新型生物燃料———丁醇的研究进展
姓名:吴柏君
学号：201307231
班级：应化1301班
专业：化学与生物工程学院
兰州交通大学
2015年10月10日
摘要:出于能源安全和环保的考虑,生物燃料已成为许多国家研究发展的目标,而生物丁醇以其特有的优势体现了能源的多元化和巨大的发展潜力。介绍了丁醇作为新型生物燃料的优势及国内外最新研究进展,并对丁醇生产中存在的问题及其应对策略进行了探讨,最后对其发展前景进行了展望。
关键词:丁醇; 生物燃料; 研究进展
中图分类号:O623.411文献标识码:A文章编号:0253-4320(2008)06-0028-04 Research progress in new biofuel butanol
Abstract:In view of energy security and environment protection,biofuel has been turned into research and developmenttarget in many countries.With special advantages,biobutanol demonstrates energy diversification and great developmentpotential.The advantages of butanol as a newbiofuel and its latest research progress athome and abroad are introduced,and thepresent problems existing in butanol production by the fermentation and their strategies are discussed.Finally,the prospects ofbiobutanol are looked forward to.
Key words:butanol;biofuel;research progress
受世界石油资源、价格、环保和全球气候变化的影响,发展生物燃料已成为许多国家提高能源安全、减排温室气体、应对气候变化的重要措施。生物燃料是指通过生物资源生产的适用于汽油或柴油发动机的燃料,包括燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇、生物气体、生物甲醇、生物二甲醚等,目前市场上以燃料乙醇和生物柴油最为常见。生物丁醇与乙醇相似,可以和汽油混合,但却具有许多优于乙醇之处,因此,生物丁醇的研究开发日益受到许多国家的重视[1-3]。
1生产概述
工业上生产丁醇的方法有3种[4-5]:①羰基合成法。丙烯与CO、H2在加压加温及催化剂存在下羰基合成正、异丁醛,加氢后分馏得正丁醇,这是工业上生产丁醇的主要方法。②发酵法。以淀粉等为原料,接入丙酮-丁醇菌种,进行丙酮丁醇(ABE)发酵,发酵液精馏后得产品正丁醇。③醇醛缩合法。乙醛经缩合成丁醇醛,脱水生成丁烯醛,再经加氢后得正丁醇。发酵法生产丙酮和丁醇工业始于1913年。第一次世界大战爆发后,丙酮用于制造炸药和航空机翼涂料等用量激增。英国首先改造酒精厂为丙酮丁醇工厂,继而又在世界各地建立分厂,以玉米为原料大规模生产丙酮、丁醇。战后由于与丙酮同时制得约有2倍量的正丁醇未发现可利用价值,丙酮、丁醇工业曾衰退停顿,当发现正丁醇是制造醋酸丁酯作为硝酸纤维素之最佳溶剂后,此工业又获得新生。20世纪五六十年代,由于来自石油化工的竞争,丙酮、丁醇发酵工业走向衰退。但是70年代的石油危机,促使人们重新认识到丙酮、丁醇发酵工业的重要性[6]。
2优势
发酵法生产的生物丁醇可作为生物燃料替代汽油等石化能源,其优势体现在生产方法和产品性能两方面。
2.1发酵方法上的优势
(1)化工合成法以石油为原料,投资大,技术设备要求高;而微生物发酵法一般以淀粉质、纸浆废液、糖蜜和野生植物等为原料,利用丙酮丁醇菌所分泌的酶来将淀粉分解成糖类,再经过复杂的生物化学变化,生成丙酮、丁醇和乙醇等产物,其工艺设备与酒精生产相似,原料价廉,来源广泛,设备投资较小;(2)发酵法生产条件温和,一般常温操作,不需贵重金属催化剂;(3)选择性好、安全性高、副产物少,易于分离纯化;(4)降低了对有限石油资源的消耗和依赖。
2.2生物丁醇的性能优势
作为生物燃料,丁醇与其同系物及其他燃料物化和燃烧特性的比较见表1和表2[2,7]。丁醇与乙醇相比具有以下优势[8]:①能量含量高,与乙醇相比可多走30%的路程;②丁醇的挥发性是乙醇的1/6倍,汽油的1/13.5,与汽油混合对水的宽容度大,对潮湿和低水蒸气压力有更好的适应能力;③丁醇可在现有燃料供应和分销系统中使用,而乙醇则需要通过铁路、船舶或货车运输;④与其他生物燃料相比,腐蚀性较小,比乙醇、汽油安全;⑤与现有的生物燃料相比,生物丁醇与汽油的混合比更高,无需对车辆进行改造,就可以使用几乎100%浓度的丁醇,而且混合燃料的经济性更高;⑥与乙醇相比,能提高车辆的燃油效率和行驶里程;⑦发酵法生产的生物燃料丁醇会减少温室气体的排放。与乙醇一样,燃烧时不产生SOx或NOx,这些对环境有利;⑧丁醇作燃料会降低国内对燃油进口的依赖性,体现燃料的多元性,有利于缓解国家之间因石油引发的关系紧张问题。
3国内外研究进展
随着石油资源的短缺,石油价格的不断上扬,经济和社会的发展需要进行资源、能源、环境革命。在经济发展和社会发展的双重驱动下,世界许多国家开始重新关注微生物发酵法生产丁醇的研究,其中以美国取得的专利和成果最多。
3.1美国
2006年6月,美国杜邦(Dupont)公司和英国BP公司联合宣布建立合作伙伴关系,共同开发、生产并向市场推出新一代生物燃料———生物丁醇,以满足全球日益增长的燃料需求,该生物丁醇厂将于2009年投入运营[9-10]。美国农业部农业研究所(USDA-ARS)研究项目Cost-Effective Bioprocess Technologies for Production ofBiofuels from Lignocellulosic Biomass,利用拜氏梭菌转化纤维素生物质生产生物丁醇,该项目2004年立项,预计2009年完成[11]。美国绿色生物有限公司(GBL)和专业级公司EKB公司合作,投资85.5万欧元创新丁醇发酵工艺技术,计划开发生产生物燃料丁醇用于交通运输,将其生产成本降低1/3[12]。加利福尼亚技术研究院(Caltech)、下属公司Gevo、Khosla风险投资公司及Virgin Fuels公司目前已将研究从乙醇转向了丁醇;Gevo公司将利用甘蔗、玉米副产物和草等不同类型的生物质生产生物丁醇[13]。美国EnerGenetics International Inc.(EGI)用DNA遗传改良菌株,通过代谢工程调控和专利技术开发的连续固定化反应器,采用膜技术回收产物,发酵仅需6 h,菌种能耐受4%～5%的丁醇,发酵液中丁醇占总溶剂的90%(传统发酵法丁醇一般占60%),丁醇产量达4.5～5.0 g/(L·h),产率为40%～50%,比传统丁醇工艺产量提高400%～500%,生产成本不到0.264美元/L,车间成本500万～1 000万美元,而传统丙酮丁醇发酵法生产成本为2.5美元,传统发酵车间至少需要投资1亿美元[14]。美国ButylFuel公司采用BFL公司专利生产的BioButanolTM,1 L玉米可产丁醇0.27 L,且无乙醇或丙酮产生,而目前报道的研究中1 L玉米最多能产丁醇
0.14～0.20 L,且仍沿用ABE发酵过程。据初步成本估算,用石油生产丁醇的成本为
1.350美元/L,而用玉米产生物丁醇的价格为0.317美元/L(不包括所产氢气),可以和玉米产乙醇的0.338美元/L的价格相竞争。当用饲料等废弃物代替玉米时,丁醇成本可降至0.225美元/L[15]。
3.2英国
