有机多孔聚合物（porous organic polymers，POPs）是一类由有机构建单元连接而形成的新型多孔材料。由于其优异的物理化学稳定性以及CO₂吸附能力，近年来有关POPs在CO₂捕集和分离的研究成为一大研究热点。大量具有优异孔性质（比表面积和孔容）的POPs通过不同有机合成反应被成功地开发出来应用于CO₂吸附分离过程。本文介绍了POPs材料的CO₂捕集与分离性能的研究现状，总结了提高POPs材料CO₂分离性能的合成策略，重点分析了可以通过功能化增强吸附剂与二氧化碳分子之间的相互作用，来提高材料的CO₂分离能力的方法。

发酵生物甲烷的菌群可以吸附Pb²⁺等重金属而在沼液和沼渣中富集；因此，在生物甲烷系统研究过程中，Pb²⁺等重金属离子的检测和处理是沼液和沼渣处理的关键问题之一。18-冠-6具有选择性络合Pb²⁺的能力，研究者们将18-冠-6的Pb²⁺识别特性与聚N-异丙基丙烯酰胺的相变行为特性相结合制备了一系列Pb²⁺识别响应型智能高分子功能材料。本文综述了基于18-冠-6和聚N-异丙基丙烯酰胺的离子识别响应型智能高分子材料在检测和去除Pb²⁺等方面的研究进展。

低劣生物质厌氧消化可以减少温室气体的排放并且生产生物甲烷作为能源。介绍了关于厌氧消化过程、底物的相关理论，还对目前主要用于厌氧产甲烷过程研究的数学模型以及碳氮磷转化的模拟研究进行了综述。其中，一级动力学模型是最为简单的数学模型，其可以通过简单的计算得到整个过程中甲烷产量随着时间的变化曲线，但是只限于较准确模拟甲烷产率的ADM1模型相对发展最为全面、应用最为广泛，且能够针对具体要研究的对象进行模型的修改。同时总结了较为常见的底物厌氧产甲烷研究模型、研究对象及结果、已有碳/氮/磷转化模拟研究及相关研究，并对开展针对厌氧产甲烷过程中碳氮磷转化的模拟研究进行了展望。

沼气发酵过程存在产气速率低和甲烷浓度低两个普遍问题。从甲烷生成的反应机理来看，如果提供充足的氢气，能够把沼气中的CO₂成分转化为CH₄，既提高了甲烷的产量，又提高了甲烷的浓度。介绍了最近国内外在这个方向上的探索性研究成果。实验表明，利用外源氢气确实可以纯化升级沼气，在一定条件下还可以达到生物甲烷的品质（即CH₄浓度高于95%）。分析了这项技术实用化需要解决的两个关键问题：强化H₂气液传质及获取廉价氢源。最后，对这个方向进行了展望，并提出了一个光电催化产氢与厌氧发酵产甲烷耦合的设想方案。

由生物气提纯获得的生物甲烷具有高热值，可作为天然气的替代品。生物气中除主要成分甲烷以外还含有大量的CO₂和少量的水、H₂S以及其他痕量杂质组分，需经过净化提纯方可获得高纯度的生物甲烷。膜分离技术用于生物气提纯具有绿色、高效、能耗低等特点，特别地，促进传递膜因其特殊的传质机制，对于生物甲烷系统提纯具有显著优势。综述了促进传递膜材料及其制备技术，讨论了生物气中水、H₂S杂质对膜过程的影响，同时尝试对膜法生物气提纯的经济性和发展前景进行了分析。

离子液体因其极低的蒸气压、独特的溶解催化性能而备受关注，在许多领域展现出良好的应用潜力。但实现离子液体的工业化，离子液体的潜在毒性及环境影响也是重要的指标。针对离子液体的毒性性质，采用启发式算法筛选了5个影响离子液体毒性的关键参数，以离子液体对大肠杆菌（E. coil）毒性数据 MIC值作为研究对象，建立了40种咪唑类离子液体的定量结构-活性相关（QSAR）预测模型，使用外部测试集对模型进行了外部验证。结果表明，该模型具有良好的可靠性，可用于咪唑类离子液体的毒性预测。

基于Gibbs自由能最小化法，利用HSC Chemistry软件对木材热解过程进行了热化学平衡计算。讨论了温度对热化学平衡产物组成和比例的影响，并把热解过程划分为4个阶段。首次根据自发反应的判据即反应的Gibbs自由能变与温度关系讨论了产物相互之间反应，由此确定热解各个阶段可能发生的反应。最后总结了文献中实验研究温度对木材热解产物影响情况，并与计算结果比较，结果表明，所预测的不同温度下木材热解产物分布特性与前人的实验结果相似。

以自润滑材料和摩擦材料为例，基于非平衡热力学原理从热量产生和传递的根本问题出发，研究摩擦系数和热导率对材料接触面温度的影响，指导聚合物基复合材料的设计。对于自润滑材料来说，将摩擦热量产生和传递过程假设成两个过程的串联，发现摩擦热产生是摩擦系统整体稳定运行的关键控制因素。对于摩擦材料来说，将摩擦热量传递过程假设成传递热量和分配热量两个过程的并联，发现需采用降低刹车片热导率的逆向思维降低接触面温度。

探索Au纳米粒子对新型材料的催化性能可以显著拓宽金催化剂的应用范围。使用TiO₂-B作为载体，担载Au纳米粒子并应用于低温CO氧化反应体系。TiO₂-B为长度5～20 mm的微米级纤维，Au纳米粒子粒径在3 nm以下，均匀地分散在TiO₂-B表面。CO 氧化测试表明，Au纳米粒子的性能受TiO₂-B焙烧温度的影响，不同焙烧温度会引起Au分散性以及Au纳米粒子与载体相互作用的改变。分散于纯TiO₂-B载体上的金的催化活性可与其分散在锐钛矿纳米粉体上的相媲美。此外，300℃下活化的Au纳米粒子表现出了最佳的CO氧化性能，在氧化性气氛中活化的催化剂的催化性能优于在惰性和还原性气氛中活化的催化剂。

