[发明专利]一种钴掺杂磁性炭及其制备和在厌氧消化中的应用

说明书

本发明涉及一种钴掺杂磁性炭及其制备方法和在厌氧发酵产氢和甲烷中的应用。发明利用炭材料负载含铁、钴元素的磁性化合物制备钴掺杂磁性炭，该磁性炭含CoFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;、Fesubgt;2/subgt;Osubgt;3/subgt;和FeFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;等物质。将钴掺杂磁性炭应用到厌氧消化产氢和甲烷过程中，可以利用它较大的比表面积及发达的孔隙结构富集厌氧微生物；同时，钴掺杂磁性炭富含微量元素，能促进微生物活性和生长代谢，并在一个厌氧反应器内完成了产氢和甲烷过程。另外，CoFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;和FeFesubgt;2/subgt;Osubgt;4/subgt;均为磁性物质，在厌氧消化过程结束后可以利用磁场从污泥中高效分离回收，实现材料的重复利用。

技术领域

本发明涉及材料及清洁能源生产领域，具体涉及一种钴掺杂磁性炭及其制备和在厌氧消化产氢产甲烷过程中的应用。

背景技术

由于能源需求的不断增长，化石燃料供应减少，全球正面临能源危机。同时，人类活动产生的大量有机废物对环境及人体健康造成不利影响。厌氧生物处理作为一种以氢气和甲烷为副产物的技术，可在实现有机废物资源化利用的同时，解决我国面对的环境和能源问题，并且能够有效的推动生态良性循环和社会可持续发展。与常规以产甲烷为主的厌氧生物处理不同，厌氧消化产氢产甲烷是依次在产氢菌和产甲烷菌的作用下，将污水中的有机物降解，同时获得氢气与甲烷。此外，由于厌氧消化产氢产甲烷对微生物含量、生存环境及系统稳定性依赖较高，因此需要不断对其过程及工艺进行优化。

厌氧消化是极为复杂的生物过程，在参与反应的众多微生物中，产氢菌及产甲烷菌的种类和密度是影响厌氧消化速率和氢气及甲烷产量的重要因素。然而，产氢菌对自身氢化酶活性要求较高，且产甲烷菌具有世代周期较长、代谢速率较为缓慢、活性较低和难以保持较高的微生物密度等不足。因此，优化产氢菌及产甲烷菌种类、提高反应器内产甲烷菌密度、实现微生物的高密度富集至关重要。

当高浓度有机废的含铁量较低时，厌氧消化过程会因铁元素缺乏导致微生物体内氢化酶活性降低，从而使氢气及产甲烷产量减少。因此，添加铁元素能够有效促进氢化酶活性、加快微生物的生长速度和增加细菌数量，从而实现生物气产量的有效提高。另外，铁还可以将优势菌从索氏甲烷丝菌转化为巴氏甲烷八叠球菌，其产甲烷活性比前者高3～5倍，从而优化产甲烷微生物群落结构。然而，直接添加铁易与反应器中的阴离子、有机物或无机物反应生成沉淀，导致铁的投加量增加、运行成本提高，而且会影响沼渣和沼液的资源化利用。另外，氢气及甲烷的生产效率还可以通过添加微量元素来提高。这是因为几种微量元素(钴、镍、钼、硒和钨等)是细胞自身代谢及各种酶合成过程中必不可少的元素，将它们添加到厌氧消化器中可以提高厌氧消化系统的抗冲击负荷能力，增加微生物生长活性。

专利申请“通过控制氨氮浓度提高餐厨垃圾厌氧消化产氢的方法”(CN102367455A，申请号201110327071.9)通过向反应体系中投加氯化铵为微生物提供氮源，达到增加氢气产量的目的。此申请可使氢气产量大幅提高，但需要反复调控氨氮浓度来抑制产甲烷菌的活性，存在工艺繁琐和成本高的局限性。

专利申请“一种铁系添加剂的制备及其提高厌氧产甲烷的方法”(CN108486167A，申请号CN201810561070.2)，利用从剩余污泥中提取的胞外聚合物(EPS)作为螯合剂，使其与FeCl₂发生螯合反应生成添加剂Fe-EPS，阻止铁形成沉淀、提高铁被厌氧微生物利用的效率。此方法仅能向厌氧消化体系中补充铁元素，仅适用于含铁背景值较低的高浓度有机废水，无法满足微生物对其他微量元素的需求，无法提供微生物附着载体，不能提高反应器内微生物浓度，对厌氧产氢产甲烷的促进程度有限。