2006年,英国政府计划利用英格兰东部的甜菜生产生物丁醇,将其与传统汽油混合后,用作车辆驱动燃料,并计划加速丁醇和其他生物燃料的生产,使生物燃料销售份额到2010年占所有燃料的5%,到2015年占10%。目前,第一个丁醇燃料工厂正由英国联合食品有限公司(ABNA)建造,设计生产能力为7 000万L/a,到2010
年,丁醇燃料可在1 250个英国石油公司(British Petroleum,简称BP)、加油站销售[16]。2007年2月,英国Oxfordshire-based Biotechnology公司接受英国贸易部和工业引导技术部投资25万英镑,其他股东和商业人士投资31万英镑,计划开发新一代低成本生物燃料———丁醇[17]。3.3韩国为应对高油价,韩国产业资源部2007年表示,计划大力研发生化丁醇(Bio-butanol,直接替代汽油的生物燃料)、生物合成石油等下一代新能源技术和天然气固化储存和运输技术。第一阶段从2007年至2010年3年内,计划投入200亿韩元开发上述技术,其中政府投资113亿韩元,由韩国化学研究院、GS精油、SK建设、三星综合技术院(SAIT)和汉城大学(Hansung University)等29个企业和研究机构共同参与。一阶段研发结束时,将开发出生产能力3万L/a生化丁醇、35桶生物合成柴油和20 t固化天然气的成套设备[18]。
3.4中国
国内的科研院所以及一些发酵企业也都开始着手丁醇的研究开发,开始这方面研究的科研院所有中国科学院上海植物生理生态研究所、上海工业微生物研究所、清华大学核能与新能源技术研究院等,其中中国科学院上海植物生理生态研究所“七五”期间承担过高丁醇比丙酮丁醇菌的选育,并成功选育出了7∶2∶1丙酮丁醇菌种。相关的企业有河南天冠集团的子公司上海天之冠可再生能源有限公司、华北制药公司、河北冀州溶剂厂等,其中上海天之冠可再生能源有限公司和中国科学院上海植物生理生态研究所关于发酵法生产丙酮丁醇的项目已经申请了国家“973”、国家“863”计划以及中国科学院计划,项目的重点是构造高产、高底物选择性的丙酮丁醇菌种和开发新的发酵工艺,包括纤维质原料发酵生产丙酮丁醇、溶剂抽提耦联发酵技术以及研究先进的发酵过程装备等[19]。
4问题与展望
4.4展中存在的问题及应对策略早
早期的丁醇发酵工业因其成本高,不敌于石油
化工产品而衰落,这也是当今限制其大规模发展的瓶颈所在,据业内专家分析,如果原油价格保持在40美元/桶以上,2011年以后,生物丁醇的市场机会将会超过10亿美元。传统丁醇发酵产业普遍存在的问题有[11,20-21]:①丁醇产量、产率低。由于丁醇对菌体的毒害作用,丁醇的质量浓度<13 g/L,丁醇产量<4.46g/(L·h),丁醇产率<25%(质量分数)。②溶剂终浓度低。传统的ABE发酵,总溶剂质量分数≤2%,水分质量分数可达98%以上,采用常规精馏方法加大了设备、电力和能源的消耗,这也是丁醇高成本的关键所在。③丁醇在总溶剂中的比例低,一般只占60%,其余30%为丙酮,10%为乙醇,加大了后期丁醇回收、分离的成本。④传统的丁醇发酵普遍采用玉米、糖蜜为原料生产,随着粮食价格的上涨及世界粮食资源的匮乏,丁醇的发展必将处于劣势。针对传统丁醇发酵产业存在的问题,可从以下几方面着手,具体策略如下:(1)改良现有菌株。利用基因工程和代谢工程技术,解除代谢过程中可能存在的产物或者中间产物的抑制,提高菌种对丁醇的耐受性,强化丁醇生产中的关键酶,切断丙酮、乙醇的生成代谢途径,提高丁醇在溶剂中的比例。(2)研究从稀发酵料液中经济、有效回收丁醇的方法,如渗透蒸发、汽提、液-液萃取等技术。
(3)用酶学、微生物生理、发酵技术等知识优化和再商品化丁醇发酵工艺。(4)拓展发酵原料品种,改进原料预处理方法,通过系统研究降低丁醇成本[11,22-23]:①广泛利用价廉易得的木质纤维类原料。能够发酵产生丁醇的原料有玉米、糖蜜、乳清、葡萄糖等。近年来,一些农业废弃物,如稻草、玉米纤维、果园残次果等也已作为发酵底物使用,其中,以农林副产物、有机废弃物、秸秆等木质纤维素含量
丰富的物质生产生物丁醇的成本较玉米、糖蜜等更低,规模化后其价格更接近石油工业丁醇,因此也更有商业前景。目前我国农村的秸秆量产量约 6.5亿t/a,到2010年将达7.26亿t/a,而农业加工业的废弃物则高达8 200多万t。充分开发利用农作物秸秆成为农业发展的重要课题之一,既符合我国国情,也顺应国家的大政方针。②研究有效的预处理方法,增加微生物或酶水解木质纤维素的有效性。稀酸高温处理木质纤维类原料会产生糠醛等对微生物发酵有毒的物质,而开发化学和生物方法脱毒水解物,研究脱毒机理,对加快发酵效率,降低工艺成本具有重要意义。③用木质纤维素开展生物燃料的高产量发酵系统研究。采用多级连续发酵、固定化发酵、细胞循环高密度发酵等方法,通过微生物对高底物浓度、发酵抑制剂、有机酸和醇的耐受性的研究,保证微生物的活力。④为提高工艺的经济性,生物反应器中的各项步骤可耦合,通过酶/微生物糖化-发酵-下游技术同时生产生物燃料丁醇。
4.2发展前景与展望
目前,新型生物燃料占全球运输燃料市场的份额不足2%。根据当前的预测,生物燃料在未来运输燃料结构中将占有重要比重,在主要市场中可望达到20%～30%,由于生物丁醇生产与乙醇生产采用相似的工艺,现有的乙醇生产设施经过改造便可转而生产生物丁醇,因此生物丁醇的市场潜力巨大。国家能源供应多元化是国家能源策略的一个重要方面,在世界未来的能源结构中,可再生生物能源将是能源利用的主体之一。丁醇作为一种新型生物燃料,随着丙酮丁醇发酵工业上游和下游工程技术的完善,必将以其特有的优势在生物燃料市场中发挥重要作用。针对世界各国大力开发新型生物燃料的现状,我国只有认清形势,鼓励发展性能良好、环保安全的诸如生物丁醇、生物柴油等类的生物燃料,方能有效应对能源危机,减少环境污染,提高国家能源安全,实现能源多元化发展,满足国内外市场对生物燃料的需求。鉴于国外生物丁醇技术知识产权和专利的限制,我国需要因地制宜,广泛利用价廉、丰富的木质纤维素资源,改良丁醇发酵菌种,采取有效的回收技术,革新生物反应器,在掌握丁醇发酵代谢机理的基础上,运用代谢调控理论和发酵工程技术,切实提高丁醇产量和产率,降低生物燃料丁醇的成本,力争早日实现其规模化生产。
参考文献
[1]粱佐佐.什么是乙醇的替代品[J].轻型汽车技术,2006(7):37.
[2]马晓建.燃料乙醇生产与应用技术[M].北京:化学工业出版社,
2007:189-272.
[3]王超,章超桦.酶解纤维素类物质生产燃料酒精的研究进展
[J].节能,2003(12):6-9.
[4]化学工业出版社.中国化工产品大全[M].北京:化学工业出版
社,1998:511-512.
[5]柴国梁.国内丁醇市场分析(上)[J].上海化工,2006,31(2):
49-52.
[6]焦瑞身.微生物工程[M].北京:化学工业出版社,2003:148-
155.
[7]Production of butanol from biomass[EB/OL].http://www.answers.
com/topic/butanol-fuel.
[8]National Agricultural Bio-technology Council 19thAnnualMeeting[EB/
OL].https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,/speaker.cfm?lname=Ramey,
2007-05
[9]钱明.BP和杜邦加快生产生物丁醇[N].中国石化报,2007-
03-14:5.
[10]Benoit Faucon BP,ABF and DuPont to Build Biofuel Plant.Wall Street Journal(Eastern edition)[N].New York,2007-06-28:A9.
