农业废弃物光生化制氢热效应理论与应用

氢能是世界公认的最具潜力的清洁能源。生物法制氢因其不消耗常规能源、产氢原料多样、无二次污染等优势，得到了诸多学者的广泛关注。我国农业废弃物量大、面广，用则利，弃则害。把农业废弃物资源的生态安全利用与生物制氢技术有机结合，将是实现高效清洁氢能制取的有利途径。
本书著者及其研究团队在国家“十五”“十一五”“十二五”“十三五”规划期间连续主持承担了国家“863计划”、国家重点研发计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金等多项有关农业废弃物光生化转化制氢技术的研究课题，对光生化制氢过程中的热质传递规律进行了深入分析，提出了较为系统的农业废弃物光生化制氢热效应理论。过去10余年间，著者及其研究生们在光生化制氢领域开展科学研究并获得了大量的原创性成果，在国内外发表了百余篇高质量学术论文，申请了20余项国家发明专利，建成了世界最大的农业废弃物光生化制氢试验装置。其研究内容涉及农业废弃物预处理技术、农业废弃物光生化制氢过程调控及光生化制氢体系热效应理论等多个方面。本书是对农业废弃物光生化制氢热效应理论与应用等成果的系统性总结和展示。与常见的只侧重理论知识或技术展示的书籍不同，本书从理论入手，开发相应技术，创制中试示范，体现了著者及其研究团队坚实的研究基础、显著的创新能力和较强的实际应用潜力。
全书共分6章，比较全面地从理论上和技术上阐述了农业废弃物光生化制氢研究过程中常见的科学与技术问题，对农业废弃物原料预处理、制氢工艺过程调控、热效应理论提出与应用等问题进行了阐述。第1章综述了开展农业废弃物光生化制氢研究工作的必要性，尤其强调了对制氢过程中存在的热效应等工程热物理问题解决的至关重要性；第2章阐述了农业废弃物能源转化过程中的预处理技术；第3章介绍了农业废弃物光生化制氢工艺；第4章提出了光生化制氢热效应理论；第5章揭示了光生化制氢过程中的热质传递规律与产氢强化机理；第6章列举了热效应理论在光生化反应器设计中的应用。由于研究过程中，各研究内容及研究方法不能截然分开，编写时存在部分内容互相交叉的情况。张全国教授、张志萍副教授和荆艳艳副教授等对全书进行了编写和统稿、定稿。中国科学院郭烈锦院士、中国工程院陈勇院士、中国工程院蒋剑春院士等多位科学家，以及农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室的焦有宙、胡建军、贺超、李刚、蒋丹萍、王毅、路朝阳、岳建芝等都为本书的编写与整理给予了支持与帮助，团队中博士研究生王素兰、师玉忠、周汝燕、李亚猛和硕士研究生曾凡、陈蕾、郭婕、张丙学、夏晨曦等也为本书付出了辛勤的劳动，在此一并表示感谢。
本书努力将农业废弃物光生化制氢研究过程中遇到的工程热物理等科学问题进行系统的阐释，以便为生物制氢科学领域的研究工作者或学生提供理论和技术上的帮助。对于书中难免存在的一些问题和疏漏，敬请有关同行专家和其他读者给予指正，我们愿与广大读者开展进一步的探讨和合作，以期共同为推动生物制氢科学技术发展贡献力量。

