臺灣博碩士論文加值系統

由於工業革命帶動經濟的快速成長，同時伴隨著能源快速消耗，全球有80％的能源使用是來自化石燃料，造成空氣中的二氧化碳濃度不停攀升，衍生出全球溫室效應及氣候變遷等問題。因此尋求一種替代能源可以同時解決能源需求與減少二氧化碳排放等研究與應用，成為一個重大的議題。而在各種替代能源中，氫氣被視為最潔淨之能源，主要是因為氫氣具備永續供應及高熱能等特性，對環境不會造成傷害。其製造可經由生質物轉換取得，並利用微生物暗醱酵代謝機制將有機物質分解為二氧化碳，同時獲得較高純度的氫氣。
本研究利用有機廢棄物（都市固體廢棄物、都市污泥與廚餘）進行微生物電解電池基質最佳產氫效能之研究探討。
本研究厭氧污泥經熱處理或酸處理可達到分離產氫優勢菌群，抑制甲烷菌群，以達到氫氣成分比例的提升。將熱處理（100℃，1小時）之污泥以有機合成垃圾基質馴養至每日產氣量穩定後再配置類似人類生活的合成垃圾加以馴養後，再以文獻指出之最佳產氣電壓0.6V（Liang et al.,2011）進行微生物電解電池之不同極板配置去實驗測試產氫效率，並觀察每日產氣量、厭氧基本監測參數（pH、ORP、EC、SAL）、厭氧參數分析（COD、TS/VS、鹼度揮發酸）。
單槽式微生物電解電池工作體積為4公升，進料量依照固體物停留時間 （Solid retention time, SRT） 20天為200 mL d-1合成垃圾基質，出料之消化產物進行各項參數分析；結果顯示，在MEA以及PEM等不同電極配製下，其產氣量分別為36500mL及28000mL，而整體氫氣濃度也因為添加電壓後有顯著的提升，其MEA在未加電壓前最高氫氣含量為27.408%，在添加電壓後最高氫氣含量為52.7805%；PEM在未加電壓前最高氫氣含量為27.3564%，在添加電壓後最高氫氣含量為37.4553%。

Since the industrial revolution promotes rapid growth of the economy, along with fast energy consumption, and 80 % of the world's energy comes from fossil fuels, causing the concentration of carbon dioxide in the air increases constantly and generating problems of global warming, climate change and etc. Therefore, to seek alternative energy that can solve the problem of energy demand and research and application of reducing carbon dioxide emissions at the same time has become a major issue. Among all kinds of alternative energy, hydrogen is regarded as the cleanest energy, mainly because the hydrogen has sustainable supply and features such as high heat, and it doesn’t damage the environment. It can be obtained from biomass conversion,using the metabolic mechanism of microbial dark fermentation to decompose organic matter into carbon dioxide, and meanwhile obtaining high purity hydrogen.
This study has research and discussion on using organic wastes (municipal solid waste, urban sludge and kitchen waste) to conduct microbial electrolysis cell substrate to get the optimal efficiency of hydrogen production.
This study analyzes that the anaerobic sludge can separate advantage bacteria group of hydrogen production by thermal treatment or acid treatment, inhibits Methanogenic bacteria group, in order to increase the proportion of hydrogen gas composition. Cultivating synthetic organic waste substrate with anaerobic sludge which has thermal treatment（100℃, 1hour）to produce gas daily, when the gas production rate is stable, reconfigure synthetic waste which is similar to human life’s waste to cultivate, and then conduct experiment of different electrode plates of microbial electrolysis cell with the best gas production voltage of 0.6V（Liang et al.,2011）which the literature states, to test the hydrogen production rate and observe daily gas production rate, anaerobic basic monitoring parameters (pH, ORP, EC, SAL) and anaerobic parameter analysis (COD, TS/VS, alkalinity volatile acid).
The working space of single chamber microbial electrolysis cell is 4 liters. For the feed rate, in accordance with the solid retention time (SRT), it takes 20 days to compound 200 mL d-1waste substrate and then analyze each parameter of the discharging digestion product. The result indicates that under the control of different electrodes of MEA, PEM and etc., its gas production rate is 36500 mL and 28000 mL respectively, and the overall hydrogen concentration increases significantly due to increasing voltage. Before increasing voltage, the highest hydrogen content of MEA is 27.408%, after increasing voltage, the highest hydrogen content is 52.7805%. Before increasing voltage, the highest hydrogen content of PEM is 27.3564%, after increasing voltage, the highest hydrogen content is 37.4553%.