[11]ResearchProject:Cost-effective bioprocesstechnologiesforproduction of biofuels from lignocellulosic biomass[EB/OL].https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,da.
gov/research/projects/projects.htm?ACCN NO=408951,2008-
02-23.
[12]Green biologics awarded C=855,000 to boost biobutanol fuel develop- ment[EB/OL].https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,/2007/01/green-biologics-award-
ed-855000-to 22.html,2007-12-07.
[13]Gevo receives funding from virgin fuels and khosla ventures to make biobutanol[EB/OL].https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,/2007/07/gevo-receives-
funding-from-virgin-fuels.html,2007-07-19.
[14]The next generation in biofuels:A new approach to the production of biofuels[EB/OL].https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,.
[15]Butanol is an alcohol that replacesgasoline[EB/OL].http://www.bu- https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,.
[16]功能材料信息.英计划用甜菜生产生物丁醇[J].用作车辆驱动
燃料,2006,3(5):47.
[17]Butanol breakthrough soon promises UK developer[EB/OL].http:// www.bioenergy-business,com/index.cfm?section=technology&action
=view&id=10371&return=search,2007-02-05.
[18]韩加大新能源的研发投入[EB/OL].https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,/biol-
ogy/news/316518.shtml,2007-11-21.
[19]沈兆兵,杜风光,史吉平,等.丙酮丁醇生产技术进展[J].广州
化工,2007,35(5):8-10.
[20]靳孝庆,王桂兰,何冰芳.丙酮丁醇发酵的研究进展及其高产策
略[J].化工进展,2007,26(12):1727-1732.
[21]王丽,陈卫平.纤维质原料制燃料酒精的研究进展[J].酿酒科
技,2005(3):57-60.
[22]Thaddeus Chukwuemeka Ezeji,Nasib Qureshi,Hans Peter Blaschek. Bioproduction of butanol from biomass:From genes to bioreactors[J]. Current Opinion in Biotechnology,2007,18:1-8.
[23]Ezeji TC,Qureshi N,Karcher P,et al.In alcoholic fuels:Fuels for to-
day and tomorrow[M].NewYork:Taylor&Francis,2006:99-122.
1.研究目的 微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器。 本文通过一定室型MFC反应器，选择最优的电极材料，并对电极间距，电极面积进行参数调整，进一步对反应器构型，循环流速，膜结构和反应条件进行优化，提高微生物燃料电池的输出功率。 2.研究意义 微生物燃料电池（Microbial fuel cell, MFC）是基于传统的燃料电池（Fuel cell, FC）与微生物相结合发展起来的由阴阳两极及外电路构成的装置。在MFC系统内，微生物通过新陈代谢氧化有机物后将电子胞外传递给阳极，电子再通过外电路到达阴极从而产生电能。从MFC的构成来看，阳极作为产电微生物附着的载体，不仅影响产电微生物的附着量，而且影响电子从微生物向阳极的传递，对提高MFC产电性能有至关重要的影响。因此，从提高MFC的产电能力出发，选择具有潜力的阳极材料开展研究，解析阳极材质和表面特性对微生物产电特性的影响，对提高MFC的产电能力具有十分重要的意义。在MFC中，高性能的阳极要易于产电微生物附着生长，易于电子从微生物体内向阳极传递，同时要求阳极内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好。目前有多种材料可以作为阳极，但是各种材料之间的差异，性对电池性能的影响并没有得到深入的研究。以及各种阳极特 阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响（清华，钟登杰，小论文） 作为一种新型的清洁能源生产技术,MFC在产电的同时还能处理废水、去除硫化氢、产氢和修复地下水。与传统的废水处理工艺相比,MFC产泥量少、不产生甲烷,从而节省污泥和气体处理费用。但MFC的产电功率密度低,与氢氧燃料电池相比,差3~4个数量级。为了提高MFC的产电功率和处理废水的效率,目前的研究主要集中在产电微生物筛选和MFC结构优化两个方面。对于优化MFC结构,可以通过优化阳极、阴极和质子膜材料,提出新型的MFC结构和运行方式等来实现。 微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究（哈工，尤世界，博士论文） MFC是一个新生事物，该项技术具有废水处理和电能回收的双重功能，它的出现是对传统有机废水处理技术和观念的重大革新，目前正在引起世界范围内的广泛关注，日渐成为环境科学与工程和电化学领域一个新的研究热点。尤其是在能源供需矛盾日益突出，环境污染日益严重的今天，MFC更显示出其它技术无法比拟的优越性。MFC技术一旦实现产业化，将会使废水处理技术发生一次新的革命，产生不可估量的社会、环境和经济效益。但是由于受到技术和经济方面等众多因素的限制，MFC离实际工程应用的距离还很遥远，相关研究刚刚起步，目前正处于可行性探索和基础研究阶段。本课题正是在这一背景下提出的。由于功率密度低，材料造价昂贵，反应器型式的不确定，有关MFC的研究目前主要停留在实验室的规模和水平上，很难实现商业化应用。因此，为了进一步提高MFC的产电功率密度，降低系统的基础和运行费用，研发适合废水处理工艺特点的MFC结构型式，为进一步的研究提供切实可行的依据与支撑，促进该项技术早日应用于有机废水处理的工程实践，需要在现有研究水平的基础上充分把握MFC研究中多学科交叉的特点，开展MFC的电化学特性和有机物降解特性的基础研究；弄清阳极特性对MFC性能的影响及阴极电子受体在MFC功率密度提高中起到的重 1
微晶纤维素制备、应用及市场前景的研究 曲阜天利药用辅料有限公司生产技术部，山东曲阜273105 摘要：纤维素是自然界中最丰富的天然高分子材料。对解决目前世界面临的资源短缺、环境恶化、可持续发展等问题具有重要意义。纤维素在一定条件下进行酸水解，当聚合度下降到趋于平衡时所得到的产品称为微晶纤维素( micro.crystalline cellulose，MCC)。微晶纤维素为白色或类白色、无臭、无味的多孔性微晶状颗粒或粉末,具有高度可变形性，是可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合物,通常 MCC的粒径大小一般在20-80微米之间，它广泛用于食品、医药及其他工业领域。 关键词：微晶纤维素；MCC;制备；应用；市场前景。 Microcrystalline cellulose preparation, application and market prospect of research QuFuTianLi medicinal materials co., LTD., production technology department shandong qufu 273105 Abstract:Cellulose is the most abundant natural polymer materials in the nature。To solve the shortage of resources in the world, the problem such as environmental degradation, sustainable development is of great significance。