金属-有机骨架材料（metal-organic frameworks，MOFs）是一类新型纳米多孔功能材料。由于其独特的结构特征，在催化方面展现出潜在的应用价值。采用分子模拟结合密度泛函理论的计算方法系统地研究了ZIF-8在负载金属Pd、Ag、Pt、Au后的催化活性。结果表明，金属与材料之间主要有3种作用方式，其中以“碳-金属-碳”（C-M-C）形式最为稳定。并且对于同一种方式，ZIF-8负载金属后的稳定性顺序为：Pd >Ag >Pt >Au。同时，利用CO作为探针分子，系统地研究了负载金属后ZIF-8的催化活性，发现这些金属原子的Lewis酸性强弱与其电子接受能力有关，其催化活性顺序为：Pd >Pt >Ag >Au。这为研究利用MOF材料负载金属用于催化提供了参考信息。

金属-有机骨架材料（metal-organic frameworks，MOFs）的纳微结构可根据特定需求进行功能化调控，有望成为良好的工业催化材料。由于溶剂环境可对其界面微环境及催化性能产生较大影响，因此研究溶剂化效应对于MOF材料的影响具有重要的意义。以Cu-BTC和MOP-15两种典型MOF材料作为研究对象，采用密度泛函理论与COSMO溶剂模型相结合的方法，考察了溶剂效应对材料几何结构与电子稳定性的影响，并研究了不同溶剂对其Lewis酸性的影响。结果表明，溶剂环境可以使材料中的电子从不饱和配位金属处转移到有机配体上，进而使材料具有更强的Lewis酸性，并且电负性较大有机配体构成的MOF材料，受溶剂效应的影响更加显著。本工作将有助于深入理解溶剂化对调控MOF材料液相催化活性的影响。

采用SrFe_0.6Cu_0.3Ti_0.1O_3-δ混合导体透氧膜组装成膜催化反应器，进行甲烷部分氧化制合成气反应，考察了反应温度、空速、催化剂粒径等条件的影响，并分析了反应气氛引起的透氧膜结构变化情况。结果表明，在膜反应器内，催化反应与透氧过程存在相互制约和相互促进的关系。在膜反应器内进行甲烷部分氧化反应后，透氧膜的两侧表面均发生蚀刻现象，结晶度显著降低，反应侧蚀刻现象较为严重，膜表面形成了疏松的多孔层，反应气氛使膜表面晶体结构发生了较大改变，Sr容易从钙钛矿结构中析出并与CO₂结合形成SrCO₃，Sr的析出导致组成不平衡，促进了钙钛矿结构分解及其他物相的产生。

通过管式炉热裂解实验装置考察了氧化物、复合氧化物、盐和负载型Na₂CO₃作为催化剂对甘蔗渣热裂解产物（二氢苯并呋喃和苯）选择性的影响。结果表明，氧化物、复合氧化物和盐催化剂对高附加值的2，3-二氢苯并呋喃有非常好的选择性，在复合氧化物上产率可达14.15%；而Na₂CO₃负载型热裂解催化剂对苯的选择性较高，其中，在Na₂CO₃/TiO₂催化剂上产率可达到22.42%。

采用二次生长法在α-Al₂O₃载体上制备超薄型ZIF-8膜，研究了多种轻分子气体以及混合气体CO₂/N₂的渗透分离性能。通过SEM和XRD表征了ZIF-8晶种层的晶种涂布状态，以及ZIF-8晶体膜的生长覆盖度和晶膜厚度。研究结果表明：采用低浓度的晶种悬浮液通过浸润式连续多次涂布法，有利于获得晶种层厚度均匀且覆盖度高的超薄均匀ZIF-8晶种层，经过二次生长后所得ZIF-8膜的覆盖度高、厚度均匀且较薄，仅约为8.8 μm；在所测试范围内的CO₂/N₂混合气体中，此ZIF-8膜对CO₂具有优先选择透过性，其对CO₂/N₂的渗透分离因子随温度的升高而降低，随渗透压力的增加而增加，在298 K、406 kPa和CO₂组分含量为50%时，该分离因子能达到6，显著超过Knudsen扩散的分离系数。

构建了氨基修饰微孔/介孔复合材料AM-5A-MCM-41的全原子模型，采用巨正则Monte Carlo（GCMC）方法研究了它的CO₂吸附分离性能，采用加权混合规则来描述氨基和CO₂分子的弱化学作用。模拟结果表明，CO₂分子优先吸附在复合材料介孔表面的氨基附近，CO₂纯气体的吸附量和吸附热有了显著提高，而N₂的吸附量和吸附热则基本不受影响。对于CO₂和N₂的混合气分离，由于复合材料对CO₂的弱化学吸附作用，显著提高了CO₂吸附量和吸附选择性，在573 K和100 kPa时CO₂/N₂的选择性达到了87.0。通过分子模拟研究可以从微观角度了解CO₂在氨基修饰的微孔/介孔复合材料中的吸附分离的细节和机理，为实验设计和合成高效CO₂吸附剂提供指导。

