CN116553519A - 一种表面电子极化生物炭及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及厌氧消化技术领域，尤其是涉及一种表面电子极化生物炭及其制备方法和应用，包括以下步骤：将收集的新鲜鸽粪干燥后，置于马弗炉中，以4‑8℃/min的升温速度升温至500‑1000℃，并于500‑1000℃下保持2‑4h，煅烧后的材料经研磨、过筛，得到表面电子极化生物炭。本发明的表面电子极化生物炭用于强化猪粪与水稻秸秆混合厌氧消化产甲烷时，表面电子极化生物炭的表面具有贫富电子区，可为产甲烷菌提供更多的可利用电子，再者，表面电子极化生物炭不仅可以有效促进有机物的水解酸化，为产甲烷菌提供更多简单且可利用的底物，而且可以选择性富集菌群，促进微生物之间的协同代谢，进而使产甲烷菌丰度显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及厌氧消化技术领域，尤其是涉及一种表面电子极化生物炭及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，中国的农业和养猪业发展迅速，而诸如秸秆和猪粪等副产品却没有得到系统和妥善地处理。这种可再生有机废物的不当处置会对生态系统和人类健康造成损害，包括温室气体排放、土壤和水污染、作物减产和病原体传播。
厌氧消化作为将环境治理、能源回收与生态良性循环相结合的综合系统，广泛应用于废水处理、污泥处理、城市生活垃圾处理、农村农作物秸秆和畜禽粪便厌氧发酵等多个方面。其在实现低能耗、高效降解有机物的同时可产生大量的CH4、H2等生物质能，因此具有良好的环境、经济效益和发展前景。
厌氧消化被认为是从有机废物/副产品中进行能源回收的最有希望的技术之一。然而，各种环境因素(温度、pH值、C/N等)的干扰会导致厌氧微生物之间的电子传递受阻，甲烷产量减少。因此，如何提高电子转移的效率，以保持消化系统的稳定和高效运行，是厌氧消化过程中面临的主要问题。
与碳布、石墨烯、纳米材料、磁铁和不锈钢等导电材料相比，生物质热解生物炭是一种成本低、零污染、生物亲和性好的技术。添加生物炭可以提高COD去除率，减少滞后时间，增加甲烷产量，缓解厌氧消化系统中稳定性差和转化率低的问题。此外，生物炭可以增加微生物密度，并通过生物膜的形成缓解负面干扰，同时增加功能微生物之间的协同代谢和直接种间电子转移(DIET)。
在厌氧消化体系中，产电微生物通过导电材料将电子转移给电子接受体(产甲烷菌)，产甲烷菌接受的电子主要来源于电活性微生物，这大大限制了厌氧消化系统产甲烷效率。
因此，需要寻找一种效果稳定、可持续提供电子的导电材料，从而保证厌氧消化过程高效和稳定地运行，是本领域技术人员亟须解决的一项技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面电子极化生物炭及其制备方法和应用，所制备得到的表面电子极化生物炭表面具有贫富电子区，其可加速厌氧消化体系中的电子传递速率，促进有机物水解酸化和甲烷生成，进而提高甲烷产量。
第一方面，本发明提供一种表面电子极化生物炭的制备方法，包括以下步骤：
将收集的新鲜鸽粪干燥后，置于马弗炉中，以4-8℃/min的升温速度升温至500-1000℃，并于500-1000℃下保持2-4h，煅烧后的材料经研磨、过筛，得到表面电子极化生物炭。
本发明采用热解的方法制备表面电子极化生物炭，所制备得到的生物炭具有多孔结构，比表面积大且具有丰富的活性位点，为厌氧微生物提供良好的附着点，有利于微生物固定和生物膜的形成，不仅丰富了微生物种群，而且诱导了细胞生长。此外，本发明所制备得到的表面电子极化生物炭具有类石墨烯结构，由此而具备的优良的导电性，可有效地促进微生物群落中的种间电子转移。同时，表面电子极化生物炭材料表面存在大量的孤对电子，由此形成的贫富电子区，实现了高效电子转移，为产甲烷菌提供了更多的可利用电子，加速了厌氧体系的产甲烷效率。
作为本技术方案优选地，在新鲜鸽粪的干燥时，仅需将新鲜鸽粪处理至干燥状态即可，对其处理温度、时间不做严格限定，具体地，温度可设置为60-120℃，时间可设置为8-12h。
第二方面，本发明还公开了使用上述方法制备得到的表面电子极化生物炭，所得表面电子极化生物炭，电子顺磁共振波谱显示在g＝1.5-3处有尖锐且对称的信号，且表面电子极化生物炭表面形成有贫富电子区，也理应属于本发明的保护范围。
研究表明，本发明的表面电子极化生物炭的电子顺磁共振波谱显示，在g＝1.5-3处有尖锐且对称的信号，即本发明的表面电子极化生物炭表面具有贫富电子区，其可从发酵体系中的有机物中夺取电子，而所夺取的电子可从贫电子区转移至富电子区进而转移到电子受体(产甲烷菌)实现双通道电子转移，从而降低产甲烷菌代谢压力，提高电子转移速率，改善细菌共赢关系，进而加速厌氧体系的产甲烷速率。
