【摘要】：排放到大氣中的甲烷氣體是一種強(qiáng)效的溫室氣體,如何有效利用這部分分散的能源物質(zhì)成為各國研究者的難題。利用生物膜法和微通道反應(yīng)器相結(jié)合的方式對(duì)甲烷進(jìn)行生化轉(zhuǎn)化是一種新型有效的技術(shù),但該微通道反應(yīng)器是涉及生物膜生長和氣液兩相流動(dòng)的復(fù)雜生化反應(yīng)體系,許多問題有待解決。本文通過可視化實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)微通道反應(yīng)器內(nèi)生物膜生長和氣液兩相流動(dòng)的耦合作用,氣液兩相流動(dòng)及傳輸特性對(duì)反應(yīng)器生化轉(zhuǎn)化性能的影響規(guī)律,以及提升反應(yīng)器內(nèi)生物膜持有量與強(qiáng)化底物傳輸,改善反應(yīng)器性能方面進(jìn)行了研究。首先對(duì)蛇形微通道反應(yīng)器內(nèi)氣液界面對(duì)甲烷氧化菌運(yùn)動(dòng)、分布和粘附生長的影響進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)由于氣液界面對(duì)微通道壁面的巨大剪切力,導(dǎo)致生物膜主要分布在角區(qū),主流區(qū)壁面上的生物膜持有量較少。生物膜生長過程可分為可逆粘附、快速生長、緩慢生長和成熟穩(wěn)定階段,并且由于生物膜減小了微通道的流通面積,氣彈和液柱長度隨著生物膜生長而減小。生物膜生長過程中,甲烷與氧氣的轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量相對(duì)應(yīng)的經(jīng)歷了緩慢增長,快速增長,放緩增長,緩慢下降和穩(wěn)定波動(dòng)五個(gè)階段,經(jīng)過粗糙度改性后的微通道反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量穩(wěn)定值為6.5%和195mol/(h·m3)左右。在反應(yīng)器掛膜的基礎(chǔ)上,研究了操作工況對(duì)氣液兩相流動(dòng)及傳輸特性的影響。氣相流量增大,氣彈長度增大,反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量迅速增大,但進(jìn)一步增大流量會(huì)減少反應(yīng)物的停留時(shí)間,轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量開始減小;液相流量增大,氣彈長度減小,反應(yīng)物的停留時(shí)間減少,轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量逐漸減小。溫度為30°C,p H為7.0時(shí),生物膜的活性最高,生化轉(zhuǎn)化性能最高。物質(zhì)傳輸特性和生物膜轉(zhuǎn)化能力是影響微通道反應(yīng)器性能的兩個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)了能夠強(qiáng)化傳質(zhì)過程的波浪形和折線形微通道反應(yīng)器,發(fā)現(xiàn)波浪形微通道內(nèi)的生物膜持有量較少,主要以菌落團(tuán)均勻分布在壁面上,而折線形微通道內(nèi)折角處的角區(qū)形成了大量生物膜,主流區(qū)壁面分布著大量菌落,將轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量的穩(wěn)定值提高到了12.5%和380mol/(h·m3)左右。擾流柱結(jié)構(gòu)進(jìn)一步強(qiáng)化反應(yīng)物的傳輸,并且擾流柱周圍的角區(qū)有大量生物膜,將折線形微通道的轉(zhuǎn)化率和空時(shí)轉(zhuǎn)化量提升到14.5%和465mol/(h·m3)左右。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O359
【圖文】：

電力、表面張力及黏附力等作用下，微生物細(xì)胞吸附實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物細(xì)胞固定的方法。生物膜法具有單位體產(chǎn)物易分離等優(yōu)勢，并且轉(zhuǎn)化過程中能夠?qū)崿F(xiàn)氣體反程度降低傳質(zhì)阻力，所以，生物膜法轉(zhuǎn)化甲烷技術(shù)已是，應(yīng)用生物膜法轉(zhuǎn)化甲烷并不能有效解決甲烷難溶題，因此還需要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行進(jìn)一步研究。微通道反內(nèi)部流道特征尺度在 10-1000μm 之間的微型反應(yīng)器-50000m2/m3 [31,32]。微通道的小尺寸特征和大比表面質(zhì)特性，以及表面積大、安全性能高、操作性能好、多優(yōu)點(diǎn)[33-37]。目前，已有大量關(guān)于微通道反應(yīng)器應(yīng)用生物化學(xué)過程等領(lǐng)域的研究報(bào)道[38-41]，并且微通道反此，利用微通道反應(yīng)器進(jìn)行甲烷生化轉(zhuǎn)化可以有效。綜上所述，采用生物膜法和微通道反應(yīng)器相結(jié)合的一條極具前景的新型技術(shù)路線。轉(zhuǎn)化技術(shù)（Bioconversion Technology of M