以厌氧发酵生物气为原料生产压缩天然气是大规模利用生物质资源的重要途径。首先，在过程模拟软件UniSim Design中基于有限元方法建立了中空纤维膜的离散数值计算模型，适合于模拟渗透切割比非常高的生物甲烷膜分离过程。以单级聚酰亚胺膜分离系统为例研究了关键操作条件——膜的进料压力对处理能力、甲烷收率及压缩天然气生产单耗的影响。目前的评估体系下，提高进料压力有利于提高处理能力和甲烷回收率，而压缩天然气生产单耗在2.70 MPa时最低，为0.46 kW·h·m^-3压缩天然气。通过分析渗透气的甲烷浓度变化趋势，开发了一级二段气体膜分离系统，兼具流程简单、设备投资低、甲烷收率高、产值高的优点。以处理1000 m³·h^-1生物气为例，甲烷收率达95.0%，压缩天然气产量500 m³·h^-1。对应地，装置总投资为3.8×10⁶ CNY，年运行费用及设备折旧为1.5×10⁶ CNY，年经济效益（毛利）超过2.50×10⁶ CNY。

利用三种不同长度的有机配体——反丁烯二酸（H₂FUM）、对苯二甲酸（H₂BDC）和联苯二甲酸（H₂BPDC），合成了一系列具有不同孔尺寸的新型铪（Hf）金属-有机骨架（MOF）材料（Hf-FUM、Hf-BDC和Hf-BPDC），并考察了CO₂、N₂和CH₄三种气体在这些材料中吸附分离行为。研究结果表明，这三种材料具有和UiO-66（Zr）相同的拓扑结构，且具有很好的热稳定性。Hf-FUM和Hf-BDC的结构在水中能够保持稳定，而Hf-BPDC在水中会发生降解。同时，具有最小孔尺寸的Hf-FUM材料对CO₂/N₂以及CO₂/CH₄体系具有最好的分离性能。这为以后设计用于CO₂分离的新型纳微结构材料提供了参考依据。

采用高温高浓度的溶剂热方法，合成了具有高结晶度的一种金属-有机骨架（metal-organic framework，MOF）材料UiO-66（Hf），并发现该材料在沸水、酸碱等苛刻条件下具有非常好的化学稳定性。为了提高其对气体的吸附分离性能，进一步采用具有不同官能团的有机配体——氨基对苯二甲酸（H₂BDC-NH₂）、硝基对苯二甲酸（H₂BDC-NO₂）、溴对苯二甲酸（H₂BDC-Br），设计合成了孔道表面具有不同化学性质的三种新型铪MOF材料，且这些材料与UiO-66（Hf）具有相同的拓扑结构。同时，气体吸附实验结果表明，极性基团的引入，尤其是氨基的引入，能极大提高材料对CO₂/N₂以及CO₂/CH₄体系的分离性能。这为以后应用于化工体系分离的新型多孔材料合成提供了理论指导。

1-氨丙基-3-甲基咪唑溴盐（[APMIm][Br]）离子液体通过化学反应捕集CO₂。采用浸渍-蒸发将[APMIm][Br]离子液体负载在硅胶表面，通过比表面孔隙吸附测定仪、热重分析仪（TGA）对吸收剂的结构与性能进行研究，负载量为10%～50%，温度为303.15～323.15 K，CO₂浓度分别为10%、30%、50%。结果表明：硅胶表面的离子液体薄膜厚度达到86 nm（负载40%）时，具有最快的吸收速率，且受CO₂浓度和温度变化的影响较小，平衡吸收量在50% CO₂体系中达到理论吸收量的80%，随着温度的升高而降低，当负载量为50%时，膜厚增加到230 nm，导致吸收速率和平衡吸收量大幅度下降。值得注意的是：负载离子液体吸收剂在循环使用3次之后，结构与性能均保持不变，表现出一定的工业运用前景。

胆碱类低共融溶剂是一种新型的离子液体。它不仅具有传统离子液体的优点，还具有价格低廉、低毒、生物可降解等优势。对胆碱类低共融溶剂在CO₂捕集与分离中所涉及的物理性质，如气体的溶解度、CO₂的吸收-解吸、密度、稳定性、黏度和表面张力等进行考察，并分析了胆碱类低共融溶剂的结构对各物性的影响。通过与传统离子液体的对比，胆碱类低共融溶剂在CO₂捕集与分离中的应用具有一定的优势，如CO₂溶解度高，黏度低。然而，胆碱类低共融溶剂在气体的选择性分离、表面张力等的研究还不足，且热稳定性方面还存在瓶颈，因此，其在CO₂捕集和分离中的应用还有待进一步探讨。

采用巨正则Monte Carlo法（GCMC），对CH₄ /CO₂混合气体体系基于金属-有机骨架材料（MOFs）的吸附分离进行了模拟研究。吸附分离材料涉及3个系列（M-MOF-74、M-MIL-53和[M（atz）（bdc）_0.5]）（M=Mg，Co，Ni，Zn，Al，Cr）不同金属配位的8种MOF材料。研究表明，Mg-MOF-74的CO₂吸附性能在高压下优于其他材料；在低压时，拥有大量氨基官能团的[Zn（atz）（bdc）_0.5]和[Co（atz）（bdc）_0.5]材料有更高效的CO₂分离性能。通过径向分布函数和CO₂吸附构型快照重叠图进一步分析发现，各个系列材料不同金属配位对CO₂吸附构型的影响造成了材料吸附分离性能有较大的不同。研究结果能够为实验上设计和开发新型高效CO₂和CH₄吸附分离MOFs材料提供启发。

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题，特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散，可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用，导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值，此时混合物的分离过程是吸附控制，而非扩散控制。

