CN116926129A - 一种秸秆厌氧发酵材料以及发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种秸秆厌氧发酵材料以及发酵方法。该发酵材料包括纳米多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管。本发明采用多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管对秸秆进行厌氧发酵，可以显著提高秸秆的产气量。

Description

一种秸秆厌氧发酵材料以及发酵方法

技术领域

本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种秸秆厌氧发酵材料以及发酵方法。

背景技术

生物质能是自然界中有生命的植物提供的能量，这些植物以生物质作为媒介储存太阳能，属再生能源。据计算，生物质储存的能量比世界能源消费总量大2倍。人类历史上最早使用的能源是生物质能。当前较为有效地利用生物质能的方式有：(1)制取沼气:主要是利用城乡有机垃圾、秸秆、水、人畜粪便，通过厌氧消化产生可燃气体甲烷，供生活、生产之用。(2)利用生物质制取酒精。

生物质能可以有效的降低能源消耗，改善能源利用结构，节约大量的不可再生资源。秸秆作为一种生物质能，可以对其进行厌氧发酵，将其转化为燃料气体，从而增加资源、降低环境污染，真正做到变废为宝。

然而，目前秸秆类厌氧发酵产气量较低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种秸秆厌氧发酵材料以及发酵方法。

一种秸秆厌氧发酵材料，其原料包括：纳米多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管。

进一步地，如上所述的秸秆厌氧发酵材料，所述多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的配比为100-700mg/kg：0.3g。

进一步地，如上所述的秸秆厌氧发酵材料，所述多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的质量比为：1:120、1:40、1:24或1:17。

一种秸秆厌氧发酵的方法，包括：

将多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃混合而成的导电材料投入到杂交狼尾草和污泥的厌氧共发酵系统中进行发酵，pH＝6-7。

有益效果：

本发明采用多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管的混合物对秸秆进行厌氧发酵，可以显著提高秸秆的产气量。

附图说明

图1(a)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵日产气量变化趋势图；

图1(b)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵累积产气量变化趋势图；

图2(a)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵的COD变化趋势图；

图2(b)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵的辅酶F₄₂₀变化趋势图；

图2(c)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵的挥发性脂肪酸的变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中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作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。

本发明提供一种秸秆厌氧发酵的方法，包括：利用混合导电材料对秸秆进行厌氧发酵，其中，该混合导电材料为纳米多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管的混合物。

碳材料具有吸附性和导电性等特性，能够吸附细菌并帮助电子传递，进而促进发酵效率提高。此外，碳基材料的应用范围不仅限于强化发酵产氢和厌氧消化产甲烷，还能够提高厌氧发酵的效率。通过添加适宜浓度的碳材料，可以促进厌氧发酵细菌的电子转移，增强细胞间的交流从而加快厌氧发酵效率，还可以为微生物生长繁殖提供居所。微生物能够在碳材料表面上得到高效富集，使其对营养物质的摄取更加充分，便于微生物能更好地将有机物质转化为H₂或者CH₄，为此，本发明采用多壁碳纳米管作为混合导电材料的原料之一。纳米材料是粒径1-100nm的材料，与非纳米材料相比，纳米材料显示出更高的比表面积、多孔状、吸附性大等特点，为此，本发明采用纳米多孔Al₂O₃作为混合导电材料的原料之一。

实施例1：

将多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃以1:120的质量比混合，并将该混合物投入到杂交狼尾草和污泥的厌氧共发酵系统中进行发酵，pH＝6。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于，多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的质量比为1:40。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别在于，多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的质量比为1:24。

实施例4：

本实施例与实施例1的区别在于，多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的质量比为1:17，pH＝7。

实验例：

将合成的多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管以不同的量投入到杂交狼尾草和污泥的厌氧共发酵系统中，调节pH，使其保持在6-7之间，测定过程日产气量、累积产气量、辅酶F₄₂₀、COD、挥发性脂肪酸，并取发酵中期的样品，进行菌群分析。

1、实验在恒温(35±1)℃下，在厌氧发酵瓶中，加入30g杂交狼尾草作为发酵底物，再加入200g污泥和20mL水，最后添加一定浓度的多壁碳纳米管和0.3g纳米Al₂O₃材料。