總目錄
中文摘要...................................................................................................... I
Abstract ................................................................................................... III
誌謝 .......................................................................................................... V
總目錄 ....................................................................................................... VI
表目錄 ....................................................................................................... X
圖目錄 ....................................................................................................... XI
第一章 前言 ............................................................................................... 1
1.1研究緣起 ........................................................................................1
1.2研究目的 ........................................................................................1
第二章 文獻回顧 ....................................................................................... 3
2.1 再生能源之趨勢...........................................................................3
2.2 氫能源 ...........................................................................................4
2.3 產氫技術簡介 ...............................................................................5
2.3.1 化石燃料製氫法 .................................................................6
2.3.2 水電解法 （Electrolysis） ........................................... 10
2.3.3 熱化學法（I-S Process） ................................................ 11
2.3.4 再生能源法 ...................................................................... 12
2.3.5生質能產氫 ....................................................................... 13
2.4 生物產氫種類 ............................................................................ 14
2.4.1光合作用產氫 ................................................................... 17
2.4.2光醱酵產氫 ....................................................................... 18
2.4.3暗醱酵產氫 ....................................................................... 19
2.5 厭氧醱酵產氫機制 ................................................................... 20
2.5.1厭氧醱酵分解原理 ........................................................... 20
2.5.2 厭氧醱酵代謝途徑 .......................................................... 22
2.6厭氧醱酵產氫之影響因子 ........................................................ 24
2.6.1溫度 ................................................................................... 24
2.6.2 pH酸鹼值 ......................................................................... 25
2.6.3 氧化還原電位（ORP） .................................................. 26
2.6.4 營養源 .............................................................................. 27
2.6.5水力停留時間 ................................................................... 28
2.6.6毒性物質 ........................................................................... 29
2.7 厭氧污泥前處理........................................................................ 29
2.8 微生物電解電池基本原理 ....................................................... 30
2.8.1微生物電解電池種類 ....................................................... 32
2.8.2微生物電解電池機制 ....................................................... 35
2.8.3 微生物電解電池設計 ...................................................... 36
2.9 微生物電解電池影響因子 ....................................................... 38
2.9.1 微生物菌種 ...................................................................... 38
2.9.2 甲烷對產氫影響 .............................................................. 39
2.9.3 內電阻 .............................................................................. 40
2.9.4 膜電極組 .......................................................................... 41
第三章 研究材料與方法 ......................................................................... 43
3.1研究設計與流程......................................................................... 43
3.2研究材料 ..................................................................................... 45
3.2.1研究設備及軟體 ............................................................... 45
3.2.2植種污泥馴養 ................................................................... 46
3.2.3合成垃圾基質 ................................................................... 47
3.2.4電極材料 ........................................................................... 48
3.2.5質子交換膜（Proton Exchange Membrane, PEM） ...... 49
3.2.6膜電極組（Membrane Electrode Assembly, MEA） ..... 49
3.3微生物電解電池設計 ................................................................ 50
3.4分析項目 ..................................................................................... 52
3.4.1產氣量 ............................................................................... 52
3.4.2酸鹼度（ pH） ................................................................ 52
3.4.3 氧化還原電位 （ORP） ................................................ 53
3.4.4 導電度（EC）................................................................. 53
3.4.5鹼度揮發酸 ....................................................................... 53
3.4.6 化學需氧量（COD）分析 ............................................. 54
3.4.7總固體物（TS）/發揮性固體物（VS） ....................... 55
3.4.8 氣相層析儀 （GC/TCD） ............................................. 55
3.5氫氣產能計算與分析 ................................................................ 57
3.5.1 電子還原效率 .................................................................. 57
3.5.2 氫氣轉換效率 .................................................................. 58