研究了柴油-水乳液体系在水合物生成条件下对沼气（CO₂/CH₄）中CO₂的捕集能力。阻聚剂Span20被加入到乳液中以分散水滴和水合物颗粒。综合考虑了温度、原料气组成、压力和乳液含水率对柴油-水乳液体系分离能力的影响。从实验结果可以看出，吸收-水合耦合分离效果明显优于单独的吸收分离，且分离平衡后，浆液中水合物分散均匀，流动性良好。乳液体系分离能力在一定范围内随着温度降低和含水率的增加而增强。综合考虑乳液分离能力和流动特性表明，温度270.15～272.15 K，体系含水率 20%～25%（vol）和初始推动力为3.2 MPa左右时为最合适的分离条件，在对应条件下经过两级模拟分离，气相中CO₂浓度能从31%（mol）降到近10%（mol），超过87%（mol）的CO₂被水合物浆液捕集。

通过500℃下焙烧H₂Ti₂O₅制备介孔TiO₂-500作为高效液相色谱的固定相填料，测试牛血清蛋白（BSA）、肌红蛋白（myoglobin）、溶菌酶（lysozyme）在不同pH环境下的停留时间分布，结果表明，在pH=4.7，三种蛋白质几乎都固定化，在pH=7.4和11条件下，三种蛋白通过色谱柱的停留时间为溶菌酶>肌红蛋白>牛血清蛋白。三种蛋白在介孔TiO₂-500表面的宏观常压吸附量的结果与色谱结果相一致，介孔TiO₂-500对于三种蛋白的固定化能力为溶菌酶>肌红蛋白>牛血清蛋白。因此，该介孔TiO₂对不同蛋白的显著的固定化性能的差异使其在蛋白质的吸附和分离、固定化酶等领域有着潜在的应用。

采取水热法成功合成MIL-53（Cr）晶体，分别应用0.1、1、3 mol·L^-1的氨气对MIL-53（Cr）进行改性，制得系列的NH₃@MIL-53（Cr）-1#，NH₃@MIL-53（Cr）-2#，NH₃@MIL-53（Cr）-3#。实验结果表明：与原始的MIL-53（Cr）晶体相比，尽管制得NH3@MIL-53（Cr）系列材料的比表面积依次减少，但其单位比表面积的CO₂吸附容量大小依次为：NH₃@MIL-53（Cr）-3#>NH₃@MIL-53（Cr）-2#>NH₃@MIL-53（Cr）-1#。表明氨气改性会使得材料表面的碱性增强，从而增强了其对酸性气体CO₂的吸附。此外，改性后的NH₃@MIL-53（Cr）对水蒸气的吸附量明显减少，表明其憎水性能得到改善。较高浓度氨气改性会导致材料的比表面积大幅下降，会引起单位质量吸附剂的吸附容量下降。用1 mol·L^-1浓度的氨气改性得到的NH3@MIL-53（Cr）-2#，不仅对CO₂的吸附容量最大，而且对CH₄的吸附容量明显下降，这将有助于进一步提高改性材料NH3@MIL-53（Cr）-2# 对CO₂/CH₄的吸附选择性。

建立了一种有效的、低能耗的从梳状弱碱性（MKF-D30X）树脂上解吸丁二酸的工艺。考察了解吸剂用量（体积）、解吸温度、分段解吸及分段循环解吸对MKF-D30X树脂解吸附丁二酸的影响。结果表明，MKF-D30X树脂对溶液中的丁二酸（25 mg·ml^-1）有很好的吸附作用，吸附量高达425 mg·（g干树脂）^-1。当解吸温度为50℃，每个阶段用10 ml、1.0 mol·L^-1 HCl解吸剂，两阶段解吸3 g吸附饱和的树脂，第1阶段解吸得到的丁二酸浓度可高达52.4 mg·ml^-1，将丁二酸浓度提高到原液浓度的209.6%；在此基础上再进行分段循环解吸，不仅可以维持第1阶段获得的高浓度丁二酸，且可同时获得第2阶段2倍收率的高浓度丁二酸，达到了高浓度、高效率解吸丁二酸的目的。另研究表明，分段循环解吸液再作为解吸剂，其中丁二酸的浓度对丁二酸解吸效果没有明显影响。

将葡萄糖氧化酶（GOx）分别固定在多壁碳纳米管（MWNT）、氨基化碳纳米管（AMWNTs）和羧基化碳纳米管（MWNTs-COOH）修饰的电极表面，电化学测量表明固定在羧基和氨基碳纳米管上的GOx式量电位基本没变，而峰电流得到了很大提高。尤其是氨基化碳纳米管上的GOx的峰电流是未功能化碳管上GOx的4倍多。进一步研究Nafion/GOx-AMWNTs/GC电极的电化学行为，发现固定在AMWNTs上的GOx可进行直接准可逆的氧化还原反应，而且固定在AMWNTs上的GOx有良好的稳定性。氨基改性碳纳米管电极载体材料有望显著提高GOx生物燃料电池性能。

采用非模板软化学法制备了一种孔径均一的介孔TiO₂材料（m-TiO₂）。XRD测试结果表明其晶型为锐钛矿，且结晶度高，通过N₂吸-脱附曲线可看出存在规整的介孔结构且具有高比表面，从FESEM和TEM可以看出制备的m-TiO₂由许多纳米粒子构成微米级大颗粒，且存在均匀分布的介孔。将此种TiO₂材料固定化葡萄糖氧化酶（GOx）后，通过红外光谱（FT-IR）分析可知m-TiO₂材料可以有效固定化GOx。将m-TiO₂作为固定化材料固定化GOx制备成Nafion/GOx/m-TiO₂/GC电极并进行相关电化学测试，测试结果表明m-TiO₂作为固定化材料固定化GOx后具有良好的催化活性，在无电子媒介体存在下能够实现反应电子与电极表面的直接电子传递，检测线性范围为0.1～1.2 mmol·L^-1葡萄糖，灵敏度为3.44μA·mmol^-1·L·cm^-2，在葡萄糖传感领域具有良好的应用前景。

