CN110144293B - 一种光合制氢装置及制备氢气的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光合制氢装置及制备氢气的工艺，包括底座、设于底座上反应器以及能够使反应器转动的转动机构；所述反应器包括沿水平方向延伸的筒体、设于筒体一端的进料组件、设于筒体另一端的出料组件、位于筒体中心轴位置处的支撑轴、若干个一端与支撑轴连接另一端与筒体内壁连接的支撑条、以及光源组件和加热器，所述光源组件包括设于筒体内的光源、三棱柱体以及设于筒体外的光源电源，所述三棱柱体表面带有反光涂层，所述光源分布与支撑条上。本发明提供了一种结构简单、操作方便、处理效率高、占地面积小、耗时短、适用性强、节能环保的滚筒式光合制氢反应器，且提高了料液的产氢量。
Description
技术领域
本发明属于生物质光合制氢技术领域，具体涉及一种光合制氢装置及制备氢气的工艺。
背景技术
随着人类社会不断发展对能源的需求量越来越大，传统化石能源日渐枯竭的现状，氢气作为一种别认为是最理想的化石燃料的替代能源，所含有能量密度高、燃烧清洁无污染、利用形式多样化、利用效率高、可再生等特点。目前主要的制氢手段都有热化学制氢、光催化制氢和生物法制氢。生物制氢是目前研究最热门的一种制氢方法，由于其使用原料低廉，生产过程节能清洁、节能且不消耗矿物资源。生物质制氢主要包括生物质气化制氢、生物质黑暗发酵制氢和生物质光合制氢技术，在这些技术中，由于生物质光合制氢具有产氢能力高、原料适应性强、反应条件温和等优点，成为目前发展前景广阔、具有环境友好型的一种制氢重要方法。
光合制氢是在光合细菌在光照条件下分解有机物产生氢气的一种制氢方法。光合制氢装置主要包括反应器和光源两部分，工作时，反应器中通入有机物反应液及光合细菌，在设置于反应器内部或外部的光源的照射下，光合细菌与有机物进行生物反应进而产生氢气。
目前大部分光合制氢反应器都存在这以下缺点：反应液与光接触不足，光分布不均匀，严重影响产氢效率。光合细菌与有机物原料的接触流程短，使得反应不充分，产氢率低。反应器结构复杂，需要消耗过多的辅助能量以维持光合制氢反应器维持。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种滚筒式光合制氢装置，所述装置能够提高反应器内光照强度的分布的均匀性，并利用反应器内光照直接作用于光合细菌，为光合细菌生化反应提供能量产生氢气。
本发明采用以下技术方案：
一种滚筒式光合制氢装置，包括底座、设于底座上反应器以及能够使反应器转动的转动机构。
所述反应器包括沿水平方向延伸的筒体、设于筒体一端的进料组件、设于筒体另一端的出料组件、位于筒体中心轴位置处的支撑轴、若干个一端与支撑轴连接另一端与筒体内壁连接的支撑条、以及光源组件和加热器；
所述光源组件包括设于筒体内的光源、三棱柱体以及设于筒体外的光源电源，所述三棱柱体表面带有反光涂层，所述三棱柱体沿水平方向延伸且在筒体内壁上沿圆周方向分布，所述光源分布与支撑条上；
所述筒体顶部设有排气口。
进一步地，所述加热器为设于筒体底部的辐射增温器；辐射增温器电连接有温度传感器，所述温度传感器设于筒体中。
进一步地，所述转动机构包括设于对称套设于筒体两端的齿圈、设于齿圈底部且与齿圈啮合的齿轮、齿轮驱动机构；
所述齿轮驱动机构包括电机，以及设于电机输出端的变速器，所述齿轮与变速器的输出端连接。
进一步地，所述转动机构还包括设于两个齿圈之间且套设于筒体外的托圈，所述托圈下设有与托圈相配合的托轮，所述托圈与拖轮滚动连接，所述托轮安装于底座上。
