[发明专利]一种锰掺杂磁性炭及其制备和在暗发酵制氢中的应用

说明书

本发明涉及一种锰掺杂磁性炭及其制备方法和在暗发酵制氢中的应用。制备材料以铁盐与锰盐为原料，在碱性及加热的条件下进行反应，反应生成的物质均匀负载到炭材料表面及孔隙中，干燥得到锰掺杂磁性炭。所制备的锰掺杂磁性炭含MnFe₂O₄、Fe₂O₃、MnCO₃等物质，并具有磁性。将锰掺杂磁性炭应用到暗发酵制氢过程中，这种炭可以在液相中释放铁、锰微量元素、能促进微生物的活性；炭材料作为一种载体能富集微生物、形成稳定的生物膜，为微生物的生长繁殖提供良好的环境；此外，锰掺杂磁性炭具有独特的理化性质，可以利用其磁性与污泥进行有效分离，实现炭材料的回收利用和发酵产氢能力的提高。

技术领域

本发明专利涉复合材料合成及清洁能源生产领域，具体涉及一种锰掺杂磁性炭及其制备和在暗发酵制氢过程的应用。

背景技术

日益增长的能量需求及日益减少的化石能源供应迫使人类不得不面临一系列的能源危机。同时，固体废弃物、餐厨垃圾、禽畜粪便，农业固体废弃物和有机废水等污染物数量的增长导致生态环境遭到破坏，最终影响人类身体健康。为解决这一系列的问题，必须开发一种新型技术将能源短缺与环境污染结合起来，在降解和消耗污染物质的同时还可为人类的生产生活提供能源。暗发酵制氢工艺是一种低能耗与环境友好型技术，它可以结合能源再生及环境修复于一体，通过降解环境中有机污染物(例如餐厨垃圾、果蔬废物、禽畜粪便，农用秸秆和有机废水等)转化为可再生能源。

氢气(H₂)被认为是一种无污染、可再生的理想型化石燃料的替代能源。它含有的能量是甲烷燃烧能量的2.6倍。由于H₂燃烧只产生水，并且可以释放大量的能量，使得它被认为是一种环境友好型能源。目前制氢技术主要包括电解水、光发酵和暗发酵制氢方法。暗发酵制氢技术具有低耗能、操作简便和成本低廉等优点成文诸多学者的研究对象，但暗发酵产H₂系统中易发生有机酸积累和氨氮抑制现象，导致H₂产量和产率较低而难以工业化推广应用。优化工艺设计和关键参数的方法可以为改善发酵微环境，以提高厌氧微生物活性和H₂产量。在生物气制备过程中添加活性沸石、炭材料、聚乙烯醇和玻璃等载体可以有效促进厌氧微生物的新陈代谢。在暗发酵过程中，微生物可以通过载体富集并且固定形成生物膜，减少微生物流失，增强微生物对外界环境变化的抵抗能力。近年来，许多炭材料被作为添加剂应用在暗发酵制氢过程中。其中，活性炭是一种非常高效的非晶炭材料，能为微生物的生长繁殖提供固定居所。微生物菌群可以在活性炭表面上实现高效富集，使其对营养物质的摄取更加充分，并将有机物质高效转化为H₂。此外，活性炭导电性能显著提高微生物菌群的直接电子转移速率。在厌氧反应器中添加活性炭能促进M.barkeri和G.metallireducens的直接电子转移速率和提高底物代谢效率。污泥与活性炭比例为1:2能获得最高H₂产量和产H₂速率，即从0.86mol H₂/mol底物(葡萄糖和木糖混合物)和0.5mmol/(g·h)提高到1.77mol H₂/mol底物和2mmol/(g·h)(International Journal ofHydrogen Energy，2016，41(46)：21617-21627).