为研究玉米秸秆产沼气及其发酵过程中微生物群落变化，以预处理后的玉米秸秆为原料，采用10 L厌氧反应器进行批式中温发酵产沼气。同时取样利用454焦磷酸测序法测定发酵过程中微生物群落的变化。结果表明：该系统启动迅速，在第3 d就达到产气高峰7.78 L，料容产气率为0.97 L·L^-1·d^-1，46 d原料沼气产率和甲烷产率分别为236.84 ml·（g VS）^-1和132.23 ml·（g VS）^-1。454焦磷酸测序及分析表明系统中古菌主要为甲烷微菌纲（Methanomicrobia，占总OTU的89.63%），其次为热原体纲（Thermoplasmata，8.51%）古菌。发酵系统中共有22～29个细菌门，其中优势菌群为拟杆菌门（Bacteroidetes，平均含量46.07%）、变形菌门（Proteobacteria，平均含量20.51%）和厚壁菌门（Firmicutes，平均含量13.09%）。玉米秸秆沼气系统微生物群落结构的阐明可为秸秆沼气工程调控提供科学数据。

秸秆与禽畜粪便混合发酵既可增强反应器稳定性又能提高发酵产气效率。然而关于秸秆附着菌群、发酵液菌群的时空动态变化，以及它们与产气效率、环境变量的关系仍然未被全部揭示。采用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术，对这一问题进行了研究。结果显示，秸秆猪粪混合发酵能够改善沼气发酵的效率。原核微生物群落在空间上的差异分布可能有助于提升系统的效率。在产气高效的系统中，秸秆吸附菌群如Treponema、Clostridium Ⅲ、Alkaliflexus 和 Fibrobacter是主要的纤维素降解菌，提供底物给产酸菌。丙酸是发酵液中含量最丰富的挥发性脂肪酸（VFAs），Pelotomaculum可能是该系统主要的丙酸氧化菌，它们与Methanoculleus、Methanosarcina和Methanosaeta协同作用通过二氧化碳/氢营养型和乙酸营养型产甲烷途径，将包括丙酸在内的VFAs最终转化成甲烷。参与氨基酸代谢的Aminobacterium和Cloacibacillus广泛分布于发酵液中，表明蛋白质是一种重要的发酵底物，说明VFAs尤其是丙酸和氨基酸的互营代谢可能是秸秆猪粪混合发酵系统的重要过程。这些结果表明，功能菌群的空间分化、稳定的秸秆降解菌群和发酵液菌群的弹性变化有助于维持秸秆猪粪混合发酵系统的稳定性和提高发酵效率。

窖池是中国浓香型白酒的根本，其中窖泥微生物则是决定白酒风味与品质的核心。通过454焦磷酸测序法系统研究了不同窖龄窖泥的细菌和古菌的群落组成及多样性。共获得494293个有效序列，可归为796个可操作分类单元（OTUs），分别属于21个门（phylum）。优势分类门（≥1%）分别为厚壁菌门（Firmicutes）66.8%、拟杆菌门（Bacteroidetes）16.0%、广古菌门（Euryarchaeota）9.0%、螺旋体门（Spirochaetes）2.2%、放线菌门（Actinobacteria）1.8% 和绿弯菌门（Chloroflexi）1.0%。窖泥微生物多样性在1～25年间随着窖龄的增加而呈升高趋势，但在25～50年间保持相对稳定。不同窖龄的窖泥中优势种群存在明显差异，其中乳杆菌（Lactobacillus）在1年窖泥中为绝对优势种群（62.3%），而在10年窖泥中，Lactobacillus丰度显著下降（16.1%），Petrimonas，Clostridium IV和甲烷菌等丰度则显著增加。在25～50年窖泥中，这一趋势更加明显，并且一些未培养菌丰度在这一阶段也显著增加。此外，窖泥中古菌主要为氢型产甲烷菌（Methanobrevibacter、Methanoculleus、Methanobacterium），可同时利用氢气和乙酸的甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）在25～50年窖龄的窖泥中也有较高的丰度（3.1%～4.5%）。本研究从微生物群落构成角度为“老窖产好酒”的实践经验提供了理论依据。

将脱硫菌的筛选与新一代高通量测序技术相结合，探索脱硫菌筛选的新方法，为生物甲烷的高值化利用提供技术支持。实验将富含硫细菌的环境土样及经过培养基富集培养后的液样分别进行16S rDNA V6区的高通量测序，并分析了物种组成和丰度、Alpha多样性和菌群结构。结果表明，高通量测序的平均数据利用率达99.177%，测序量能够充分反映样品在该区域细菌的群落组成和结构。取自环境的土壤样品物种组成丰富，含有Pseudomonadales（假单胞菌目）、Rhizobiales（根瘤菌目）、Desulfuromonadales（除硫单孢菌目）、Desulfobacterales（脱硫杆菌目）、Acidithiobacillales（酸硫杆状菌目）等脱硫菌目。经过培养基富集后，菌群多样性显著降低，主要组成菌为Pseudomonadales（假单胞菌目）和Rhizobiales（根瘤菌目）。通过高通量测序技术，能够在筛选脱硫菌之前就了解实验样品的菌群结构和组成，为有针对性地设计筛选脱硫菌实验提供了一种新的方法。

为了改善酶的刚性固定化对酶蛋白构象的负面影响，以原子转移自由基聚合法（ATRP）合成了亲水性、柔性、触角状环氧化酶固定化载体PS-acyl-P（AM-co-GMA），通过改变单体总量与引发剂量比例得到不同链长触角状环氧化酶固定化载体，并将其用于耐有机溶剂脂肪酶（YCJ01）的共价柔性固定化，重点考察了链长对固定化酶酶活的影响。结果表明，链长（增重率不超过3200%）越长，酶活越高。