其中，多壁碳纳米管的浓度分别为100mg/kg、300mg/kg、500mg/kg、700mg/kg，将该不同浓度的多壁碳纳米管对应的发酵过程分别设为GC1、GC2、GC3、GC4。

2、将多壁碳纳米管和纳米Al₂O₃作为混合发酵材料，该混合发酵材料的浓度分别如下：

100mg/kg多壁碳纳米管加0.3gAl₂O₃；

300mg/kg多壁碳纳米管加0.3gAl₂O₃；

500mg/kg多壁碳纳米管加0.3gAl₂O₃；

700mg/kg多壁碳纳米管加0.3gAl₂O₃；

将以上不同浓度的混合发酵材料对应的发酵过程分别设为GCAl1、GCAl2、GCAl3、GCAl4。

每个实验发酵周期为40天，设置一个空白对照组，设为Ck1。每组设置3个平行实验。

图1(a)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵日产气量变化趋势图,图1(b)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵累积产气量变化趋势图，从图1(a)、图1(b)可以看出，GCAl1组累积产气最高，达到16890mL。其中GC1、GC2、GC3、GCAl1、GCAl2、GCAl3六组累积产气量比空白对照组高。分别提高了25.28％、16.57％、13.25％、59.94％、28.12％、3.98％，GC4和GCAl4组相比于对照组减少了20.54％和10.52％。说明添加100mg/kg、300mg/kg、500mg/kg的多壁碳纳米管可以促进产气，随着多壁碳纳米管的加入量增多，产气效果会减弱，添加700mg/kg的多壁碳纳米管会抑制产气。但当添加Al₂O₃后，两种多孔材料强化了产气量，当两者混合后，Al₂O₃和多壁碳纳米管能够协同促进甲烷菌，从而减小了多壁碳纳米管抑制作用，并最终提高了产气量。

图2(a)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵的COD变化趋势图,图2(b)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵的辅酶F₄₂₀变化趋势图,图2(c)为混合导电材料对杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵的挥发性脂肪酸的变化趋势图，如图2(a)-(c)所示，辅酶F₄₂₀的总体变化趋势是先增加，到21d左右达到最大值，然后逐渐降低直至发酵结束，这是因为发酵前期，甲烷菌可以利用的物质少，所以辅酶F₄₂₀的含量不是很高，随着底物被分解，甲烷菌的数量在逐渐增加到21d为最多，此时甲烷菌活性最强，氧发酵达到旺盛时期。跟空白对照组Ck1对比，添加多壁碳纳米管和纳米Al₂O₃材料后，可以使甲烷菌聚集，从而提高产气量，这表明多壁碳纳米管和纳米Al₂O₃材料的混合物可以提高杂交狼尾草和污泥厌氧共发酵产气。

挥发性脂肪酸在9d到15d逐渐积累，在15d到21d挥发性脂肪酸又被消耗。到发酵后期，GC3、GC4、GCAl3、GCAl4体系中的挥发性脂肪酸逐渐积累。因为体系内pH值较低，甲烷菌不能生长，挥发性脂肪酸不能转化为甲烷气体，其余几组则将挥发性脂肪酸消耗完。

综上，本发明采用多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管的混合物对秸秆进行厌氧发酵，可以显著提高秸秆的产气量。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (4)

1.一种秸秆厌氧发酵材料，其特征在于，其原料包括：纳米多孔Al₂O₃和多壁碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的秸秆厌氧发酵材料，其特征在于，所述多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的配比为100-700mg/kg：0.3g。

3.根据权利要求1所述的秸秆厌氧发酵材料，其特征在于，所述多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃的质量比为：1:120、1:40、1:24或1:17。

4.一种利用权利要求1-3任一所述发酵材料发酵秸秆的方法，其特征在于，包括：

将多壁碳纳米管与纳米多孔Al₂O₃混合而成的导电材料投入到杂交狼尾草和污泥的厌氧共发酵系统中进行发酵，pH＝6-7。