张全国
2021年2月27日

张全国，河南农业大学二级教授，博导，十一届全国政协委员，民革中央委员，农业部可再生能源新材料与装备重点实验室主任。一直致力于我国从事可再生能源与农业工程领域的教学和科研工作。十一、十二届全国政协委员、十二届全国政协教科文卫体委员会委员、民革中央委员等职。兼任教育部农业工程类专业教学指导委员会副主任、农业部第九届科学技术委员会委员、中国农业工程学会副理事长、中国高等教育学会工程热物理专业委员会副理事长、中国沼气学会副理事长、河南省可再生能源学会理事长、农业部可再生能源新材料与装备重点实验室主任、《热科学与技术(高等学校工程热物理学报)》编委副主任、《International Journal of Agricultural and Biological Engineering (IJABE)》等杂志编委等职。
作为“首批国家教育部youxiu骨干教师”,近年内曾主持承担3项国家“863计划”项目、5项国家自然科学基金项目、1项国家公益性行业(农业)科研专项、2项国家博士点基金项目、1项国家跨越计划项目、1项国家农业科技成果转化基金等。1994年获得河南省青年科技奖和河南省youxiu教师奖励基金奖，1996年获得河南省跨世纪学术和技术带头人和郑州十大杰出青年，1998年获得第三届中国青年科技创业奖，2000年获得民革全国先进个人，2002年获得河南省省管专家，2011年获中国专利奖，2013年获国家科技进步二等奖，2014年获国家教学成果二等奖等多项奖励，15项成果获省部级以上科技进步奖。发表论文100余篇，授权专利19项。

本书在总结农业废弃物资源特点及其光生化制氢过程研究进展的基础上，系统介绍了农业废弃物能源转化过程中的预处理技术及光生化制氢工艺过程，阐述了光生化制氢热效应理论的内涵，并对热效应在光生化制氢过程调控和光生化反应器研制等领域的应用进行了介绍。本书从理论上和技术上解答了农业废弃物光生化制氢过程中的热量累积和传递规律，提出了光生化制氢过程中的热效应理论，具有较强的原创性、引领性和学术性。
本书可供可再生能源领域相关研究人员和工程技术人员，以及高等院校有关专业的本科生、研究生参考。

第1章绪论001
1.1光生化制氢的定义与发展历史001
1.2农业废弃物资源特点及利用模式006
1.2.1农业废弃物资源特点006
1.2.2农业废弃物资源利用模式007
1.3光生化制氢过程中的热量分布传输特性008
1.3.1光生化制氢过程的传热特性008
1.3.2光生化反应器的热量传输特性009
1.4农业废弃物光生化制氢过程的工程热物理问题010
1.4.1工程热物理问题研究的必要性010
1.4.2光生化制氢过程热效应理论的提出011
参考文献011

第2章农业废弃物能源转化预处理016
2.1农业废弃物理化性质016
2.1.1秸秆类农业废弃物物理特性016
2.1.2秸秆类农业废弃物化学特性018
2.2农业废弃物微观结构与生化转化途径020
2.2.1粒径020
2.2.2比表面积020
2.2.3松装密度变化021
2.2.4SEM微观形貌022
2.2.5官能团023
2.2.6结晶度025
2.2.7聚合度027
2.2.8抽提物028
2.3农业废弃物超微化粉碎预处理技术029
2.3.1农业废弃物超微预处理工艺单因素评价030
2.3.2农业废弃物超微预处理工艺过程优化033
2.4农业废弃物同步及异步酶解预处理技术034
2.4.1不同球磨时间高粱秸秆的酶解反应速率变化034
2.4.2不同球磨时间高粱秸秆粉体的酶解动力学参数037
2.4.3酶解糖化过程中的单因素分析039
2.4.4酶解糖化过程的响应面工艺优化043
2.4.5纤维素酶回收利用技术研究048
参考文献052