进一步地，进料组件包括安装于筒体端部的第一壳体，所述第一壳体上安装有进料斗，所述进料斗设有闭合开关；
所述出料组件包括安装于筒体远离进料组件一端的第二壳体，第二壳体内安装有出料管，所述出料管上设有阀门。
进一步地，所述光源为弥散光纤的纤芯，所述光源电源安装于第一壳体和第二壳体内。
进一步地，所述底座上设有控制面板，所述控制面板包括输入器、输出器以及中央处理器。
利用滚筒式光合制氢装置制备氢气的工艺，包括如下步骤：
1）由进料斗顺次加入料液和光合细菌菌液得到混合料液，筒体内上部留存部分空气；
2）调整筒体内的温度为33-37℃，筒体转动幅度为筒体圆周面周长的1/5，由电源输出的电流为4-5A，电压为370-390V，反应时间80-100h；
3）由排气口收集气体。
其中，纤芯直径为6mm，纤芯表面光照的辐射强度为3000-5000LX。
步骤1）中料液配方为混合生物质粉碎秸秆，菌液的菌种名称为HAU-M1光合产氢细菌，混合料液中菌种浓度为20%-40%，混合料液的pH为7-7.4。
本发明有益效果为：
1）本发明所述装置采用滚筒式反应器，并翻转滚动筒体侧面圆周长五分之一，有利于降低能耗，并减少散温。并有利于物料不堵塞排气口有利于排出气体。
2）本发明所述装置在筒体内设置支撑轴和支撑条，增强筒体内反应液的搅拌。
3）本发明所述装置在支撑轴和支撑条上分布弥散光纤，内壁面存在三棱锥形反光面，有利于光照均匀分布于料液中，使得光合细菌与光的接触面积有利于光合产氢。
4）本发明所述装置结构简单、操作方便、处理效率高、占地面积小、耗时短、适用性强、节能环保。
附图说明
图1为本发明滚筒式光合制氢装置结构示意图；
图2为实施例1所述滚筒式光合制氢装置左视图；
图3为图2所述支撑条上分布弥散光纤的结构示意图；
图4为对比例1所述滚筒式光合制氢装置左视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明所述滚筒式光合制氢装置以及实施工艺进行详细的描述。
以下实施例中所述料液配方中混合生物质粉碎秸秆只为提供光合细菌生长能量设置；菌液的菌种名称为HAU-M1光合产氢细菌为市售产品。所用弥散光线也为市售产品。
实施例1
一种滚筒式光合制氢装置，如图1-3所示，包括底座4、设于底座4上反应器以及能够使反应器转动的转动机构。底座4可设置为内壁面为弧形半包裹反应器，并采用保温材料，一方面支撑反应器，另一方面降低反应器在翻转过程的内部料液失温。
所述反应器包括沿水平方向延伸的筒体1、设于筒体一端的进料组件、设于筒体1另一端的出料组件、位于筒体1中心轴位置处的支撑轴19、若干个一端与支撑轴19连接另一端与筒体1内壁连接的支撑条20、以及光源组件和加热器。
所述筒体1顶部设有排气口17。
所述光源组件包括设于筒体内的光源21、三棱椎体22以及设于筒体1外的光源电源7，所述三棱柱体22表面带有反光涂层，所述三棱柱体22沿水平方向延伸且在筒体1内壁上沿圆周方向分布，所述光源21分布与支撑条20上。
本实施例中，所述加热器为设于筒体1底部的辐射增温器16；辐射增温器16电连接有温度传感器，所述温度传感器设于筒体1中。
本实施例中，所述转动机构包括设于对称套设于筒体1两端的齿圈8、设于齿圈8底部且与齿圈8啮合的齿轮11、以及齿轮驱动机构；本实施例中，所述齿轮驱动机构包括电机13，以及设于电机13输出端的变速器12，所述齿轮11与变速器12的输出端连接。电机13驱动齿轮11转动，齿轮11的转动带动设于筒体1上的齿圈转动，从而带动筒体1进行一定幅度的转动。
