一、新能源的意义及发展状况

能源是现代经济的重要支撑，是人类社会生存和发展的重要基础，对经济、社会发展起着不可或缺的重要推动作用。进入工业化以来，以煤、石油、天然气等化石类为主要燃料的能源更成为人类社会赖以生存的物质基础，随着中国经济的快速发展和人口的迅速增长，对能源的需求量越来越大，能源消耗大幅增加、传统能源资源日益减少，已经不能满足国民经济发展的需要。此外，能源消耗所导致的生态环境恶化日益显现，随着国际社会越来越关注二氧化碳排放问题，中国未来能源使用问题也受到了来自外部压力的冲击。在这种情况下，中国迫切需要新能源来满足国内日益增长的能源消费需求，减少温室气体排放，建设环境友好型国家。目前，传统石化能源的日益短缺与社会经济发展对能源的旺盛需求之间的矛盾更显尖锐，如果不改变目前的能源消费结构、加快推进能源供给的多元化，那么社会经济可持续健康发展将严重受限于传统化石能源的不可再生性，同时中国的能源短缺和能源依赖势必无法得到改善。如果不重视和有效发展新能源，中国的能源安全问题也无法从根本上得到解决，正如成思危所言”世界前三次产业革命分别由蒸汽机、电力和电脑引领，第四次产业革命将是新能源引领的能源革命。”前三次革命中国没有抓住机遇，第四次我们绝不能错过。然而，就目前中国新能源发展来看，虽取得一定成果，但依靠新能源的可持续发展道路的探索仍曲折艰难，新能源发展任重道远。中国必须抓住新能源与中国复兴和崛起的契机，大力发展新能源，做足新能源这篇文章、下好新能源这盘棋，将新能源发展上升到国家战略，解决好新能源问题，排除中国的能源安全问题，让中国的经济在新能源经济带动下继续快速发展。新能源包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能、潮汐能、核能、页岩气、氢能等。中国的新能源资源比较丰富，在这种现实的大背景下，大力发展新能源对国家能源安全、环境改善等具有非常重要的战略意义。

中国是世界农业起源中心之一，20世纪50年代之前，中国的农业基本上属于自给自足的传统农业，进入50年代，逐渐开始向传统现代化农业过渡，并经历了比发达国家发展速度更快的历程。到80年代，中国的农业发展水平与西方发达国家相比，虽然仍有很大差距，但同样在资源、环境、生产成本等方面造成了严重的负效应。农业生产过程中的资源浪费，环境污染、生产成本增加等问题越来越严峻。当前，据国家环保部门判定，就固体废弃物数量及污水的COD两大指标而言，农业面源污染己超过工业和生活废弃物，成为最大的污染来源，而畜禽粪污则是最主要的农业源污染物。

目前，以处理畜禽粪污等有机农业废弃物为主的沼气发酵生态农业模式为我国农业生产中出现的种种问题找到了有力的结合点，得到了比较广泛的推广。以沼气发酵为纽带的生态系统能够将生产者、消费者和分解者有机结合起来，能够将污染环境的废弃物转化为能量和优质肥料，消除农业生产环节废弃物对环境的污染，变废为宝，达到经济、生态和社会效益的统一，从而促进农业的可持续发展。但由于厌氧发酵过程中存在产气速率不稳定，产气速率低等原因，现阶段其能量效率并不高，主要靠政府补贴来运行，沼气的商业应用受到很大限制。瑞典、瑞士等一些发达国家已经宣称要用沼气代替车用燃料和民用燃气，这将是能源产业的一大革新。近几年我国的沼气产业快速发展，在”十一五”期间国家投资250亿人民币用于沼气工程，但据国家发改委的报告，大中型沼气工程目前仍以处理废物为主，能源效率低。因此，本课题关注于解决沼气发酵中菌体微环境的构筑来提高沼气的发酵产期速率。

二、厌氧发酵物质流程

厌氧发酵主要涉及四个阶段：水解阶段，酸化阶段，产氢产酸阶段和产甲烷阶段。中间涉及四种细菌，水解细菌，产酸细菌，产轻产酸细菌和产甲烷细菌，产甲烷细菌又分为耗氢产甲烷菌和耗乙酸产甲烷菌。在厌氧发酵过程中，蛋白质、淀粉、脂质等大分子物质在水解细菌的作用下分解为氢气、二氧化碳、乙酸和短链脂肪酸，在酸化细菌作用下，短链脂肪酸进一步分解为丙酸等易挥发性酸，最后经过产氢产酸菌的分解作用彻底分解为氢气、二氧化碳及乙酸，这些基质在产甲烷菌的作用下最终分解成甲烷气。但在发酵过程中由于温度、pH，及原料的碳氮比的影响，会给发酵过程带来很多不稳定因素。在我国发酵用的主要是猪粪和秸秆的混合发酵，猪粪是一种碳氮比很低的物质，由于其中过多的蛋白质含量，代谢会产生高浓度的铵离子，使体系pH升高，产生氨气，对产甲烷菌尤其是耗乙酸产甲烷菌产生强的抑制作用，造成挥发性酸的累积，使体系处于一种产气率在较低水平的稳定状态。而产氢产酸菌但对于挥发性酸的分解，其产物氢气会对反应有抑制作用，低的氢浓度在热力学上也是有利于挥发性酸的分解，因此产氢产酸菌与产甲烷菌属于共生关系。如果加入特种材料既能对氨离子浓度有很好的控制，又可以为细菌吸附提供载体满足这两种菌的共生关系，就可以提高产气速率。已有多篇文献报道通过增加反应器中菌体负载的面积，可以大大增加反应器中菌体的截留率，从而加快发酵的起始速率和产气量，是现阶段关于厌氧发酵的一个研究热点。本实验期望通过加入便宜易得的新材料来增加发酵罐的操作性能。

三、改性聚丙烯腈

PAN纤维便宜易得，其产业在我国发展迅速，产能巨大。但是总体说来，我国PAN纤维产业还存在很多不足之处，最重要一点是我国PAN产品差异化低，目前我国PAN纤维产品都是常规品种，而高性能、多功能的产品少，导致我国PAN纤维的差别化率低。PAN纤维结构稳定，难以通过裂解、热熔融对其改性，研究发现聚丙烯腈分子链上的氰基活性较高，其在一定条件下可与其它试剂发生反应。通过这一特性可实现PAN纤维的改性来提高纤维的性能和制备其它产品。纤维结构中氰基与酯基在一定浓度碱溶液作用下，水解生成-COOH、-COONa等亲水基团，也使纤维对水分子产生很强的亲和力为了克服腈纶大分子不含亲水性基团，吸水性差、穿着易起静电等缺点。现在处理废弃的PAN时最常用的是碱法水解，实验中碱性催化剂主要有NaOH、KOH、水玻璃、Na3PO4、K3PO4、Na2S等，其中NaOH最为常用。在一定浓度的NaOH水溶液中，腈纶废料可以在95℃～100℃下进行常压水解数小时，形成亲水的水解聚丙烯腈或丙烯腈类多元嵌段共聚物。碱性水解中影响水解的因素有碱的加入量、水量、反应时间、反应温度，通过调节这些因素可以得到不同水解反应程度的水解产物。碱法水解具有多种优点，如反应条件温和，对设备要求低，容易实现工业化生产等，成为聚丙烯腈废料水解最常用的方法。经过改性后的聚丙烯腈含有羧基和氨基基团可以在一定程度上稳定体系pH，增加体系稳定性，从而增加产气速率。

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