圖 1-2 微通道內(nèi)典型氣液兩相流型[82]Figure 1-2 Typical gas-liquid flow pattern in microchannel[82]是微通道內(nèi)最常見的流型，在很寬的氣液占比范圍都可以觀察柱內(nèi)存在對(duì)流循環(huán)作用，能夠加速微通道反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)，在微通道兩相流動(dòng)中被廣泛研究。對(duì)于氣泡形成機(jī)理的研究表其在慣性力、剪切力和壓降等作用下克服表面張力束縛的結(jié)果主要力的不同，氣彈形成的模式可分為擠壓模式、剪切模式和等人[86]將毛細(xì)管數(shù) Ca 作為判斷氣泡生成模式的依據(jù)，認(rèn)為毛）時(shí)呈擠壓模式，Ca>0.01 時(shí)多呈剪切模式。擠壓模式如圖 1.中幾乎占據(jù)整個(gè)微通道，上游的液體流動(dòng)受阻導(dǎo)致入口處的液壓力的作用下而斷裂。如圖 1.3b 所示，剪切模式下，氣彈斷剪切力和慣性力是驅(qū)動(dòng)氣彈斷裂的主要力。介于擠壓模式和剪過渡模式。擠壓模式下，氣彈生產(chǎn)過程的運(yùn)動(dòng)速度和壓力都存氣相進(jìn)入主通道內(nèi)，液相剪切力和慣性力加速氣彈的移動(dòng)，氣彈受力達(dá)到平衡后，氣泡以較大的速度移動(dòng)；在坍塌階段，氣使得其速度下降至初始水平。氣彈形成的過程也伴隨著巨大的

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 堯超群;樂軍;趙玉潮;陳光文;袁權(quán);;微通道內(nèi)氣-液彈狀流動(dòng)及傳質(zhì)特性研究進(jìn)展[J];化工學(xué)報(bào);2015年08期

2 張瑞林;任學(xué)清;;不同壓力及氧環(huán)境條件下微生物降解煤層瓦斯實(shí)驗(yàn)研究[J];煤礦安全;2014年11期

3 戚韓英;汪文斌;鄭昱;朱亮;徐向陽;;生物膜形成機(jī)理及影響因素探究[J];微生物學(xué)通報(bào);2013年04期

4 杜振峰;王芬;成國棟;林夢(mèng)煒;季民;;化學(xué)氧化-鐵離子覆蓋改性聚氨酯泡沫塑料填料的特性[J];化工進(jìn)展;2012年07期

5 楊巍;陳國俊;張銘杰;王作棟;李超;李偉;仲佳愛;;美國和中國油氣系統(tǒng)甲烷排放狀況[J];油氣田環(huán)境保護(hù);2012年02期

6 龐U_雄;;淺談微反應(yīng)器的特點(diǎn)及應(yīng)用[J];科技資訊;2010年24期

7 顏艷;徐晨彪;牛衛(wèi)東;;原子力顯微鏡觀察糞腸球菌的超微結(jié)構(gòu)及生物膜的動(dòng)態(tài)形成過程[J];華西口腔醫(yī)學(xué)雜志;2010年04期

8 程建軍;;煤礦瓦斯排放現(xiàn)狀及利用[J];煤礦開采;2007年01期

9 海景;黃尚東;程江;楊卓如;龔盛昭;;水處理用塑料生物膜載體改性研究進(jìn)展[J];合成材料老化與應(yīng)用;2006年04期

10 劉長春,崔大付,王利;聚二甲基硅氧烷微流體芯片的制作技術(shù)[J];傳感器技術(shù);2004年07期

本文編號(hào)：2726464