浮萍生物质的能源利用研究

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浮萍是生长速度最快的开花植物,作为传统的环境修复植物,在水污染监控和修复、重金属植物修复等方面很早以来就受到关注。最近几年来,由于其生长速度快、年产量高、环境适应能力强、易于收获等优点,也被认为是理想的生物质能源原料。本论文主要在三个方面对浮萍在生物质能源上的应用进行了初步研究:浮萍种高通量筛选实验方法的建立,浮萍生物质热化学能源利用的性质探索,以及乙醇发酵的研究。  根据浮萍植株细小的特点,本研究设计并加工出适宜于浮萍培养筛选的36孔板,利用面积和叶状体个数等指标表征浮萍的生长,建立了浮萍高通量筛选实验方法。并通过对两种面积计算方法的精度检验以及浮萍面积与重量相关性检验实验验证了此方法的可靠性。基于此方法用燃料乙醇厂废水对多种浮萍进行了筛选实验,结果表明浮萍高通量筛选实验体系可以提高浮萍的筛选效率并减少药品的使用量;浮萍可以在燃料乙醇厂污水中生长,此种污水可能可以成为培养浮萍进行能源利用的重要资源。  在浮萍生物质热化学能源利用方面,对浮萍生物质进行了元素分析和工业分析,并以此数据为基础由普林斯顿大学相关学者对浮萍热化学转化制汽油、柴油和航空燃油进行了全流程模拟;利用综合热分析仪对浮萍生物质的热活动进行分析,研究浮萍生物质燃烧和热解的特性;利用综合热分析仪,矿物质解离分析仪和X-射线衍射仪对浮萍灰分的性质进行了研究。整体探讨了浮萍生物质的热化学利用的相关特性。与麦秆、玉米秆、玉米芯和木屑等常见生物质相比,浮萍生物质的燃烧和热解更容易进行,燃烧性能更好;热化学转化模拟显示浮萍在热化学能源利用中有较大潜力;生物质灰分研究表明相对于以上陆生植物,浮萍灰分中含有更高碱金属和氯元素,在温度升高时挥发量大,在燃烧和气化过程中可能会出现较为严重的积灰结渣问题。  最后探讨了浮萍生物质的乙醇发酵能力。利用淀粉酶和纤维素酶对浮萍生物质进行酶解,研究了浮萍生物质淀粉和纤维素的降解效率;并利用酵母对酶解后的浮萍进行了液态和固态发酵。浮萍原料分析结果显示两种浮萍淀粉和纤维素的含量都在10%左右,酶解结果显示浮萍淀粉可被淀粉酶完全降解,青萍纤维素的酶解率在52%左右,紫萍纤维素的酶解率在30%左右;乙醇发酵结果显示乙醇发酵的产率在0.37-0.40 g/g葡萄糖、0.055-0.071 g/g浮萍,总体上青萍的乙醇产率要高于紫萍;随着发酵固液比的增加,乙醇的产率略有下降,在固液比为2∶5时,乙醇的最高浓度可达27.77 g/l。按照实验得到的浮萍酶解效率和葡萄糖发酵乙醇效率计算,当浮萍淀粉含量为30%,纤维素含量为10%,以固液比为2∶5进行发酵时,乙醇含量可达62.4 g/l。得出利用固态发酵的方法利用浮萍生产燃料乙醇可能具有较大前景。  综上所述,本论文对于浮萍在生物质能源方面的应用进行了初步探索,建立了一个高通量筛选装置和方法,发现在热化学能源应用和固态发酵生产燃料乙醇方面,浮萍生物质都具有较大潜力。本论文的结果对于推动浮萍这一新型植物材料在环境和能源领域的双重应用,具有一定的促进作用。
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