采用发酵产物中的二氧化碳（CO₂）和氢气（H₂）作为循环气提气源，对丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum CGMCC 5234）发酵产物进行原位气提，实现丙酮、丁醇和乙醇混合物（ABE）的连续纤维床固定化发酵生产。连续发酵实验进行了12批次共309 h，总溶剂ABE当量浓度为133.3 g·L^-1（其中丁醇 83.5 g·L^-1，丙酮38.4 g·L^-1，乙醇11.4 g·L^-1），葡萄糖消耗率为1.29 g·（L·h） ^-1，总溶剂ABE产率为0.431 g·（L·h） ^-1，转化率为0.333 g·g^-1，其中丁醇产率为0.270 g·（L·h） ^-1，转化率为 0.209 g·g^-1，发酵液中丁醇浓度控制在8～12 g·L^-1，显著优于游离发酵的结果。气提提取之后冷凝的ABE溶液出现分层现象，其中丁醇相丁醇浓度高达603.7 g·L^-1，极大地减缓后续分离提纯的负担。结果表明，自产气循环气提与纤维床固定化耦合连续发酵生产ABE（特别是丁醇）的工艺具有可行性和竞争力。

利用酶固定化技术来对生物质发酵获取生物能源已显得日益重要。酶与表面间的相互作用强烈影响固定化酶的取向，进而影响催化效率。本文采用并行退火蒙特卡洛（PTMC）方法对三种生物能源用酶（脂肪酶、纤维素酶和氢化酶）在不同的带电表面和离子强度下的吸附取向进行了模拟研究。模拟结果发现三种酶的吸附主要由静电吸引力主导，并且很大程度上与蛋白表面带电氨基酸的分布和溶液离子的静电屏蔽有关。脂肪酶和氢化酶在带负电表面上吸附，其活性位和电子转移通道分别为朝向溶液和靠近表面，而纤维素酶则在带正电表面上取得较优的吸附取向。本文研究结果可为工业用酶以合理的取向在载体材料表面固定化提供一定的指导。

发展规模化畜禽养殖场的沼气工程对于减少环境污染、获得可再生能源意义重大，但我国沼气工程普遍盈利能力较弱。本文基于沼气发酵稳态模型，对我国与德国万头猪场的沼气工程经济性进行了分析对比。结果表明，沼气发酵工艺、发电机效率以及上网电价是影响沼气工程经济性的关键因素。目前偏低的电价[0.42元·（kW·h）^-1]是导致沼气工程亏损的根本原因。在改善沼气工程和发电技术达到德国工艺水平的基础上，将目前采用的给予建设补贴而不关注运行效果的政策，改为重视实际减排效果，将上网电价提高到1.5元·（kW·h）^-1，可使得项目投资回报期缩短为3年以内，对于加速我国沼气工程行业发展进程具有重要意义。

采集了中国8个省市的43个不同原料家庭户用沼气池的沼液，进行化学需氧量（COD）、氨氮（NH₄⁺-N）、磷酸盐（PO₄^3-）和重金属等指标分析，阐述不同原料导致沼液成分的差异，评价了不同来源沼液存在的生态风险，旨在为不同来源沼液的资源化利用提供理论依据。研究结果表明，以牛粪和秸秆为原料的沼液COD浓度较高，分别达到6800 mg·L^-1和5800 mg·L^-1；以猪粪和混合粪便为原料的沼液氨氮浓度较高，都超过1800 mg·L^-1，而牛粪原料沼液氨氮浓度明显低于其他原料，平均值仅有450 mg·L^-1，因此以牛粪为原料的沼液COD/NH₄⁺-N显著高于其他三种原料，COD/NH₄⁺-N达到15，而其他三种原料的沼液COD/ NH₄⁺-N均低于5；所有原料沼液磷酸盐浓度的平均值均低于80 mg·L^-1；沼液中汞的污染较严重，且在不同原料和不同地区的沼液中具有普遍性；潜在生态风险指数RI分析结果表明，云南、河南和湖北的沼液RI介于130～260之间，属于中等生态危害，存在一定的生态风险。

研究了铁锰复合氧化物（FMBO）吸附去除As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的性能。结果表明FMBO对As（Ⅲ）、As（Ⅴ）均具有较好的吸附能力，其饱和吸附量分别为111.10、71.40 mg·g^-1。As（Ⅲ）和As（Ⅴ）是通过与FMBO表面的Fe—OH基团进行交换并形成内层络合物的形式被FMBO吸附，且As（Ⅲ）的吸附是吸附和氧化共同作用的结果。另外，沼液中共存离子对As（Ⅲ）和As（Ⅴ）的吸附有不同的影响。Zn²⁺能够增加FMBO对As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸附量，且增加幅度随着Zn²⁺浓度的增加而增加；磷酸根对As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸附有明显的抑制作用，当磷与砷的分子摩尔比为1时，FMBO对As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的吸附量分别降低了34.70%、31.50%；但是有机物（腐殖酸、动物蛋白及尿素）对FMBO吸附As（Ⅲ）、As（Ⅴ）的影响不大。利用FMBO对实际沼液中的砷进行吸附，结果表明砷的去除率平均达到65%左右，使吸附后某些沼液中砷的浓度达到生活饮用水标准和地表水排放标准。因此，将FMBO用于砷污染的沼液及水体的治理具有很好的应用前景。