Cellulose under certain conditions with acid hydrolysis，When the polymerization degree decline to tend to balance the resulting product is called the microcrystalline cellulose(micro.crystalline cellulose，MCC)。Microcrystalline cellulose is white or kind of white, odorless, tasteless porous micro crystalline granular or powder，With high deformability，Is the free flow of natural polymer composed of cellulose crystal，Usually the particle size of MCC generally between 20 to 80 microns，It is widely used in food, medicine and other industrial fields。 Key words: microcrystalline cellulose, MCC. Preparation; Application; Market prospect 正文：微晶纤维素[1]为白色或类白色无臭、无味的多孔性微晶状颗粒或粉末,具有高度可变形性 ,对主药具有较大的容纳性 ,可作为片剂的填充剂、干燥粘合剂 ,同时具有崩解作用 ,广泛应用于医药、食品、轻工业等国民经济各部门。 在生产微晶纤维素时国外主要采用木材为原材料[2]，先收集木浆纤维素酸部分水解后的结晶部分，再经干燥粉碎而得到聚合度约200的结晶纤维素，我国棉花产量较高，成本较木材低，因此国内多以棉浆为原材料。决定微晶纤维素性能的主要因素[3]是制备方法和产品的质量控制标准。随着科技的发展，为了更大程
碳纤维吸波材料的研究进展 吴红焕,王晓艳,张 玲,朱冬梅,周万城 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072) 摘要 通过对碳纤维在复合材料中吸波性能的研究,得出通过控制碳纤维的长度和含量,以及采用化学掺杂或异型截面是得到频带宽、厚度薄、质量轻、吸收强结构吸波材料的有效方法,同时大力开展螺旋碳纤维和碳纳米管的研究是加快进展的新方向。 关键词 碳纤维 吸波材料 碳纳米管 化学掺杂 中图分类号:TQ342+.742 文献标识码:A Present Development of Absorbing Composites Containing C arbon Fibers WU Honghuan,WAN G Xiaoyan,ZHAN G Ling,ZHU Dongmei,ZHOU Wancheng (State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical University,Xi’an710072) Abstract The characteristic and transforming methods of short carbon fibers are discussed in this paper,in2 cluding additive lengths,contents,adulteration and non2circular section.Controlling the length and content of carbon fibers and exploiting adulteration and non2circular section are effective methods to get“wide,thin,light,strong”structure absorbing materials.At the same time,coiled carbon fibers and carbon nano2pipes are the new direction to ac2 celerate development. K ey w ords carbon fiber,absorbing material,CN Ts,chemical adulteration 0 前言 雷达吸波材料是指能吸收、衰减入射的电磁波,并将电磁能转换成热能而耗散掉,或使电磁波因干涉相消的一类材料。它由吸收剂与能透过雷达波的基体材料复合而成,经历了由单一纤维到混杂纤维、由次承力件到主承力件、由热固性树脂到热塑性树脂的发展过程[1～3]。除一般的吸波材料外,隐身用的特种碳纤维是制造吸波材料的关键。碳纤维结构吸波材料具有承载和减少雷达比反射面的双重功能,是功能与结构一体化的优良微波吸收材料。与其它吸波材料相比,它不仅具有硬度高、高温强度大、热膨胀系数小、热传导率高、耐蚀、抗氧化等特点,还具有质轻、吸收频带宽的优点。通过研究碳纤维的吸波性能和吸波机理,并对纤维吸收剂进行改性和结构设计,研制出高性能的碳纤维复合材料是现在研究的热点课题[4,5]。但目前国内对碳纤维吸波材料的理论研究与实际应用之间仍存在一定差距,亟需进一步突破。由于连续碳纤维对雷达波易产生强反射作用,而短切碳纤维在材料中随机分布,改善了这方面的性能,对雷达波有较好的吸收性能。本文从短切碳纤维的吸波性能出发,总结了碳纤维的吸波特性及改性措施。 1 短切碳纤维的吸波机理及影响因素 1.1 短切碳纤维的吸波性能及频响机理 连续碳纤维对雷达波产生强反射作用,主要是因为电磁场在碳纤维中形成了较大的连续传导电流。而短碳纤维在基体当中的吸波机理目前基本存在两种解释[6],一是认为短切碳纤维在吸波材料中起半波谐振子的作用。在短切碳纤维的近区存在似稳感应场,此感应场激起耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而使雷达波能量转换为其他形式的能量,主要为热能。另一说法认为在含短切碳纤维的吸波材料中,可以把短切碳纤维作为偶极子。短切碳纤维偶极子在电磁场的作用下会产生极化耗散电流,在周围基体作用下,耗散电流被衰减,从而使雷达波能量转换为其它形式的能量。 碳纤维吸波材料是一种介电型吸波材料,与磁性吸收剂相比,介电常数控制是吸收剂研究的重点和难点,而介电常数频散效应的控制则是宽频带吸收所必须追求的目标。因此,研究碳纤维吸波材料频响效应的机理至关重要。频响效应就是随着频率的增加,介电参数的实部、虚部下降,损耗增加的现象。其本质是在频率变化的过程中,电极化出现了极化的惯性或滞后性,以至于在不同频率电场中极化来不及响应电场的变化而出现的现象。根据电磁波理论,随着频率的增加,当电磁波在碳纤维导体表面产生涡流时,在导线截面上的电流分布将越来越向导线表面集中,即产生趋肤效应现象。趋肤效应越明显,产生的涡流损耗越相应地增加,从而导致电磁波的消耗。电磁波在碳纤维之间传播时,除了涡流损耗外,在每束碳纤维之间的部分电磁波还会经散射发生类似相位对消现象引起损耗增加[7]。 1.2 添加最佳长度和含量的探索 邢丽英等[8]研究了掺混短碳纤维的复合材料在电磁波作用下某些宏观物理量的响应特性。结果表明,调整纤维长度及含量可在很宽范围内改变材料的电磁参数与衰减量;不同长度的短碳纤维在介质中的最佳填充量不同,当纤维的长度接近传输 吴红焕:女,1982年生,硕士,主要从事碳纤维结构吸波材料研究 Tel:029********* E2mail:whh—8278@https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html,
微生物燃料电池电极材料的研究进展 作者：*** 北京化工大学化学工程学院，北京 *联系人，E-mail:********@https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html, 摘要微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是将有机物转化为电能的装置，而电极材料对微生物燃料电池的产电性能起着重要作用。本文简单介绍了微生物燃料电池的发展历史及工作原理，详细说明了各种微生物燃料电池电极材料的结构特点、产电性能及应用情况。最后，对微生物燃料电池的应用前景做出展望。 关键词：微生物燃料电池，电极材料，产电性能 微生物燃料电池是一种利用微生物将废水中的有机物转化为电能的装置。早在1911年，英国杜伦大学植物学家M.C.Potter首先发现微生物具有产电功能，提出了微生物燃料电池这一概念。但是由于当时微生物燃料电池发展地十分缓慢。直到20世纪80年代，伦敦皇家学院的M.J.Allen和H.Peter Bennetto对最初的微生物燃料电池做出来一系列变革性的改进，最终形成了沿用至今的微生物燃料电池基本模型。到了20世纪90年代，燃料电池产生新的突破，韩国科学技术研究院的研究员B-H.kim发现某些物种的细菌具有电化学活性，这意味着微生物燃料电池将不用介质就能将电子转移到阳极。发展至今，微生物燃料电池越发受到科研工作者的重视，因为与其他有机产能技术相比，在操作和功能上，微生物燃料电池都具有明显的优势，比如说它既能保证能量转化的高效率，而且工作条件温和，因为产物大多数为Co2等无害气体，所以又不需要进行废气处理。但是微生物燃料电池由于产电量小，产电性能不够高等因素影响其进行大规模产业化，当我们能做到微生物燃料电池大规模产业化时，对能源短缺的形势会带来意想不到的福音。本文对微生物燃料电池电极材料进行了综述，尽量全面的介绍最新的有关燃料电池电极材料的研究。 1微生物燃料电池的基本工作原理 微生物燃料电池依据氧化还原反应原理。如图1所示，在阳极室，有机燃料被氧化失去电子并且产生质子，电子直接或间接到达阳极材料，然后通过外电路到达阴极形成电流，而质子通过质子交换膜到达阴极室，然后氧化剂在阴极的电子被还原。虽然只是简单的氧化还原反应，在其间存在较为复杂的电子转移问题，根据电子转移方式不同可把微生物燃料电池分为直接微生物燃料电池和间接微生物燃料电池。直接微生物燃料电池燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接到电极上，此时，生物催化剂催化在电极表面的反应，而间接微生物燃料电池是有机燃料在电解质溶液或者其他地方被氧化，通过一些介质的传递作用才使电子运输到电极上，这些有电子传递作用的介质叫做介体，在微生物燃料电池的研究中具有重要意义。
