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典型秸秆的厌氧消化甲烷生产:基于物料组成与表面特性 (2020年RTK论文奖励计划入选论文)

时间:2020-06-23 发布:洛克泰克仪器 来源:洛克泰克仪器

摘要: 近日,同济大学环境科学与工程学院研究团队在Bioresource Technology期刊(IF=6.669)发表研究论文。研究者们采用RTK-BMP全自动甲烷潜力测试系统测定了四类典型秸秆的厌氧消化净累计甲烷产量。 美国能源情报署预测,201

近日,同济大学环境科学与工程学院研究团队在Bioresource Technology期刊(IF=6.669)发表研究论文。研究者们采用RTK-BMP全自动甲烷潜力测试系统测定了四类典型秸秆的厌氧消化净累计甲烷产量。 

典型秸秆的厌氧消化甲烷生产:基于物料组成与表面特性 (2020年RTK论文奖励计划入选论文)(图1)

美国能源情报署预测,2018年至2050年,世界能源消耗将增长近50%,这种增长又大部分集中在经济快速增长的地区,尤其是在中国。目前80%以上的一次能源消费来自化石燃料,特别是石油基燃料,例如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等,据预测将在下个世纪被耗尽。此外,化石燃料的燃烧是大气中二氧化碳水平上升的主要因素,而二氧化碳水平的上升与全球变暖直接相关。因此,开发和利用可持续的、生态友好的非石油基能源已迫在眉睫。

典型秸秆的厌氧消化甲烷生产:基于物料组成与表面特性 (2020年RTK论文奖励计划入选论文)(图2)

 

木质纤维素类生物质被认为具有生产缓解上述问题的生物燃料和生物产品的潜力,这主要是因为生物质有助于大气中二氧化碳的循环利用,而不会造成额外的温室效应。此外,每年在世界各地会生产大量的木质纤维素农业生物质,这恰恰适宜发展成为可持续供给的再生能源或燃料。特别是在中国,根据2020年国家统计局数据,2019年我国粮食总产量为66384万吨,连续五年保持在65000万吨以上,占世界总产量的四分之一左右,其中,水稻、甜高粱、小米产量为20961万吨;小麦13359万吨;玉米26077万吨。作物收获后,农作物的叶、茎大量剩余,导致我国农作物秸秆年产量超过7亿吨,其中水稻、甜高粱秸秆占25.10%,小麦秸秆占18.30%,玉米秸秆占32.50%。秸秆作为一种典型的木质纤维素类农业废弃物,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,是制备生物燃料和生物制品的理想原料。

近年来,以秸秆为原料经生物转化生产甲烷、乙醇、糠醛等生物能源引起了广泛关注。但从能量输出/输入比(28.8MJ/MJ)来看,甲烷发酵技术是所有通过生物或热化学转化途径的能源生产技术中效率最高的生物质能源生产技术之一。厌氧消化技术是利用多种微生物在厌氧条件下分解有机物。直接使用秸秆类生物质厌氧消化生产甲烷的效率通常较低主要是由于生物质存在抗降解屏障,即生物质对酶解和微生物解构的自然抗性。为了提高木质纤维素的降解能力,并实现有盈利的生物甲烷生产,许多预处理方法如微化粉碎、生化法、碱法、热处理以及它们的耦合方法被广泛开发。然而,对于特定的某种预处理方式其效率存在显著差异。结果表明,在相同N-methylmorpholine-N-oxide预处理条件下,以稻草、麦秸和杉木为底物,甲烷产量的提升范围可达400-1200%。Sapci等人报道燕麦秸秆经200℃微波预处理15min后净累积产甲烷量最高为186.2±10.5 mL-1g VS,而春小麦秸秆的净累积产甲烷量较低(72.2±20.9 mL-1gVS)。事实上,不同类型秸秆产生的甲烷对特定预处理的反馈不同,其本质上是由于秸秆自身的特性。然而,秸秆特性对生物甲烷生产影响的机理尚不清楚。根据物料特性确定关键控制因素将促进生物质能的最大限度回收。文献综述结果表明,有机质含量、粒径、空间构象和生物质比表面积是影响厌氧消化的关键因素。例如,文献报道有机物含量低限制了甲烷化过程;污泥中的无机成分形成了相对难以生物降解的稳定半刚性结构。实际上,材料的结构决定了材料的性能,秸秆也不例外。现有的报道大多集中在表征秸秆的结构,以评估其糖化效果,而秸秆结构与厌氧消化之间的相关性,除了少数研究外,得到较少关注。因此,研究秸秆的组成和结构对厌氧消化性能的影响具有重要意义,为实践提供理论支持。

本研究旨在探索四种典型秸秆(水稻秸秆、甜高粱秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆)在厌氧消化过程中物料组成和结构对生物甲烷生产的影响。研究了四种典型秸秆的产甲烷潜势与该过程的碳流特性。测定了秸秆的分形维数、表面形貌、表面官能团、基本元素等物理性质,分析了其化学成分。依据三点假设开展研究:(1)秸秆中关键有机组分和含碳量越高,其产甲烷潜力越大;(2)秸秆表面特性会影响厌氧产甲烷过程;(3)矿物组成会影响秸秆结构,阻碍生物甲烷的生产。

典型秸秆的厌氧消化甲烷生产:基于物料组成与表面特性 (2020年RTK论文奖励计划入选论文)(图3)

实验结果表明,四种秸秆的物质组成有显著差异,典型秸秆的产甲烷潜力大小排序依次为玉米秸秆>水稻秸秆>甜高粱秸秆>水稻秸秆。秸秆关键有机组分和碳的相对含量与生物甲烷生产无显著相关,秸秆表面特性(非极性表面、空间位阻效应与表面形貌)影响厌氧生物甲烷生产过程。此外,秸秆的矿物组成与甲烷的生产过程密切相关,与硅结合的秸秆基质阻碍了有机质的甲烷生物转化。

RTK公司是国家高新技术企业(证书编号:GR201742000831)。产品包括RTK-BMP全自动甲烷潜力测试系统、RTK-BRE微生物降解呼吸仪、RTK沼气分析仪等。此外,还可提供各类实验室生物发酵反应器(如CSTR反应器、UASB反应器、IC反应器、干法车库式反应器等)及其它定制服务。欢迎大家垂询!