第三方面，本发明还公开了上述表面电子极化生物炭在厌氧消化系统中，加速厌氧消化体系中电子传递效率，促进有机物水解和甲烷生成，提高甲烷产量的应用，也理应属于本发明的保护范围。
作为本技术方案优选地，本发明的厌氧消化系统，具体为以厌氧消化反应器中稳定运行的活性污泥为接种物，以猪粪和水稻秸秆为基质，以表面电子极化生物炭为导电介质，并且，厌氧消化产甲烷主要在pH为6.5-8.0，温度为30-38℃，总固体含量为7％-10％条件下进行。
作为本技术方案优选地，本发明所使用接种物的体积优选为100-250mL，并且所使用接种物的总固体含量为5％-10％，挥发性固体含量为30.5％-55.8％。
作为本技术方案优选地，在本发明所使用的基质中，猪粪和水稻秸秆的质量比为(1.5-4)：1，并且，其中，所述猪粪的总固体含量为25.8％-44.6％，挥发性固体含量为60.5％-78.9％；所述水稻秸秆的总固体含量为90.5％-98.7％，挥发性固体含量为79.4％-89.1％。
最后，本发明还在0.5-4L的玻璃瓶中对表面电子极化生物炭的用量进行了研究，研究表明，当厌氧消化的总发酵体积为0.4-3L时，所述表面电子极化生物炭的添加量为1.5-4.5g，并优选为3g。
作为本技术方案优选地，所述厌氧消化反应之前，向厌氧消化反应器中通入氮气2-5min，以为厌氧消化反应创造无氧环境。
为进一步确保产甲烷速率，本发明的厌氧消化反应器呈批次运行。
本发明的表面电子极化生物炭，至少具有以下技术效果：
1、本发明所制备的表面电子极化生物炭具有贫富电子区，贫电子区能从发酵体系中的有机物处夺取电子，所得电子又可从贫电子区转移至富电子区，进而转移到电子受体(产甲烷菌)，由此实现提高电子转移速率，改善细菌共营养关系；
2、本发明所制备的表面电子极化生物炭具有类石墨烯结构，类石墨烯优异的导电性，进一步确保了电活性微生物产生的电子可顺利被转移至电子受体(产甲烷菌)，同时，结合表面贫富电子区通道，可实现双通道电子转移，从而有利于降低产甲烷菌代谢压力，加速厌氧体系的产甲烷速率；
3、本发明的表面电子极化生物炭用于强化猪粪与水稻秸秆混合厌氧消化产甲烷时，表面电子极化生物炭的表面具有贫富电子区，可为产甲烷菌提供更多的可利用电子，再者，表面电子极化生物炭不仅可以有效促进有机物的水解酸化，为产甲烷菌提供更多简单且可利用的底物，而且可以选择性富集菌群，促进微生物之间的协同代谢，进而使产甲烷菌丰度显著提高；
4、本发明的表面电子极化生物炭制备方法简单，具备低成本高收益、效果稳定和环境友好的优点，能有效强化厌氧消化过程中电子传递速率，提高甲烷产量，具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的表面电子极化生物炭强化猪粪与水稻秸秆混合厌氧消化产甲烷的原理图；
图2为本发明的表面电子极化生物炭的扫描电子显微镜图(A)和透射电子显微镜图(B)；
图3为本发明的表面电子极化生物炭的共聚焦激光拉曼光谱图(A)和电子顺磁共振波谱(B)；
图4为本发明不同表面电子极化生物炭添加量对累积甲烷产量(A)和乙酸产量(B)的影响。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
表面电子极化生物炭的制备
将收集的新鲜鸽粪置于100℃烘箱处理10h至干燥，然后置于马弗炉中，以6℃/min的升温速度升温至750℃，并在该温度下维持3h，将煅烧后的材料研磨、过筛，得到表面电子极化生物炭。
实施例2
表面电子极化生物炭的制备
将收集的新鲜鸽粪置于60℃烘箱处理12h至干燥，然后置于马弗炉中，以8℃/min的升温速度升温至1000℃，并在该温度下维持2h，将煅烧后的材料研磨、过筛，得到表面电子极化生物炭。
实施例3
表面电子极化生物炭的制备
将收集的新鲜鸽粪置于120℃烘箱处理8h至干燥，然后置于马弗炉中，以4℃/min的升温速度升温至500℃，并在该温度下维持4h，将煅烧后的材料研磨、过筛，得到表面电子极化生物炭。
图2为实施例1所制得的表面电子极化生物炭的扫描电子显微镜图(A)和透射电子显微镜图(B)。由图2可以看出，采用热解法制备得到的表面电子极化生物炭具有多孔结构，表明其具有较大的比表面积和较多的活性点，在微生物固定和生物膜的形成中将发挥非常有效的作用，进而丰富微生物种群并诱导细胞生长。
图3为实施例1所制得的表面电子极化生物炭的共聚焦激光拉曼光谱(A)图和电子顺磁共振波谱图(B)。由图3A中可以看出，D带和G带的存在，表明表面电子极化生物炭中形成了类石墨烯的结构，由于类石墨烯具有优良的导电性，其可以有效地促进微生物群落中的种间电子转移。
此外，由图3B可以看出，表面电子极化生物炭的电子顺磁共振波谱图中存在一个非常尖锐和对称的信号，表明材料表面存在大量的孤对电子，可形成表面贫富电子区。贫电子区能够从有机物夺取电子，而电子又可从贫电子区转移至富电子区，进而转移到电子受体(产甲烷菌)，由此实现提高电子转移速率，提高甲烷产量的效果。