微生物燃料电池应用现状及发展前景 佚名 【摘要】简述了微生物燃料电池(MFCs) 的基本结构及运行原理，介绍了微生物燃料电池(MFCs )的技术发展现状与研究热点，并指出了未来燃料电池的发展趋势。 【关键字】微生物燃料电池,生物传感器，水处理 Abstract The microbial fuel cell ( MFCs ) of the basic structure and operation principle, describes microbial fuel cell ( MFCs ) technology development and research, and points out the future of fuel cell the development trend of. Keywords microbial fuel cells, biological sensors, water treatment 1 引言 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)，是一种以微生物为阳极催化剂，将有机物中的化学能直接转化为电能的装置。1911年，英国植物学家Potter便发现细菌培养液可产生电流，这是关于微生物燃料电池的最早报道。近年来，MFC技术因其诸多优点及应用范围的扩大，引起了世界各国研究者的高度关注。 毋庸置疑，微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFCs)是一种新兴的高效的生物质能利用方式，它利用细菌分解生物质产生生物电能，具有无污染、能量转化效率高、适用范围广泛等优点。因此MFCs逐渐成为现今社会的研究热点之一。 2 微生物燃料电池的工作原理
玉米秸秆梯级利用产丁醇及MEC产氢的研究我国是农业大国,每年产生8亿吨的农作物秸秆有30%以上得不到有效利用。秸秆中含有的纤维素和半纤维素是优质的生物质资源。 生物丁醇和氢气都是重要的可再生能源,可以应用到能源、交通燃料等领域。纤维素水解成单糖后,可以利用生物法发酵还原糖生产丁醇。 采用纤维素类生物质生产生物能源和秸秆的资源化利用已引起了社会各界的广泛关注。微生物电解池(Microbial electrolysis cell,MEC)是一种新兴的生物制氢技术,能够在处理有机废水的同时高效产氢。 本实验以秸秆梯级利用为出发点,研究了促进玉米秸秆水解液发酵产丁醇的方法,同时探索了利用MEC利用丁醇发酵废液制氢的可行性,并采用微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)处理MEC产氢废液,并据此提出了秸秆水解液发酵产丁醇-MEC产氢的提高生物质利用率的方法。本研究通过研究预处理方法、纤维素酶解缓冲溶液和水解液中的抑制物去除方法提高玉米秸秆糖化率。 在稀酸预处理、乙酸-乙酸钠缓冲溶液条件下还原糖的浓度为30.90 g/L。石灰法可以有效去除预处理抑制物并比对照组丁醇浓度提高了1.1倍。 在秸秆水解液发酵时,添加适量的外源电子载体(苄基紫精、甲基蓝)可以显著提高丁醇的产量。其中,当玉米秸秆水解液中含有20 mg/L的苄基紫精,丁醇的和溶剂的产量分别为6.49 g/L和8.14 g/L,丁醇产率提高到0.41 g/g。 MEC利用丁醇发酵废液产氢,不同的发酵废液浓度对最终的产氢量和COD去除效果有较大影响。发酵废液的进水浓度在4272 mg/L时,最大产氢速率为3.58±0.47 m3H2/m3/d,氢气产率为16.34 mmol H2/g COD,库伦效率为111.60±9.11%,此时COD去除率有71.6±2.3%。
基金项目:广西科学基金资助项目(桂科自0991024Z);广西培养新世纪学术和技术带头人专项资金资助项目(2004224) 收稿日期:2009-06-19 综述与进展 微晶纤维素的研究进展 何耀良1,廖小新2,3,黄科林1,6,吴 睿4,王 5 ,刘宇宏1,黄尚顺1,李卫国1 (1.广西化工研究院,广西南宁 530001;2.广西大学商学院,广西南宁 530004; 3.广西桂林市建筑设计研究院,广西桂林 541002; 4.广西民族大学化学与生态工程学院,广西南宁 530006; 5.广西大学化学化工学院,广西南宁 530004; 6.广西新晶科技有限公司,广西南宁 530001) 摘 要:微晶纤维素是天然纤维素水解至极限聚合度得到的一种聚合物,广泛用于食品、医药及其他工业领域,本文综述了国内外微晶纤维素的制备研究进展。 关键词:微晶纤维素;研究进展;制备 中图分类号:T Q 352 文献标识码:A 文章编号:1671-9905(2010)01-0012-05 微晶纤维素(Microcrystalline cellulose,M CC)是天然纤维素经稀酸水解至极限聚合度(LOOP)的可自由流动的极细微的短棒状或粉末状多孔状颗粒,颜色为白色或近白色,无臭、无味,颗粒大小一般在20~80L m,极限聚合度(LODP)在15~375;不具纤维性而流动性极强。不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂,在稀碱溶液中部分溶解、润涨,在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应性能。由于具有较低聚合度和较大的比表面积等特殊性质,微晶纤维素被广泛应用于医药、食品、化妆品以及轻化工行业。 自1875年Girard 首次将纤维素稀酸水解的固体产物命名为/水解纤维素0后,100多年以来,微晶纤维素的研究,一直是纤维素高分子领域中的一个热点课题。美国粘胶纤维公司于1957年研究出微晶纤维素的生产方法,于1961年获得原始专利并工业化生产。美国FMC 公司于1961年研究开发生产微晶纤维素,目前已经是全美甚至世界上最大生产公司[1]。我国在微晶纤维素研究方面起步较晚,但从20世纪70年代开始我国在微晶纤维素方面生产已初见成效,20世纪80年代国内厂家生产的微晶纤维素逐步取代国外如西方石油公司、日本等公司的产品,到20世纪90年代我国研制的微晶纤维素质量达到国外同类产品的质量标准。 随着科技的发展,为了更大程度降低成本,有效利用资源和加强环保,人们也在不断研究采用更好的原料和更好的方法来生产微晶纤维素,并进一步探究其可能的用途。本文主要根据国内外的有关文献报道综述了利用不同原料制备微晶纤维素的研究进展。 1 国内微晶纤维素研究进展 111 甘蔗渣微晶纤维素的制备研究 甘蔗渣纤维素的聚合度(DP)一般在500~700之间,水解后的平衡聚合度(DP)在100~200之间。甘蔗渣由于灰分高、白度低(灰分为112%~118%,白度为70%~80%),因此要用它来制备微晶纤维素必须进行增白和降低灰分处理。罗素娟[2]选择盐酸(工业级)来催化水解制备微晶纤维素,其流程见图1。其中固液比为1B 15,水解进行35min,即达到平衡聚合度。研究表明以甘蔗渣浆粕为原料生产微晶纤维素是可行的,产品质量符合标准要求,其中得率为82118%,聚合度为120,其颗粒数量分布较均匀,粒径较小,中位粒径1112L m,小于25L m 的产品占9211%,水分2142%,灰分0113%,白度90198%,经应用试验,效果良好,母液可以循环使用。生产废水经处理后达到排放要求。 第39卷 第1期2010年1月 化 工 技 术 与 开 发Technology &Development of Chemical Industry Vol 139 No 11 Jan 12010
人员分工情况 资料收集：蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领中英文摘要：蔡煜张领周晓楠 内容编写：发展部分简江婷婷宋爽韵 现状与差距部分蔡煜张领周晓楠排版校对：简江婷婷宋爽韵 宋爽韵 20110815023 简江婷婷 20110815036 蔡煜 20110815045 周晓楠 20110815047 张领 20110815050