第四章 結果與討論 ................................................................................. 59
4.1微生物電解電池參數分析結果 ................................................ 59
4.1.1產氣量 ............................................................................... 59
4.1.3導電度（EC）及鹽度（SAL） ...................................... 62
4.1.4總固體物（TS）揮發性固體物（VS） ......................... 64
4.1.5氣體成分分析 ................................................................... 65
第五章 結論與建議 ................................................................................. 68
5.1結論 ............................................................................................. 68
5.2建議 ............................................................................................. 68
第六章 參考文獻 ..................................................................................... 69

表目錄
表2-1產氫微生物 ................................................................................. 15
表2-2生物產氫之優缺點 ..................................................................... 16
表2-3微生物之營養需求 ..................................................................... 28
表2-4菌種熱處理產氫率 ..................................................................... 29
表2-5雙槽MEC與單槽MEC之菌種比例........................................ 38
表3-1合成垃圾基質與植種污泥之基本參數分析 ............................. 46
表3-2合成垃圾基質、台中及台灣垃圾元素分析表 ......................... 47
表3-3電極規格與性質 ......................................................................... 48
表3-4碳氈電極元素含量表 ................................................................. 48
表3-5每周監測分析方法來源 ............................................................. 52
表3-6氣相層析儀氣體分析條件 ......................................................... 56
表3-7電子還原效率計算公式表 ......................................................... 57
表3-8氫氣轉換效率計算公式表 ......................................................... 58
表4-1微生物電解電池期程表 ............................................................. 59

圖目錄
圖2-1 INFORSE 預測未來歐盟25國對各種能源之需求量 ...............4
圖2-2 各種氫氣生產的可能途徑與方法 ................................................6
圖2-3 蒸氣重組法流程圖 ........................................................................7
圖2-4 煤炭氣化法流程圖 .......................................................................8
圖2-5 部分氧化法流程圖 .......................................................................9
圖2-6 水電解法流程圖 ......................................................................... 11
圖2-7 IS Process程序流程圖 ............................................................... 12
圖2-8 再生能源製氫方式 .................................................................... 13
圖2-9厭氧消化反應流程圖 ................................................................. 22
圖2-10葡萄糖發酵代謝途徑 ............................................................... 23
圖2-11 MFC 與MEC原理架構圖 ...................................................... 31
圖2-12 H型雙槽體 ............................................................................... 33
圖2-13單一有膜槽體 ........................................................................... 33
圖2-14平板式反應器：（a）反應器示意圖（b）反應器照片 ......... 34
圖2-15陰極頂單槽體 ........................................................................... 35
圖2-16微生物電解電池機制圖 ........................................................... 36
圖2-17微生物電解電池反應架構圖（A） 單槽管柱型MEC ........ 36
圖2-18單槽式MEC ............................................................................. 38
圖2-19 MEA結構 ................................................................................. 42
圖3-1研究設計架構圖 ......................................................................... 44
圖3-2實驗設備 ..................................................................................... 46
圖3-3碳氈極板元素分析 ..................................................................... 49
圖3-4 MEA製作示意圖 ....................................................................... 50
圖3-5 PEM極板成品 ............................................................................ 50
圖3-6 MEA極板成品 ........................................................................... 50
圖3-7微生物電解電池槽體示意圖 ..................................................... 51
圖4-2不同極板配置產氣趨勢圖 ......................................................... 60
圖4-3不同極板配置每克VS產氣趨勢圖 .......................................... 60
圖4-4不同極板配置累加產氣趨勢圖 ................................................. 61
圖4-5不同極板配置之微生物電解電池pH值趨勢圖 ...................... 62
圖4-6為微生物電解電池不同極板配置之導電度（EC）趨勢圖 .... 63
圖4-7微生物電解電池不同極板配置之鹽度（SAL）趨勢圖 ......... 63
圖4-8微生物電解電池不同極板配置總固體物（TS）趨勢圖 ........ 64
圖4-9微生物電解電池不同極板配置揮發性固體物（VS）趨勢圖 .....65
圖4-10MEA添加電壓前氣體成分百分比圖 ...................................... 66
圖4-11PEM添加電壓前氣體成分百分比圖 ....................................... 66
圖4-12MEA添加電壓後氣體成分百分比圖 ...................................... 67
圖4-13PEM添加電壓後氣體成分百分比圖 ....................................... 67

1.Cheng, S. and Logan. B. E., “High hydrogen production rate of microbial electrolysis cell （MEC） with reduced electrode spacing,” Bioresource Technology, Vol. 102, pp. 3571–3574 （2011）.
2.Das, D. and Veziroglu T. N., “Hydrogen production by biological processes: a survey of literature,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 26, pp. 13–28 （2001）.
3.Folusho, F.A., Kim, K.Y., Chae, K.J., Choi, M.J., Kim, S.Y., Chang, I.S. and Kim, I.S., “Study of hydrogen production in light assisted microbial electrolysis cell operated with dye sensitized solar cell,” International Journal of Hydrogen Energy Vol. 34, pp. 9297–9304 （2009）.