所述转动机构还包括设于两个齿圈8之间且套设于筒体1外的托圈9，所述托圈9下设有与托圈9相配合的托轮10，所述托圈与拖轮滚动连接，所述托轮10安装于底座4上。所述托圈9与拖轮10之间滚动连接，一方面能够起到支撑筒体1的作用，另一方面能够减少筒体1转动时产生的摩擦力。
本实施例中，进料组件包括安装于筒体1端部的第一壳体2，所述第一壳体2上安装有进料斗5，所述进料斗5设有闭合开关。进料组件中的进料斗5设置的闭合开关以现有技术可实现为准，由于不属于创新点所在，再次不做赘述。
所述出料组件包括安装于筒体1远离进料组件一端的第二壳体3，第二壳体3内安装有出料管6，所述出料管6上设有阀门。
本实施例中，所述光源21为弥散光纤的纤芯，所述光源电源7安装于第一壳体2和第二壳体3内。
本实施例中，所述底座4上设有控制面板，所述控制面板为单片机，集输入、输出控制为一体来记录反应时间、监控筒体1内部的温度并控制光源电源7开关和电机13开关。所述控制面板包括计时器、温度传感器、输出模块、输入模块以及中央处理单元，所述计时器、温度传感器以及输入模块的输出端连接中央处理单元的输入端，中央处理单元的输出端与输出模块的输入端连接。所述中央处理单元被配置为接收输入模块的信息转化为电信号并储存信息；输出模块上显示时间信息以及通过温度传感器收取的箱体内部的温度信息。
使用时，将料液与光合细菌混合通过进料斗5进入反应器筒体1内，闭合开关。混合料液总体积略大于筒体1内体积的4/5，留出上部存气空间，打开电源，控制弥散光线纤芯的光照强度、加热温度以及筒体摆动幅度，弥散光纤纤芯为光合细菌反应提供光源，光源分布于筒体1内部各处且内壁面存在三棱柱体22多个反射面，提高筒体内光照强度的均匀分布，从而提高了光合细菌的光合利用效率。控制筒体1转动幅度为反应器筒体侧面圆周长五分之一，在转动过程中支撑轴19和支撑条20对料液起到搅拌作用。之后打开排气口，进行收集氢气。待充分反应结束后，可打开筒体1的出料管6阀门，进行料液回收。
对比例1
与实施例1不同之处在于，如图4所示，筒体内壁上没有三棱柱体。
实施例2
利用实施例1所述的滚筒式光合制氢装置制备氢气的工艺，包括如下步骤：
1）由进料斗5顺次加入料液和光合细菌菌液得到混合料液，筒体1内上部留存部分空气；
2）调整筒体1内的温度为35℃，筒体转动幅度为筒体1圆周面周长的1/5，由电源输出的电流为4.14A，电压为380V，反应时间90h；
3）由排气口收集气体。
其中，纤芯直径为6mm，纤芯表面光照的辐射强度为4000LX。
步骤1）中料液配方为混合生物质粉碎秸秆，菌液的菌种名称为HAU-M1光合产氢细菌，混合料液中菌种浓度为30%，混合料液的pH为7.2。
对比例2
利用对比例1所述的滚筒式光合制氢装置采用实施例2所述工艺参数制备氢气。
实施例3
利用实施例1所述的滚筒式光合制氢装置制备氢气的工艺，包括如下步骤：
1）由进料斗顺次加入料液和光合细菌菌液得到混合料液，筒体内上部留存部分空气；
2）调整筒体内的温度为35℃，筒体转动幅度为筒体圆周面周长的1/5，由电源输出的电流为4.14V，电压为380V，反应时间90h；
3）由排气口收集气体。
其中，纤芯直径为6mm，纤芯表面光照的辐射强度为3000LX。
步骤1）中料液配方为混合生物质粉碎秸秆，菌液的菌种名称为HAU-M1光合产氢细菌，混合料液中菌种浓度为30%，混合料液的pH为7.2。
实施例4
利用实施例1所述的滚筒式光合制氢装置制备氢气的工艺，包括如下步骤：