碳纤维的发展与现状 学生：蔡煜简江婷婷宋爽韵周晓楠张领指导老师：秦文峰 摘要:简要介绍了碳纤维的性能、发展历史以及在航空航天领域中的应用，同时分析了国内外碳纤维的发展差距，给出了对我国碳纤维发展的建议。 关键词：碳纤维;碳纤维复合材料;应用领域;发展差距;发展建议 Abstract：The brief introduction of the performance and development history and application in the aviation&aerospace field of carbon fiber ,the analysis of the development gap of carbon fiber between home and abroad ,the advises of carbon fiber’s development to our country are given in this paper. Key words：carbon fiber;carbon fiber composites;application territory; development gap;development advises
第10卷 第1期2004年2月 电化学 ELECT ROCHEM IST RY Vol.10 No.1 Feb.2004 文章编号:1006_3471(2004)01_0001_08生物燃料电池的研究进展 宝 王月,吴霞琴＊ (上海师范大学生命与环境科学学院,上海200234) 摘要: 简要介绍生物燃料电池的工作原理、分类,归纳近年来国内外研究现状.讨论了电子传递媒介体在生物燃料电池中的作用以及如何提高电池性能的对策.最后,探讨了影响生物燃料电池研究进展的瓶颈,并展望其应用前景. 关键词: 生物燃料电池;酶;电子传递媒介体;修饰电极 中图分类号: T M911.45 文献标识码: A 生物燃料电池(Biofuel cell)是利用酶(Enzyme)或者微生物(Microbe)组织作为催化剂,将燃料的化学能转化为电能. 生物燃料电池工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处.以葡萄糖作底物的燃料电池为例,其阴阳极反应如下式所示: 阳极反应 C6H12O6+6H2O 催化剂 6CO2+24e-+24H+ 阴极反应 6O2+24e-+24H+催化剂 12H2O 1911年植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行试验,发现微生物也可以产生电流,从此,开创了生物燃料电池的研究.至今,在空间科学研究过程中,已开发出几种可用于空间飞行器的生物燃料电池,用飞行器中的生活垃圾作电池的燃料,可说是真正意义上的环保新能源.这类电池占主导地位的是间接微生物电池,即利用发酵产物作为电池的燃料.自上世纪60年代末以来,直接的生物燃料电池开始成为研究热点,主要的研究对象是以葡萄糖为阳极燃料、以氧为氧化剂的酶燃料电池.但此时恰逢锂电池取得了突破性进展,因而使这类酶燃料电池又受到冷落.80年代后,由于氧化还原媒介体(Mediator)的广泛应用,生物燃料电池的输出功率有了较大的提高,使其作为小功率电源而使用的可行性增大,并因此推动了它的研究和开发[1].另一方面,由于生物燃料电池中的阴极与其它燃料电池相似,也可以使用空气中的氧作为氧化剂,所以相关的研究大多集中于阳极,但同时,也出现了具有生物电催化功能的修饰电极代替常规的氧阴极.有趣的是,以天然食物为燃料,能够自给自足的机器人(Gastrobots)研究也于近年来取得了某些进展[2]. 收稿日期:2003_07_19 ＊通讯联系人,Tel:(86_021)64322930,E_mail:x qwu@https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html, 上海市教委自然科学基金(01D04_2)资助 DOI:10.13208/j.electroche m.2004.01.001
微生物燃料电池 12级新能源材料，程妮，学号106 微生物燃料电池(microbial fuel cells ，MFCs)是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的装置，是一种生物反应器。自1911年英国植物学家Potter 发现微生物可以产生电流开始，有关MFCs 的研究一直在进行，但进展缓慢。直到研究人员发现某些微生物能在无介体的条件下直接将体内产生的电子传递到电极，MFCs 的研究获得了突破性进展。目前，MFCs 研究的主要内容是无介体MFCs 产电性能的改善，体现在污水处理、生物传感器的应用和生物修复等方面。 一、原理 微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，通过降解有机物(例如，葡萄糖、乳酸盐和醋酸盐等)，产生电子和质子。产生的电子传递到阳极，经外电路到达阴极产生外电流。产生的质子通过分隔材料(通常为质子交换膜、盐桥)，也可以直接通过电解液到达阴极。在阴极与电子、氧化物发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。如图所示为 MFCs 的工作原理示意图。 典型反应如下：阳极：C 6H 1206+6H 20一 6C02+24H ++24e - 阴极：602+24H ++24e -一一12H 20 二、微生物燃料电池的结构 微生物燃料电池主要有三种结构类 型，即单室结构、双室结构和填料式结构。［1］ (一)、单室结构的MFCs 单室MFCs 通常直接以空气中的氧气作为氧化剂，无需曝气，因而具有结构简单、成本低和适于规模化的优势。单室的功率密度为480～492mW ／m 2，单室MFCs 无分隔材料和阴极液，内阻较双室小。但是单室MFCs 的库仑效率(CE)比双室低(单室库仑效率为10％，而双室则为42％～61％)。 (二)、双室结构的MFCs 典型的双室MFCs 包括阳极室和阴极室，中间由PEM 或盐桥连接。双室的功率密度为38～42mW ／m 2。 MFCs 从外形上又分为平板型和管
碳纤维发展现状及其发展趋势 0 引言 高性能纤维是指耐热好、质量轻、强度高、高模量的特种纤维材料。作为高性能纤维的一种,碳纤维既有碳材料的固有本征,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代军民两用新材料,已广泛用于航空航天、交通、体育与休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。 碳纤维是纤维状的碳素材料，含碳量在90%以上。它是利用各种有机纤维在惰性气体中、高温状态下碳化而制得。碳纤维具有 十分优异的力学性能，是目前已大量生产的高性能 纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，特 别是在2000℃以上的高温惰性环境中，碳材料是唯 一强度不下降的物质，是其他主要结构材料（金属及 其合金）所无法比拟的。除了优异的力学性能外， 碳纤维还兼具其他多种优良性能，如低密度、耐高 温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、 电及热传导性高、热膨胀系数低、光穿透性高，非磁 体但有电磁屏蔽性等。 作为高性能纤维的一种，碳纤维既有碳材料的固有特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是先进复合材料最重要的增强材料，已在军事及民用工业的各个领域取得广泛应用，从航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺等民用工业到运动器材和休闲用品等。因此，碳纤维被认为是高科技领域中新型工业材料的典型代表，为世人所瞩目。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面，发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义，对国防军工和国民经济有举足轻重的影响。 1国内外碳纤维的发展现状1.1 国外碳纤维的发展现状 碳纤维的起源可追溯到19世纪后期，美国人爱迪生（Edson）用碳丝制作灯泡的灯丝，从而发明了电灯，给人类社会带来了光明。但是在20世纪初期，美国通用电器公司的库里基（Coolidge）发明了用钨丝取代碳丝作为灯丝，并
山西大学研究生学位课程论文（2013 ---- 2014学年第学期） 学院（中心、所）： 专业名称： 课程名称：高等环境微生物 论文题目：微生物燃料电池的研究进展授课教师（职称）： 研究生姓名： 年级： 学号： 成绩： 评阅日期： 山西大学研究生学院 2014年月日
