[发明专利]钴镍沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳促进生物甲烷制备的方法

说明书

本发明涉及生物质能利用技术，旨在提供一种钴镍沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳促进生物甲烷制备的方法。包括：以氯化钴、聚乙烯吡咯烷酮和二甲基咪唑的甲醇溶液混合后剧烈搅拌，老化得到钴沸石咪唑酯骨架；洗涤、真空干燥后研磨，得到钴沸石咪唑酯骨架粉末；分散于乙醇中再加入六水合二氯化镍，搅拌形成蛋壳结构的钴镍沸石咪唑酯骨架；真空干燥后置于管式炉，氮气条件下炭化处理；得到含钴镍纳米颗粒的多孔碳微球；氢氟酸清洗、真空干燥并研磨成粉末，得到钴镍沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳。本发明能有效提升发酵系统的生物甲烷生产性能，优化系统的电子传递性能，提高系统中电活性胞外聚合物的含量，强化电子穿梭体介导的种间电子传递。

技术领域

本发明涉及生物质能利用技术，特别涉及钴镍沸石咪唑酯骨架衍生多孔碳促进生物甲烷制备的方法。

背景技术

为了缓解能源危机和环境污染，甲烷作为一种可再生能源正发挥着越来越重要的作用，它具有热值高、环境友好、应用广泛等优点。甲烷可以通过多种方式制备，其中厌氧发酵是一种比较理想方式，具有固体残渣少、营养需求低、运行负荷率高等优点，但同时存在反应缓慢等缺点，导致产甲烷反应的水力停留时间较长，而微生物电子传递速率在很大程度上决定了产甲烷反应速率。为了节约成本和减少反应时间，研究强化厌氧发酵产甲烷系统中的种间电子传递具有重要意义。

生物甲烷化主要通过产酸细菌与产甲烷古菌的互养代谢完成，第一阶段产酸细菌首先将大分子有机酸或醇类分解成乙酸等小分子酸，同时生成氢气、二氧化碳等代谢副产物；第二阶段产甲烷古菌将第一阶段生成的乙酸分解成甲烷，同时接受第一阶段产生的电子将二氧化碳还原生成甲烷。传统工艺二氧化碳甲烷化的反应速率较慢是主要的限速步骤，故提高甲烷发酵过程中产酸细菌和产甲烷古菌的协同互营作用、促进共生菌的种间电子传递是提高甲烷产率的技术关键。

由细菌发酵脂肪酸或醇产生的氢气被氢养型产甲烷古菌所利用的过程被称为种间氢传递，甲酸也在这个过程中起到类似作用。而从脂肪酸或醇中产生氢气只有在低氢浓度(H₂10^-4atm)条件下才能够实现，而低氢浓度又限制了甲烷菌利用氢气产甲烷的效率，故以氢气为媒介的种间电子传递速率被认为是甲烷生产的重要影响因素。近年来发现了一种不需要电子传递载体氢气的传递机制——种间直接电子传递，它比种间氢/甲酸传递的吉布斯自由能更低，更有利于进行热力学反应。

目前研究主要将种间直接电子传递机理归纳为三类：(1)通过纳米导线实现种间直接电子传递作用。纳米导线是从细胞表面延伸出的层状丝状蛋白质，主要作用是：通过连结作用在细胞之间传递遗传物质(DNA)；帮助细胞粘结在其他表面；帮助细菌实现运动。部分特殊的菌毛表现出独特的传递电子特性，这部分菌毛就起到纳米导线作用。电子通过细胞间相互连接的纳米导线实现交换，从而实现整个氧化还原反应。(2)通过膜结合电子转运蛋白实现的种间直接电子传递作用。文献报道在部分菌毛表达基因缺失的突变菌株中也能实现种间电子传递。透射电镜分析表明两种菌紧密连接在一起，并没有明显的纳米导线，而多血红色素细胞色素OmcZ作为电子转运蛋白是种间直接电子传递的一种可能途径。(3)通过导电材料实现的种间直接电子传递作用。向某些厌氧发酵体系中加入活性炭、炭纤维、磁铁矿等导电材料，会对甲烷产量和效率起到加强作用。在某些特定的共培养体系中，细菌无法将有机物转化为氢或甲酸，但是却能产生甲烷，微观表征发现细菌紧密吸附在导电材料颗粒上，相互之间没有明显的物理接触。这说明电子是通过导电材料进行传递，而不是通过纳米导线或细胞膜外的电子转运蛋白来实现。