1）由进料斗顺次加入料液和光合细菌菌液得到混合料液，筒体内上部留存部分空气；
2）调整筒体内的温度为35℃，筒体转动幅度为筒体圆周面周长的1/5，由电源输出的电流为4.14A，电压为380V，反应时间90h；
3）由排气口收集气体。
其中，纤芯直径为6mm，纤芯表面光照的辐射强度为5000LX。
步骤1）中料液配方为混合生物质粉碎秸秆，菌液的菌种名称为HAU-M1光合产氢细菌，混合料液中菌种浓度为30%，混合料液的pH为 7.2。
收集实施例2-4反应生成的氢气，并计算产氢量，计算结果如表1所示。
表1中所述单位产氢量（mL/g）=氢气体积/混合料液质量
相较于对比例2，实施例2由于在筒体中设置三棱柱，增加了光照的均匀性而提高了单位产氢量。由实施例2-4工艺制备氢气的单位产氢量可知，在光照强度为4000LX时，最有利于光合细菌即HAU-M1光合产氢细菌吸收能量产生氢气。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种滚筒式光合制氢装置，其特征在于，包括底座、设于底座上反应器以及能够使反应器转动的转动机构；
所述反应器包括沿水平方向延伸的筒体、设于筒体一端的进料组件、设于筒体另一端的出料组件、位于筒体中心轴位置处的支撑轴、若干个一端与支撑轴连接另一端与筒体内壁连接的支撑条、以及光源组件和筒体的加热器，
所述光源组件包括设于筒体内的光源、三棱柱体以及设于筒体外的光源电源，所述三棱柱体表面带有反光涂层，所述三棱柱体沿水平方向延伸且在筒体内壁上沿圆周方向分布，所述光源分布与支撑条上；
所述筒体顶部设有排气口；
所述加热器为设于筒体底部的辐射增温器；辐射增温器电连接有温度传感器，所述温度传感器设于筒体中；
进料组件包括安装于筒体端部的第一壳体，所述第一壳体上安装有进料斗，所述进料斗设有闭合开关；
所述出料组件包括安装于筒体远离进料组件一端的第二壳体，第二壳体内安装有出料管，所述出料管上设有阀门；
所述光源为弥散光纤的纤芯，所述光源电源安装于第一壳体和第二壳体内；
底座设置为内壁面为弧形半包裹底座。
2.如权利要求1所述的滚筒式光合制氢装置，其特征在于，所述转动机构包括设于对称套设于筒体两端的齿圈、设于齿圈底部且与齿圈啮合的齿轮、齿轮驱动机构；
所述齿轮驱动机构包括电机，以及设于电机输出端的变速器，所述齿轮与变速器的输出端连接。
3.如权利要求2所述的滚筒式光合制氢装置，其特征在于，所述转动机构还包括设于两个齿圈之间且套设于筒体外的托圈，所述托圈下设有与托圈相配合的托轮，所述托轮安装于底座上。
4.如权利要求1所述的滚筒式光合制氢装置，其特征在于，所述底座上设有控制面板，所述控制面板包括计时器、温度探测器、用于输入时间温度以及输入模块、用于显示时间和温度的输出模块以及中央处理器。
5.利用权利要求1所述滚筒式光合制氢装置制备氢气的工艺，其特征在于，包括如下步骤：1）由进料斗顺次加入料液和光合细菌菌液得到混合料液，筒体内上部留存部分空气；
2）调整筒体内的温度为33-37℃，筒体转动幅度为筒体圆周面周长的1/5，反应时间80-100h；
3）由排气口收集气体；
纤芯直径为6mm，纤芯表面光照的辐射强度为3000-5000LX。
6.如权利要求5所述的工艺，其特征在于，步骤1）中料液配方为混合生物质粉碎秸秆，菌液的菌种名称为HAU-M1光合产氢细菌，混合料液中菌种浓度为20%-40%，混合料液的pH为7-7.4。
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