微生物燃料电池的研究进展 学生：指导老师： 摘要：微生物燃料电池作为一种可再生能源是当下的一个研究热点。本文从微生物燃料电 池的由来，原理，分类，研究方向，应用前景等方面对微生物燃料电池做了一大致的概述。 介绍了几种主要的燃料电池细菌。 关键字微生物燃料电池 随着全球化石油燃料的减少和由此产生的温室效应的加剧，一种清洁高效的能源走进了人们的视野，它便是微生物燃料电池。微生物燃料电池(Microbiological Fuel Cells)并非刚刚出现的一项技术，早在1910年，英国植物学家马克·比特首次发现了细菌的培养液能够产生电流，于是，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液里，成功制造出了世界第一个微生物燃料电池。 利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上，这样的装置叫微生物燃料电池。用微生物作生物催化剂，可以在常温常压下进行能量转换。[1] 纵观微生物燃料电池的发展历史，经历了几种形式的变革[2]。早期的微生物燃料电池是将微生物发酵的产物作为电池的燃料，如从家畜粪便中提取甲烷气体作为燃料发电。20世纪60年代末以来，人们将微生物发酵和制电过程合为一体。20世纪80年代后，由于电子传递中间体的广泛应用，微生物燃料电池的输出功率有了较大提高，使其作为小功率电源而使用的可行性增大，并因此推动了它的研究和开发。2002年后，随着直接将电子传递给固体电子受体的菌种的发现，人们发明了无需使用电子传递中间体的微生物电池，其中所使用的菌种可以将电子直接传递给电极。由于微生物燃料电池能够长时间提供稳定电能，所以它在诸如深海底部和敌方境内的军事装备这些“特殊区域”具有潜在用途．近年来，微生物燃料电池的研究受到了广泛关注。 1.微生物燃料电池的工作原理和分类 微生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料(有机物质)的化学能直接转化为电能的一种装置。其工作原理与传统的燃料电池存在许多相同之处，以葡萄糖作底物的燃料电池为例，其阴阳极化学反应式如下[3]： 阳极反应C6H12O6+6H20 CO2+24e-+24H+ 阴极反应6O2+24e-+24H+12H2O 一般而言，微生物燃料电池都是在缺氧条件下通过向阳极传递电子氧化电子供体来实现的(见图1)，电子供体可以是微生物代谢底物，也可以是人工添加的辅助电子传递中间体，这种中间体能够从微生物那里获得电子，然后将获得的电子传递到阳极。有些情况下，微生物本身可以产生可溶性电子传递中间体，或者直接将产生的电子传递到阳极表面，电子通过外电路到达阴极，有机物氧化过程中释放的质子通过质子交换膜到达阴极，而这种交换膜能限制溶氧进入阳极室，最后，电子、质子和氧气在阴极表面结合形成水。 根据电子传递方式的不同，可将微生物燃料电池分为直接和间接微生物燃料电池[4-5]。
微晶纤维素的研究进展
微晶纤维素的研究进展 高分子材料2班刘卓君 20080402B020 摘要：微晶纤维素是可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合物,它是天然纤维素经稀酸水解并经一系列处理后得到的极限聚合度的产物。广泛用于食品、医药及其他工业领域，本文综述了微晶纤维素的特性、理化性质、制备方法以及国内外微晶纤维素的研究进展。 关键词：微晶纤维素；结晶度；聚合度；可压性；流动性；制备；研究进展 正文：微晶纤维素(MCC)是由天然纤维素经稀无机酸水解达到极限聚合度的极细微的白色短棒状或无定形结晶粉末,无臭、无味。颗粒大小一般在20-80微米，极限聚合度(L0DP)在15～375；不具纤维性而流动性极强。不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂，在稀碱溶液中部分溶解、润涨，在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应性能。由于具有较低聚合度和较大的比表面积等特殊性质，微晶纤维素被广泛应用于医药、食品、化妆品以及轻化工行业。
微晶纤维素有两种主要形式:细粉末和胶体状。前者用于吸附剂或粘合剂,后者作为液体中的分散剂。粉末状微晶纤维素的应用范围是作为抗结块剂,它有防结块和帮助流动的作用。另外,微晶纤维素还是食品中非营养部分,用作健康食品中的食用纤维。作为功能食用纤维,微晶纤维素可起到诸多保健作用。微晶纤维素有吸油特性,所以粉末化的微晶纤维素还被用作香精和香料油的载体。另外,它常被用于某些挤出食品的助流剂。胶体状微晶纤维素的多功能性表现在:乳化和泡沫稳定性;高温下稳定性;非营养性填充物和增稠剂;液体的稳定和胶化剂;改善食品结构;悬浮剂;冷冻甜食中控制冰晶形成。 随着科技的发展，为了更大程度降低成本，有效利用资源和加强环保，人们也在不断研究采用更好的原料和更好的方法来生产微晶纤维素，并进一步探究其可能的用途。 1.微晶纤维素的理化性质 MCC 的用途广泛,用以描述的指标很多,主要有聚合度、结晶度、粒度、吸水值、润湿热、比表面积、填积密度、过滤指数和特性粘数等。
碳纤维的研究现状与发展 摘要：碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，分子结构界于石墨和金刚石之间，含碳体积分数随品种而异，一般在0.9以上。 关键词：碳纤维复合材料性能与应用 正文 一、碳纤维的性能 1.1分类 根据原丝类型分类可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基3种碳纤维，将原丝纤维加热至高温后除杂获得。目前，PAN碳纤维市场用量最大；按力学性能可分为高模量、超高模量、高强度和超高强度4种碳纤维；按用途可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，其中小丝束初期以1K、3K、6K（1K为1000根长丝）为主，逐渐发展为12K和24K，大丝束为48K以上，包括60K、120K、360K和480K等。 1.2性能碳纤维的主要性能：(1)密度小、质量轻，密度为1.5～2克/立方厘米，相当于钢密度的l/4、铝合金密度的1/2；(2)强度、弹性模量高，其强度比钢大4-5倍，弹性回复l00%； (3)具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；(4)导电性好，25。C时高模量纤维为775μΩ/cm，高强度纤维为1500μΩ/cm；(5)耐高温和低温性好，在3000。C非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；(6)耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀。此外，还有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。 通常，碳纤维不单独使用，而与塑料、橡胶、金属、水泥、陶瓷等制成高性能的复合材料，该复合材料也具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等优良性质，已在现代工业领域得到了广泛应用。 1.3应用领域 由于碳纤维具有高强、高模、耐高温、耐疲劳、导电、导热等特性，因此被广泛应用于土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生等领域。此外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施等领域也有着广泛的应用，主要用于放电屏蔽材料、防静电材料、分离铀的离心机材料、电池的电极，在生化防护、除臭氧、食品等领域种也有出色的表现。碳纤维复合材料片。碳纤维复合材料片是采用常温固化的热固性树脂（通常是环氧树脂）将定向排列的碳纤维束粘结起来制成的薄片。把这种薄片按照设计要求，贴在结构物被加固的部位，充分发挥碳纤维的高拉伸模量和高拉伸强度的作用，来修补加固钢筋混凝土结构物。日本、美国、英国将该材料用于加固震后受损的钢筋混凝土桥板，增强石油平台壁及耐冲击性能的许多工程上，获得了突破性进展。碳纤维复合材料片具有轻质（比重是铁的1/4～1/5），拉伸模量比钢高10倍以上，耐腐蚀性能优异，可以手糊，工艺性好等优点。因此，碳纤维复合材料片在修补加固已劣化的钢筋混凝土结构物（约束裂纹发展、防止混凝土削落）和提高结构物耐力以及对用旧标准设计建成的钢筋混凝土结构物的补强、加固应用将越来越多。 二、生产工艺
微晶纤维素的研究进展 高分子材料2班刘卓君 20080402B020 摘要：微晶纤维素是可自由流动的纤维素晶体组成的天然聚合物,它是天然纤维素经稀酸水解并经一系列处理后得到的极限聚合度的产物。广泛用于食品、医药及其他工业领域，本文综述了微晶纤维素的特性、理化性质、制备方法以及国内外微晶纤维素的研究进展。 关键词：微晶纤维素；结晶度；聚合度；可压性；流动性；制备；研究进展 正文：微晶纤维素(MCC)是由天然纤维素经稀无机酸水解达到极限聚合度的极细微的白色短棒状或无定形结晶粉末,无臭、无味。颗粒大小一般在20-80微米，极限聚合度(L0DP)在15～375；不具纤维性而流动性极强。不溶于水、稀酸、有机溶剂和油脂，在稀碱溶液中部分溶解、润涨，在羧甲基化、乙酰化、酯化过程中具有较高的反应性能。由于具有较低聚合度和较大的比表面积等特殊性质，微晶纤维素被广泛应用于医药、食品、化妆品以及轻化工行业。 微晶纤维素有两种主要形式:细粉末和胶体状。前者用于吸附剂或粘合剂,后者作为液体中的分散剂。粉末状微晶纤维素的应用范围是作为抗结块剂,它有防结块和帮助流动的作用。另外,微晶纤维素还是食品中非营养部分,用作健康食品中的食用纤维。作为功能食用纤维,微晶纤维素可起到诸多保健作用。微晶纤维素有吸油特性,所以粉末化的微晶纤维素还被用作香精和香料油的载体。另外,它常被用于某些挤出食品的助流剂。胶体状微晶纤维素的多功能性表现在:乳化和泡沫稳定性;高温下稳定性;非营养性填充物和增稠剂;液体的稳定和胶化剂;改善食品结构;悬浮剂;冷冻甜食中控制冰晶形成。 随着科技的发展，为了更大程度降低成本，有效利用资源和加强环保，人们也在不断研究采用更好的原料和更好的方法来生产微晶纤维素，并进一步探究其可能的用途。 1.微晶纤维素的理化性质 MCC 的用途广泛,用以描述的指标很多,主要有聚合度、结晶度、粒度、吸水值、润湿热、比表面积、填积密度、过滤指数和特性粘数等。 1. 1 结晶度 结晶度是指结晶区占纤维素整体的百分率。结晶度的大小对纤维素纤维的尺寸稳定性和密度等都有影响,常规测量方法X2射线衍射法和红外光谱法。通过分析后表明,MCC 都保留有纤维素I 的结晶,结晶度与晶体大小都比纤维原料的要大,结晶度Kp 一般都在0. 60 以上。 1. 2 聚合度 聚合度是指纤维素中重复的葡萄糖结构单元的数目。不同原料得到的MCC 的聚合度差别较大,如表1所示。MCC 的分散性越小, 说明MCC 的分布均一。从理论上讲,纤维素原料都可以生产不同聚合度范围的MCC 产品。 1. 3 比表面积