4.Kim, M., Yang, Y., Morikawa-Sakura, M.S., Wang, Q., Lee, M.V., Lee, D.Y., Feng, C., Zhou, Y. and Zhang, Z., “Hydrogen production by anaerobic co-digestion of rice straw and sewage sludge,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, pp. 3142–3149 （2012）.
5.Peter, L.M., Duffy, N.W., Wang, R.L. and Wijayantha, K.G.U., “Transport and interfacial transfer of electrons in dye-sensitized nanocrystalline solar cells,” Journal of Electroanalytical Chemistry 524–525 （2002）.
6.Liu, W., Wang, A., Sun, Dan., Ren, N., Zhang, Y., and Zhou, J., “Characterization of microbial communities during anode biofilm reformation in a two-chambered microbial electrolysis cell （MEC）,” Journal of Biotechnology （2011）.
7.Liang, D.W., Peng, S.K., Lu, S,F., Liu, Y.Y., Lan, F., and Xiang Y., “Enhancement of hydrogen production in a single chamber microbial electrolysis cell through anode arrangement optimization,” Bioresource Technology, Vol. 102, pp. 10881–10885 （2011）.
8.Nam, J.Y., and Logan, B.E., “Enhanced hydrogen generation using a saline catholyte in a two chamber microbial electrolysis cell,” International journal of hydrogen energy, Vol. 36, pp. 15105-15110 （ 2011）.
9.Das, D., and Veziroglu, T. N.,“Hydrogen production by biological processes: a survey of literature,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 26, No. 1, pp. 13-28（2001）.
10.Sinha, P., and Pandey, A.,“An evaluative report and challenges for fermentative biohydrogen production,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, No. 13, pp. 7460-7478（2011）.
11.Chong, M.L., Sabaratnam, V., Shirai, Y., and Hassan, M.A., “Biohydrogen production from biomass and industrial wastes by dark fermentation,” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 8, pp. 3277-3287（2009）.
12.Elsevier B.V., “FUELS – HYDROGEN PRODUCTION | Photoelectrolysis,” Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, pp. 369-383（2009）.
13.Panagiotopoulos, J.A., Bakker, R.R., Vrije, T.d., Urbaniec, K.,. Koukios, E.G., and Claassen, P.A.M., “Prospects of utilization of sugar beet carbohydrates for biological hydrogen production in the EU,” Journal of Cleaner Production, Vol. 18, pp. S9–S14 （ 2010）.
14.Tapan K.G., Leonard J.C., Kanai S.S., Lany P.M., Kellya, D.J., Squillantea, M.R., Enthea, G. and Smestad, G.P., “Characterization of screen-printed, dye-sensitized, nanocrystalline Ti02 solar cells,” SPIE, 3789, 149, （1999）