第3章农业废弃物光生化制氢工艺过程053
3.1产氢基质对光生化制氢过程的影响053
3.1.1秸秆类农业废弃物光生化制氢过程的影响因素053
3.1.2能源草光生化制氢过程的变化与比较060
3.1.3瓜果类农业废弃物光生化制氢过程的影响因素064
3.1.4落叶类废弃物光生化制氢过程的影响因素072
3.2光源特性对光生化制氢过程的影响080
3.2.1光合产氢混合菌群生长光谱耦合特性081
3.2.2光合产氢混合菌群代谢产氢光谱耦合特性082
3.3金属离子添加物对光生化制氢过程的影响093
3.3.1铁离子添加物对光生化制氢过程的影响094
3.3.2镍离子添加物对光生化制氢过程的影响096
3.3.3锌离子添加物对光生化制氢过程的影响098
3.3.4光生化制氢过程金属离子添加工艺技术优化100
3.4无机盐添加物对光生化制氢过程的影响100
3.4.1磷酸盐添加物对光生化制氢过程的影响100
3.4.2碳酸盐添加物对光生化制氢的影响112
3.5氨基酸类添加物对光生化制氢过程的影响124
3.5.1氨基酸类添加物对产氢量的影响125
3.5.2氨基酸类添加物对产氢速率的影响127
3.5.3氨基酸类添加物对光生化制氢液相末端产物的影响129
3.5.4氨基酸类添加物对光生化制氢能量转化效率的影响131
参考文献132

第4章光生化制氢过程热效应的特性与影响因素139
4.1光生化制氢过程的热量传输特性分析139
4.2光生化制氢过程热效应理论140
4.2.1光生化制氢过程热效应研究现状140
4.2.2光生化制氢过程产氢微生物的生长动力学特性141
4.2.3光生化制氢过程产氢微生物的热动力学特性142
4.3光生化制氢系统热效应的影响因素148
4.3.1初始温度对光生化制氢系统热效应的影响148
4.3.2光照强度对光生化制氢系统热效应的影响150
4.3.3接种量对光生化制氢系统热效应的影响151
4.3.4碳源对光生化制氢系统热效应的影响153
4.3.5底物浓度对光生化制氢系统热效应的影响154
4.3.6底物接入时间对光生化制氢系统热效应的影响156
4.3.7NH+4浓度对光生化制氢系统热效应的影响157
4.4热效应理论与光生化制氢过程的耦合特性159
4.4.1光生化制氢热效应对光合细菌产氢能力的影响159
4.4.2光生化制氢热效应对光合细菌酶活性的影响175
4.4.3光生化制氢热效应对光合细菌生长代谢能力的影响180
参考文献185

第5章基于热效应的光生化制氢过程调控原理188
5.1光生化制氢过程的热质传递特性188
5.1.1光生化制氢过程的传热特性188
5.1.2光生化制氢过程的传质特性190
5.2基于热效应的光生化制氢体系多相流动特性193
5.2.1农业废弃物光生化制氢多相流体系固相沉降性能196
5.2.2农业废弃物光生化制氢体系多相流动特性198
5.2.3农业废弃物光生化制氢体系速度分布规律201
5.2.4农业废弃物光生化制氢多相流体系产氢能力203
5.2.5农业废弃物光生化制氢体系速度场数值模拟209
5.2.6农业废弃物光生化制氢多相流体系浓度场数值模拟220
5.3基于热效应的光生化制氢系统温度场分布规律及其调控223
5.3.1光生化制氢系统温度场分布规律224
5.3.2光生化制氢系统温度场分布调控技术226
5.3.3光生化制氢系统温度场特性236
5.3.4光生化制氢系统温度场数值模拟238
参考文献249

第6章热效应理论在光生化反应器设计中的应用251
6.1基于热效应理论的环流罐式光生化制氢反应器设计251
6.1.1环流罐式反应器内部热能传输过程研究251
6.1.2环流罐式反应器光生化制氢过程中的产热速率254
6.2基于热效应理论的连续式光生化制氢反应器设计260
6.2.1连续式光生化反应器启动阶段温度变化规律263
6.2.2连续式光生化反应器产氢过程温度变化规律281
6.3基于热效应理论的折流板式光生化制氢反应器设计290
6.3.1折流板式光生化反应器内的温度场模拟290
6.3.2折流板式光生化反应器内的光热传递特性295
6.3.3折流板式光生化制氢过程中的分析298
参考文献314