2019年第12期广东化工第46卷总第398期https://www.doczj.com/doc/7d9592380.html, ·83· 浅谈微生物燃料电池研究进展 李玉冰1，叶群芳1，王世栋2 (1．广州市湃森环境咨询服务有限公司，广东广州510000；2．广州海洋地质调查局，广东广州510760) Progress in Research of Electrigens in Microbial Fuel Cell Li Yubing 1,Ye Qunfang 1,Wang Shidong 2 (1.Guangzhou Passion Environmental Advisory Service Co.,Ltd.,Guangzhou 510000； 2.Guangdong Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China) Abstract:Microbial fuel cell (MFC)is hybrid of microbial technology and electrochemistry,which can effectively convert substrate or renewable biomass to electricity.Electricigens play an important role in MFC.In this article,research progresses of microbial fuel cells in recent years were summarized ，different electricigens were provided,the application prospect of microbial fuel cells was forecasted. Keywords:microbial fuel cell ；electricigens ；non-mediator 微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell ，MFC)是一种利用产电微生物将化学能转化成电能的电池装置[1]。在1911年，Potter 等将金属铂电极置于富含酵母和大肠杆菌悬浮液中发现有微弱的电流产生，首次利用微生物产电。但在此后很长的一段时期内，相关研究陷入停滞。20世纪70年代，MFC 技术概念才被明确。进入21世纪之后，一种可直接将电子传递给固体电极的微生物被发现，使得MFC 成为研究的新热点[2]。本文在调研国内外文献的基础上，介绍了MFC 工作原理和主要的产电微生物类型，旨在为MFC 构建和应用提供参考。 1MFC 工作原理 MFC 是一种较为特殊的燃料电池。以典型的双室微生物燃料电池为例，MFC 由阴极区和阳极区组成，阳极槽保持厌氧，阴极槽保持有氧，质子交换膜等作为分隔材料隔开两个区域，H +离子可以自由通过质子交换膜，氧气则截留在阴极槽。阳极的产电微生物通过代谢将底物氧化，产生电子、质子和二氧化碳。底物在氧化过程中释放的质子与电子基本以NADH 2与FADH 2形式存在，电子可分别以细胞直接接触、纳米导线传递和中介体转移3种方式传递给最终受体，并与质子在阴极和氧气发生反应生成最终的反应产物——水[3-5]。 以葡萄糖作为底物，MFC 的生化反应如下： 阳极：C 6H 12O 6+6H 2O ?? →?微生物 6CO 2+24e -+24H +阴极：6O 2+24e -+24H +??→?微生物 12H 2O 按电子传递方式划分，MFC 可分为介体微生物燃料电池和无介体微生物燃料电池。介体微生物燃料电池是在阳极室中加入外源电子中介体，如中性红、二磺酸盐(AQDS)、甲基紫、可溶性醌等。由于外源中介体物质价格较高且容易流失，部分介体还具有毒性，限制了介体微生物燃料电池的发展和应用[6]。目前，MFC 研究主要集中在无介体微生物燃料电池上。 MFC 启动后前期产生的电流很低，随着生物量的积累，电流会逐渐升高。MFC 本质上通过获取微生物代谢过程产生的电子产生电流。MFC 的输出功率基本取决于电子在和电极间的传递效率、电解液电阻和电化学反应动力学因素。由于MFC 不属于热机系统，能避开卡诺循环的热力学限制，MFC 理论上将化学能转变为电能的效率可接近100%[7]。 2产电微生物 MFC 与其他传统燃料电池最根本区别在于阳极反应以铂催 化而是由微生物催化，产电微生物是核心要素[8]。在MFC 系统中，底物经产电微生物氧化、产生的电子经外电路传输最终产生电流[9]。 产电微生物来源较为广泛，主要包括河底底泥、厌氧颗粒污泥等。近年来发现，单一菌种电流输出较低，而天然厌氧环境下混合菌种经过驯化后可以使输出电流成倍增加。利用天然厌氧环 境中的混合菌进行接种已成为最常见的接种形式。经国内外文献调研，产电微生物的种类较为分散，包括细菌、古菌和酵母菌[10]，但主要来自于细菌域，且多为兼性厌氧菌，主要分布在变形菌、酸杆菌和厚壁菌三大细菌分支[8]。 已报道的产电细菌主要包括变形菌门的α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)的Gluconobacter oxydans 、Rhizomicrobium electricum 及Paracpccus pantotrophus 等，β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的Rhodoferax ferrireducens ，γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)的Shewanella oneidensis 、Proteus vulgaris 、Citrobacter sp SX-1等，δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)的硫还原地杆菌(Geobacter sulferreducen )、Desulfovibrio desulfuricans 等等；厚壁菌门的拜氏梭菌(Clostridium beijerinckii )和丁酸梭菌(Clostridium butyricum )等；酸杆菌门的Geothrix fermentan 等等[10-16] 。仅少量产电菌能以无机物如硫、氢为能源，其余多以有机物为碳源[16]。 其中，Ringeisen 等发现S.oneidensis DSP10能在好氧条件下利用乳酸产电，这是最早发现的能在有氧条件下产电的菌种[11]，Biffinger 等还发现S.oneidensis DSP10能以果糖、抗坏血酸等有机物作为电子供体产电，且以果糖为底物时功率密度可达350W/m 2，产电最高[12]。这种产电微生物的发现拓宽MFC 底物的利用范围。此外，其他类型的产电微生物逐渐被发现，如Geopsychrobacter electrodiphilus 、Desulfoblbus propionicus 等[17-18]。 相关研究表明存在一些途径可强化MFC 的产电效果。如我国邓丽芳等[13]分离出一种肺炎克雷伯氏菌可进行胞外电子传递方式，提出了克雷伯氏菌在MFC 中的2,6-二叔丁基苯醌穿梭机制，为降低电池内阻、提高MFC 功率密度提供了一条有潜力的途径；Luo [14]发现对一种兼性厌氧产电菌Tolumonas osonensisa 菌体细胞进行了通透性处理，可显著提高其产电功率。 3MFC 的应用 有机废水处理是MFC 最具应用潜力的方向。常见的废(污)水的处理技术主要有好氧生物处理技术和厌氧生物处理技术。好氧生物处理技术需要消耗大量的能量，厌氧处理工艺虽然可以产生甲烷，但由于甲烷较难回收利用，无法实现能源的回收。MFC 兼具污水处理厂厌氧池和曝气池的特点，还可产生电能[4]，可以作为一种废水生物处理技术。MFC 可利用废水中的有机质产电，且可利用的有机物范围较广，可处理各种浓度的有机废水，甚至难降解的有机废水。 生物修复方向是MFC 另一个极具发展潜力的方向。通常情况下，生物修复过程需加入电子供体或电子受体支持微生物的呼吸促进有毒污染物的生物降解[19]。MFC 可利用微生物将电极作为电子供体或电子受体去除环境中的污染物达到修复的目的，同时还可避免二次污染[20]。 此外，MFC 在其他领域也具有较好的应用前景。如MFC 可帮助解决人体植入装置的能源供应问题，MFC 可利用体液或血液 [收稿日期]2019-05-23 [作者简介] 李玉冰(1992-)，女，江西萍乡人，硕士研究生，环境科学与工程专业，研究方向主要为矿区环境风险。