[發明專利]一種鈷摻雜磁性炭及其制備和在厭氧消化中的應用

有效

• 申請號: 201910043597.0
• 申請日: 2019-01-17
• 公開（公告）號: CN109626376B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 張記市;臧立華;范傳芳
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: C01B32/354
• 分類號: C01B32/354;C02F11/00;C02F11/04
• 代理公司: 濟南竹森知識產權代理事務所(普通合伙) 37270
• 代理人: 朱家富

本發明涉及一種鈷摻雜磁性炭及其制備方法和在厭氧發酵產氫和甲烷中的應用。發明利用炭材料負載含鐵、鈷元素的磁性化合物制備鈷摻雜磁性炭，該磁性炭含CoFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;、Fesubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;和FeFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;等物質。將鈷摻雜磁性炭應用到厭氧消化產氫和甲烷過程中，可以利用它較大的比表面積及發達的孔隙結構富集厭氧微生物；同時，鈷摻雜磁性炭富含微量元素，能促進微生物活性和生長代謝，并在一個厭氧反應器內完成了產氫和甲烷過程。另外，CoFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;和FeFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;均為磁性物質，在厭氧消化過程結束后可以利用磁場從污泥中高效分離回收，實現材料的重復利用。

技術領域

本發明涉及材料及清潔能源生產領域，具體涉及一種鈷摻雜磁性炭及其制備和在厭氧消化產氫產甲烷過程中的應用。

背景技術

由于能源需求的不斷增長，化石燃料供應減少，全球正面臨能源危機。同時，人類活動產生的大量有機廢物對環境及人體健康造成不利影響。厭氧生物處理作為一種以氫氣和甲烷為副產物的技術，可在實現有機廢物資源化利用的同時，解決我國面對的環境和能源問題，并且能夠有效的推動生態良性循環和社會可持續發展。與常規以產甲烷為主的厭氧生物處理不同，厭氧消化產氫產甲烷是依次在產氫菌和產甲烷菌的作用下，將污水中的有機物降解，同時獲得氫氣與甲烷。此外，由于厭氧消化產氫產甲烷對微生物含量、生存環境及系統穩定性依賴較高，因此需要不斷對其過程及工藝進行優化。

厭氧消化是極為復雜的生物過程，在參與反應的眾多微生物中，產氫菌及產甲烷菌的種類和密度是影響厭氧消化速率和氫氣及甲烷產量的重要因素。然而，產氫菌對自身氫化酶活性要求較高，且產甲烷菌具有世代周期較長、代謝速率較為緩慢、活性較低和難以保持較高的微生物密度等不足。因此，優化產氫菌及產甲烷菌種類、提高反應器內產甲烷菌密度、實現微生物的高密度富集至關重要。

當高濃度有機廢的含鐵量較低時，厭氧消化過程會因鐵元素缺乏導致微生物體內氫化酶活性降低，從而使氫氣及產甲烷產量減少。因此，添加鐵元素能夠有效促進氫化酶活性、加快微生物的生長速度和增加細菌數量，從而實現生物氣產量的有效提高。另外，鐵還可以將優勢菌從索氏甲烷絲菌轉化為巴氏甲烷八疊球菌，其產甲烷活性比前者高3～5倍，從而優化產甲烷微生物群落結構。然而，直接添加鐵易與反應器中的陰離子、有機物或無機物反應生成沉淀，導致鐵的投加量增加、運行成本提高，而且會影響沼渣和沼液的資源化利用。另外，氫氣及甲烷的生產效率還可以通過添加微量元素來提高。這是因為幾種微量元素(鈷、鎳、鉬、硒和鎢等)是細胞自身代謝及各種酶合成過程中必不可少的元素，將它們添加到厭氧消化器中可以提高厭氧消化系統的抗沖擊負荷能力，增加微生物生長活性。

專利申請“通過控制氨氮濃度提高餐廚垃圾厭氧消化產氫的方法”(CN102367455A，申請號201110327071.9)通過向反應體系中投加氯化銨為微生物提供氮源，達到增加氫氣產量的目的。此申請可使氫氣產量大幅提高，但需要反復調控氨氮濃度來抑制產甲烷菌的活性，存在工藝繁瑣和成本高的局限性。

專利申請“一種鐵系添加劑的制備及其提高厭氧產甲烷的方法”(CN108486167A，申請號CN201810561070.2)，利用從剩余污泥中提取的胞外聚合物(EPS)作為螯合劑，使其與FeCl₂發生螯合反應生成添加劑Fe-EPS，阻止鐵形成沉淀、提高鐵被厭氧微生物利用的效率。此方法僅能向厭氧消化體系中補充鐵元素，僅適用于含鐵背景值較低的高濃度有機廢水，無法滿足微生物對其他微量元素的需求，無法提供微生物附著載體，不能提高反應器內微生物濃度，對厭氧產氫產甲烷的促進程度有限。