15.經濟部技術處，工業技術研究院，「氫能源技術發展與我國燃料電池產業契機之研究」，尤如瑾、顏貽乙、林祥輝、林建良、蔣淑卿、廖世傑、蕭清松、賴秋助、李堅雄，新竹（2005）
16.徐孝先，「焚化爐灰燼微奈米製備與特性分析及其與垃圾基質共同厭氧消化研究」，碩士論文，朝陽科技大學環境工程與管理系，台中市（2008）。
17.王創正，「廢棄有機污泥以連續批次厭氧消化產氫及甲烷之研究 」，碩士論文，長榮大學職業安全與衛生學系，台南市（2006）。
18.王之仲，「以梭狀芽孢桿菌進行廢棄活性污泥厭氧消化產氫」，碩士論文，國立臺灣大學化學工程研究所，台北（2002）。
19.左 宜、左劍惡、張 薇，「利用有機物厭氧發酵生物制氫的研究進展」，碩士論文，清華大學環境科學與工程系，北京（2004）。
20.任維傑，「探討厭氧產氫純菌Clostridium在不同pH下之反應動力機制」，碩士論文，國立成功大學環境工程學系，台南（2006）。
21.吳宜曄，「以批次試驗及兩段式串聯反應槽提升甘蔗渣厭氧產氫之可行性研究」，碩士論文，國立臺中教育大學環境教育及管理所，台中（2011）。
22.林秋裕、林明正、周家弘，「CSTR反應槽馴養不同污泥之產氫能力探討」，第二十五屆廢水處理技術研討會論文集，第362-367頁（2000）。
23.柯政志，「負壓程序醱酵產氫與菌群結構分析」，碩士論文，逢甲大學化學工程學系，台中（2009）。
24.張均傑，「燃料電池的原料來源」，生物產業機械，台北（2005）。
25.張嘉修、李國興、林屏杰、吳石乙、林秋裕，以環境生物技術生產清潔能源-氫氣，中國化學工程學會，第49卷，第6期，第85-104頁（2002）。
26.郭 坤、張京京、李浩然、杜竹瑋，「微生物電解電池制氫」，化學進展，第22卷，第4期，第790-753頁（2010）。
27.陳仕桀，「改良式厭氧程序批次活性污泥法對厭氧產氫的影響」，碩士論文，國立高雄第一科技大學環境與安全衛生工程系，高雄（2009）。
28.曾思華，「外加電流對微生物產氫效能良窳之影響」，碩士論文，國立雲林科技大學環境與安全衛生工程系，雲林（2010）。
29.黃至宇，「醱酵殘餘物厭氧醱酵產能之研究」，碩士論文，逢甲大學環境工程與科學學系，台中（2010）。
30.黃昱翔，「有機廢棄物高溫固態厭氧醱酵產氫特性之研究」，碩士論文，國立中央大學環境工程研究所，桃園（2010）。
31.黃啟裕，「纖維素產氫技術在生質能源之發展」，農業生技產業季刊，第13期，第54-60頁（2008）。
32.經濟部能源局，「能源產業技術白皮書」，經濟部，台北（2010）。
33.經濟部能源局，「能源產業技術白皮書」，經濟部，台北（2012）。
34.劉大瑋，「有機廢棄物微生物燃料電池產電最佳化之研究」，碩士論文，朝陽科技大學環境工程與管理系，台中（2012）。
35.曾煜紳，「有機廢棄物微生物燃料電池產電與電解電池產氫之研究」，碩士論文，朝陽科技大學環境工程與管理系，台中（2013）。
36.劉文宗，「有機廢水微生物電解電池產氫研究及微生物功能解析」，博士論文，哈爾濱工業大學，哈爾濱（2011）。
37.賴建甫，「底泥微生物燃料電池之建置及探討」，碩士論文，逢甲大學環境工程與科學學系，台中（2009）。
38.鄭國臣， 「CSTR和ABR處理有機廢水產氫產甲烷特徵與效能」，博士論文，哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱（2010）。
39.張運晴，「生物電解產氫系統微生物群落結構與群落動態解析」，碩士論文，哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱（2008）。
40.李旭，「有機廢水生物製氫技術基礎研究」，碩士論文，昆明理工大學環境工程，雲南（2005）。
41.劉文宗，「有機廢水微生物電解產氫研究及電極為生物功能解析」，博士論文，哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱（2011）。
42.郭亮，「污水廠剩餘污泥水解及其厭氧發酵產氫技術研究」，博士論文，湖南大學環境工程，湖南（2009）。
43.周屹，「污泥厭氧發酵產氫的影響因素分析」，碩士論文，湖南大學環境工程，湖南（2008）。
44.武琳琳，「兼性厭氧產氫菌的靜態優化培養及連續發酵產氫研究」，碩士論文，重慶大學微生物學，重慶（2009）。
45.李宇亮，「高效產氫菌的篩選及污泥減量的可行性研究」，碩士論文，湖南大學環境科學與工程，湖南（2008）。
46.張鵬，「混合厭氧微生物產氫研究」，北京化工大學學報，第32卷，第4期，北京化工大學生命科學與技術學院，北京（2005）。
47.陳小粉、柳嫻，「電解產氫新技術研究現況與進展」，環境科學與技術，第33卷，第9期 （2010）。
48.趙春海，「微生物產氫（能）優勢」，生命科學儀器，第2卷，2月刊 （2008）。
49.趙春海，「微生物產氫（能）優勢」，生命科學儀器，第2卷，2月刊 （2008）。
50.劉飛、方柏山，「微生物產氫機理的研究進展」，工業微生物，第37卷，第3期 （2007）。
51.李智，「葡萄糖和蘋果渣厭氧發酵生物製氫的研究」，碩士論文，西北大學無機化學，西安（2008）。
52.李智、王惠，「影響微生物產氫性能研究」，西北大學化學系陝西省物理無機化學重點實驗室。