加量為0.4g/L時，秸稈厭氧發(fā)酵的氫氣產(chǎn)量最高，達(dá)到8.5ml，且此時的PH值和ORP值也均為最低。驗(yàn)證了適量的二氧化硅添加能夠有效改善發(fā)酵體系的物理化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)氫氣的產(chǎn)生，但過量添加則可能導(dǎo)致體系黏度上升，傳質(zhì)效率下降，抑制了微生物代謝活性，降低了產(chǎn)氫效率。展望本研究通過預(yù)處理工藝創(chuàng)新與納米材料調(diào)控，突破了秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的效率瓶頸，但在預(yù)處理技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、添加劑作用機(jī)制及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面仍存在提升空間，未來可從以下方向展開深入研究：本研究僅采用KOH單一堿預(yù)處理，后續(xù)可探索堿與尿素、堿與黑水等聯(lián)合處理，通過協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步降低堿用量、縮短處理時間、提高秸稈的水解效率和可發(fā)酵性。針對低溫預(yù)處理所需的能耗問題，可結(jié)合農(nóng)業(yè)廢棄物熱解副產(chǎn)物的堿性特性，開發(fā)低成本、環(huán)境友好的復(fù)合預(yù)處理劑，平衡預(yù)處理效率與經(jīng)濟(jì)成本。深入探究二氧化硅對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的促進(jìn)作用的具體機(jī)制。結(jié)合微生物群落分析、代謝組學(xué)等分析技術(shù)，探究二氧化硅在厭氧發(fā)酵過程中的作用機(jī)理，為后續(xù)提供依據(jù)。

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