为进一步研究所得表面电子极化生物炭强化猪粪和水稻秸秆混合厌氧消化产甲烷的效果，将实施例1所制备得到的表面电子极化生物炭用于猪粪和水稻秸秆混合厌氧消化产甲烷，并对其产甲烷率进行了测试。
试验例1
在批次产甲烷实验中，采用新鲜猪粪(总固体含量为25.8-44.6％，挥发性固体含量为60.5％-78.9％)和水稻秸秆(总固体含量为90.5-98.7％，挥发性固体含量为79.4％-89.1％)作为基质，厌氧消化反应器中稳定运行的活性污泥(总固体含量为5-10％，挥发性固体含量为30.5％-55.8％)作为接种物，在容积为4L的玻璃瓶中进行污泥厌氧消化产甲烷实验。
具体地，加入活性污泥的体积为200mL，总发酵体积为2L，使用质量比为2：1的猪粪与水稻秸秆，将总固体含量调为7％，添加3g的表面电子极化生物炭；采用3mol/L的氢氧化钠溶液将厌氧体系的pH调节至6.5-8.0，最后采用氮气吹扫玻璃瓶至无残留氧气。
批次产甲烷实验在水浴温度为30-38℃的密闭条件下进行反应，实验过程中每天监测厌氧体系中气体的产量和组分，同时每两天监测一次厌氧体系中挥发性脂肪酸含量。
对照例1
未加入表面电子极化生物炭，其他与试验例1基本相同。
对照例2
表面电子极化生物炭的添加量为1.5g，其他与试验例1基本相同。
对照例3
表面电子极化生物炭的添加量为4.5g，其他与试验例1基本相同。
由图4可知，对照例2、试验例1和对照例3相对于对照例1中厌氧消化后的累积产甲烷率分别提高了13.6％、35.4％和26.6％，表明表面电子极化生物炭的适合添加量为3g，过高会对厌氧消化产甲烷造成抑制作用。
厌氧消化第五天，对照例1、对照例2、试验例1和对照例3的乙酸含量分别为0m/L、5.7m/L、33.6m/L和17.6m/L，表明在厌氧消化中期，适量添加表面电子极化生物炭可以有效促进有机物的水解酸化，为产甲烷菌提供更多可利用底物。
此外，宏基因组测序结果表明，添加3g表面电子极化生物炭还能够有效富集产甲烷古菌，促进微生物之间协同代谢。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种表面电子极化生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将收集的新鲜鸽粪干燥后，置于马弗炉中，以4-8℃/min的升温速度升温至500-1000℃，并于500-1000℃下保持2-4h，煅烧后的材料经研磨、过筛，得到表面电子极化生物炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥时，控制温度为60-120℃，时间为8-12h。
3.一种表面电子极化生物炭，其特征在于，根据权利要求1-2任一项所述的制备方法制得，所述表面电子极化生物炭，电子顺磁共振波谱显示在g＝1.5-3处有尖锐且对称的信号，且所述表面电子极化生物炭表面形成有贫富电子区。
4.权利要求3所述表面电子极化生物炭的应用，其特征在于，所述表面电子极化生物炭在厌氧消化系统中，加速厌氧消化体系中电子传递效率，促进有机物水解和甲烷生成，提高甲烷产量。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述厌氧消化系统中，以厌氧消化反应器中稳定运行的活性污泥为接种物，以猪粪和水稻秸秆为基质，以表面电子极化生物炭为导电介质，在pH为6.5-8.0，温度为30-38℃，总固体含量为7％-10％的条件下，进行厌氧消化产甲烷。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述接种物的总固体含量为5％-10％，挥发性固体含量为30.5％-55.8％，所述接种物的体积为100-250mL。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述基质中，猪粪和水稻秸秆的质量比为(1.5-4)：1。
8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述猪粪的总固体含量为25.8％-44.6％，挥发性固体含量为60.5％-78.9％；所述水稻秸秆的总固体含量为90.5-98.7％，挥发性固体含量为79.4％-89.1％。
9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述厌氧消化的总发酵体积为0.4-3L时，所述表面电子极化生物炭的添加量为1.5-4.5g。
10.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述厌氧消化反应之前，向厌氧消化反应器中通入氮气2-5min。
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