以生物产甲烷的副产物沼渣为原料，用5种不同的方法通过化学活化法制备生物炭，实验结果表明5种生物炭对沼液中的氨氮都有吸附效果，而氢氧化钾活化制备的生物炭（KOH-CC）对氨氮的吸附效果相对较好，吸附剂对氨氮的吸附符合准二级吸附动力学，吸附等温线表现为Langmuir型，通过拟合计算最大吸附容量能达到120 mg·g^-1。对生物炭进行BET、扫描电镜及红外等表征，分析了KOH-CC生物炭吸附氨氮过程的作用机理。

高浓度厌氧发酵具有单位体积产气率高、原料处理量大、需水量小、能耗低等优点，同时存在启动难和易酸化的问题。以玉米秸秆为原料，研究秸秆高浓度发酵过程接种物、分批进料结合渗滤液回流对启动的影响。结果表明，分批进料结合渗滤液回流工艺可有效实现高浓度厌氧发酵系统的稳定启动，反应器启动运行22 d，以污泥为接种物的秸秆累积产沼气量为43.54 ml·（g TS）^-1，以湿法发酵的沼液为接种物的秸秆累积产沼气量为115.15 ml·（g TS）^-1。与以厌氧污泥为接种物的发酵系统相比，以湿式发酵沼液为接种物的高浓度厌氧发酵系统秸秆微观结构变化更明显，主要表现为半纤维的溶解；荧光原位杂交技术（FISH）结果也表明两种接种物系统的甲烷菌形态存在明显差异。

采集了中国不同地区的13个猪粪原料沼气工程系统的沼液，利用16S rRNA基因扩增子高通量测序技术研究了原核微生物群落组成及多样性。结果表明，Firmicutes是猪粪原料沼气工程系统中的主导微生物，其次为Bacteroidetes、Proteobacteria和Chloroflexi。在相似的温度条件下，铵态氮与磷酸盐的比例是影响猪粪原料沼气工程系统原核微生物群落结构及多样性的主要因素。较高的铵磷比会富集Firmicutes门的菌群，尤其是Clostridium sensu stricto属；而较低的铵磷比则有利于Bacteroidetes和Proteobacteria。不同营养类型产甲烷菌对高浓度铵态氮耐受程度不同（氢营养型产甲烷菌 >Methanosarcina >Methanosaeta），影响着产甲烷菌群落组成。产甲烷菌和互营菌的群落组成是影响沼气发酵产气效率的重要生物因素，高比例的氢型产甲烷菌和丙酸互营菌更有利于提高产甲烷效率。

利用农作物秸秆进行厌氧发酵生产沼气是解决我国农村能源紧张的重要途径，然而秸秆中难以降解的木质纤维结构导致在发酵过程中甲烷转化率较低。利用自行设计的可控性恒温发酵装置，以玉米秸秆为发酵原料，分析了在不同温度条件下氢氧化钠（NaOH）预处理对秸秆木质纤维结构以及厌氧发酵产气效率的影响。结果表明，NaOH预处理能够显著降低玉米秸秆的木质纤维素含量，与未预处理的秸秆相比，经NaOH处理后的秸秆纤维素含量降低了24.4%～33.2%，半纤维素含量降低了14.2%～52.4%，木质素含量降低了9.3%～29.3%。在6%、8%和10%浓度中，经8%NaOH处理的秸秆在55℃下的甲烷产量最高，达到188.7 ml CH₄·（g VS）^-1，较未处理的增加了84.2%，因此可作为提高秸秆厌氧发酵产气效率的预处理方法。

通过对芦蒿秸秆进行酸、碱预处理和厌氧发酵制沼气实验，比较不同的预处理方法对芦蒿秸秆产气性能的影响。结果表明，与对照组相比，碱处理能较好地改善秸秆的产气性能，其中2%NaOH处理效果最好，发酵初期VFA含量高达4882.34 mg·L^-1，比对照组提高了705.21%，单位TS固体产气量为288.42 ml·g^-1，较对照组提高了17.08%，甲烷含量最高可达61.14%。

以瑞典Alviksgården养猪场高温发酵沼气工程为分析对象，通过传热模型计算发酵罐加热负荷，通过与江苏金坛永康农牧养猪场同等规模的中温发酵沼气工程对比，讨论高温发酵的容积产气率和余热回收对沼气工程净产气率的影响。结果表明虽然瑞典Alviksgården养猪场高温发酵沼气工程的加热能耗是江苏金坛永康农牧养猪场中温发酵沼气工程的2.1倍，但由于产气速率达到2.3 m³·m^-3·d^-1，增产的沼气量远远大于增温的能耗；若进一步在瑞典Alviksgården养猪场沼气工程中增加余热回收，可将沼气净产气率从82%提高至90%。相对于提高容积产气率，采用余热回收技术对降低高温发酵沼气工程的增温能耗、提高净产气率效果更加显著。

增湿及水管理系统使得燃料电池系统结构复杂，质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）自增湿操作在实用化方面逐渐引起研究者的兴趣。提高PEMFC自增湿性能的关键在于对生成水的有效管理，保证质子交换膜的良好水合。实践证实采用自增湿膜电极组件是一个有效途径。本文建立催化层中增加保水层的水传递平衡模型预测膜中水的分布，考察自增湿操作的可行性和稳定性。数值分析表明：只有低于50 mm（如Nafion112）的薄膜能满足电池自增湿膜水合的要求。保证膜水合性能和电池操作稳定性的电池温度为60℃，操作压力为0.15 MPa，阴极气体过量系数可以增大到1.8。在上述操作条件下，电池自增湿性能与饱和增湿有可比性，与饱和增湿最佳条件有差距。因此PEMFC自增湿性能在综合考虑降低成本和费用，简化结构和操作时具有可行性，但不能替代增湿操作。

为提高生物质能源利用效率，降低废水处理成本，实验构建单室无膜空气阴极微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC），碳布作为阴阳极材料，将牛粪沼液作为接种液及底物进行产电性能测试，同时考察了MFC对该沼液的降解效果。结果表明，MFC能够利用沼液进行产电，最高输出电压330 mV，内阻10 kW，最大功率密度为10.98 mW·m^-2，沼液中的不可溶性物质是导致MFC输出电压、功率密度低的重要原因。MFC的运行对沼液中的有机物、氮、磷等物质具有一定的降解能力，24 h内去除率分别达到20.73%、67.82%、72.56%。因此，MFC作为产生电能的新方法，在联合处理沼液等有机废水节能减排方面具有广阔前景。

干式发酵过程由于需水量少而成为目前国内外沼气行业的一个重要发展趋势，但是干式发酵存在启动慢和传质不均匀的局限性。采用湿式发酵作为干式发酵的接种启动阶段，将湿式和干式联合，从而力求解决干式发酵的局限性，发展出湿干结合的两级厌氧发酵产沼气工艺，以提高干式发酵技术的效率。采用秸秆为底物进行两级厌氧发酵，考察了第一级湿式发酵时间对后续干式发酵的影响。设置3、5、10、15和25 d五个不同湿式发酵周期进行实验，结果表明，湿式发酵周期为10、15和25 d实验组的累计两级甲烷产气能力相当，分别为218.63、219.44和218.85 ml·（g VS）^-1，3 d[208.17 ml·（g VS）^-1]和5 d[185.83 ml·（g VS）^-1]实验组产气量均较低。从产气量、降解程度和实际工艺等角度综合分析得出，湿式发酵周期为10 d之后转入第二级干法发酵效果最佳。动力学拟合分析表明，RC（reaction curve）模型较GM（Modified Gompertz）和LM（Modified Logistic）模型更适用于本实验研究的厌氧发酵过程的数据模拟。

酒糟是酒精工业和酿酒工业的废弃物，通过厌氧发酵不仅可以解决酒糟废弃物污染的问题，还可以提供能源，并且经厌氧发酵后的沼液、沼渣还可以用作生物肥。开展了中温（37℃）条件下的酒糟厌氧发酵产生沼气研究，并分析了厌氧发酵前后物料组成变化及酒糟沼液作为生物液态肥的可行性。结果表明：四种酒糟的沼气产量从高到低依次为玉米燃料乙醇酒糟、酱香型白酒酒糟、浓香型白酒酒糟、木薯燃料乙醇酒糟，对应的产气量分别为607.4、578.7、434.2、122.3 ml·g^-1（以VS计）；各酒糟厌氧发酵产沼气的甲烷体积分数均在60%～70%之间；酒糟的沼气产量与其VS降解率呈正比；酒糟发酵液各元素及离子含量符合生物液态肥标准，是一种很好的生物液态肥原料。

通过钛酸盐和氧化钛溶胶两种制备途径在氧化铝（Al₂O₃）支撑体外包覆介孔氧化钛（TiO₂）层，分析了这两种途径制备的氧化钛表面结构与性质的差异及其对于BSA蛋白吸附性能的影响。以粒径分别为0.37、10.4和21.8 mm的三种氧化铝支撑体作为基材，用XRD、Raman分析了两种路径制备的氧化钛晶型均为锐钛矿相；N₂吸脱附分析其比表面积均在（100±10）m²·g^-1，两者具有相似的介孔结构。FESEM分析发现钛酸钾溶胶制备的氧化钛的形貌受到支撑体孔径的影响。对于在牛血清蛋白（BSA）吸附实验中，钛酸钾溶胶法包覆的20 mm粒径复合载体（SP20@K-TiO₂）吸附量为22.18 mg·g^-1，高于相同条件下氧化钛溶胶制备的Al₂O₃@TiO₂复合载体。SP20@K-TiO₂ 中TiO₂吸附量为150.88 mg·g^-1，相比于TiO₂粉体，复合载体中TiO₂对BSA蛋白吸附的性能得到提升。

采用水热合成法，通过改变配体中2-氨基对苯二甲酸的含量制备了不同氨基含量的NH₂-MIL-53（Al），考察了氨基含量，氨基功能化方法和氨基种类对NH₂-MIL-53（Al）的CO₂吸附性能的影响。傅里叶变换红外光谱表征（IR）发现在3500～3900 cm^-1处存在—NH₂基的伸缩振动带，氨基修饰成功。低压下，NH₂-MIL-53（Al）的CO₂吸附容量随氨基含量的增加而增大，且当氨基含量100%时，其CO₂吸附性能优于直接合成的NH₂-MIL-53（Al）。合成前修饰比合成后修饰，更有利于提高CO₂吸附容量。采用乙醇胺、1，8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯、N，N'-二亚乙基三胺进行后氨基功能化都不能提高MIL-53的CO₂吸附能力。

以丙三醇或水为共引发剂，三氟化硼乙醚（BF₃·OEt₂）为引发剂，引发四氢呋喃阳离子开环聚合，合成了一种新型聚四氢呋喃三元醇（PTHF-T）及聚四氢呋喃二元醇（PTMG/PTHF-D）。研究了丙三醇、丙三醇/水、水、反应时间等对聚合反应的影响。用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）表征PTHF结构，凝胶渗透色谱法（GPC）、黏度法测定分子量，端基滴定法测定羟值。结果表明，不同丙三醇/水比例，可定量获得不同官能度的聚四氢呋喃多元醇（PTHF）；丙三醇为共引发剂能得到产率高且分子量分布窄的PTHF；同时得出PTHF重均分子量M_w与黏均分子量M_h的关系式。该PTHF-T可用于聚氨酯快速吸附材料的制备。