一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的新方法，通过在生物降解煤产甲烷过程中，预先使用氢氧化钠预处理煤的手段，增强煤的生物有效性，提高生物甲烷的产量。预处理过程中，氢氧化钠的浓度是0.1mol/L~1.5mol/L，处理时间为4 h~16 h。采用本发明专利技术方法，对煤进行预处理后，通过氢氧化钠的碱作用，提高了煤的生物有效性，从而有效增加了生物降解煤所产生的甲烷量。本发明专利技术涉及的预处理方法简单易行，所使用的氢氧化钠价格低、取材方便，处理后的溶液易于处理，不会产生有毒有害物质，绿色环保。

Method for increasing methane production by pretreating coal with sodium hydroxide

The present invention discloses a new pretreatment method of biological methane production to improve the coal utilization by sodium hydroxide, biodegradation in coal methane production process, pretreatment with NaOH pretreatment of coal by means of enhanced bioavailability of coal, improve the bio methane production. In the process of pretreatment, sodium hydroxide concentration is 0.1mol/L~1.5mol/L, treatment time was 4 h~16 H. By adopting the method of the invention, after the coal is pretreated, the biological effectiveness of the coal is improved by the alkali action of sodium hydroxide, thereby effectively increasing the methane produced by the biodegraded coal. The pretreatment method of the invention is simple and easy, the sodium hydroxide used is cheap, the material is convenient, the treated solution is easy to handle, no toxic and harmful substances are produced, and the environment is green.

【技术实现步骤摘要】
一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法
本专利技术涉及一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，属于甲烷生产

技术介绍
微生物通过厌氧降解煤产生甲烷，不仅能够实现煤炭的地面气化，同时也能够实现煤的原位气化，增产生物煤层气。然而，煤是一种大分子化合物，分子结构复杂，包含大量芳香环、杂环，限制了煤的生物有效性，导致微生物降解煤所产甲烷量较低。由此，通过化学或物理方法改变煤结构、改善煤性质，提高煤的生物有效性，促进微生物降解煤，增大生物甲烷产量对煤炭生物气化技术的发展、推广显得尤为重要。物理方法能耗比较大，实际应用中不具有经济优势；化学方法则采用廉价的化学试剂进行处理，但处理后残留试剂的处置是需要注意的问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，利用氢氧化钠预处理煤以增强煤的生物有效性，提高生物甲烷产量。本专利技术采用了氢氧化钠溶液对煤进行预处理，氢氧化钠的强碱性能够打断煤分子间的部分化学键，减小煤分子间的作用力，降低煤分子之间的螯合作用，从而将煤的复杂大分子结构解聚为小分子；同时还可以破坏氢键，从而使致密的煤的大分子结构变得稀疏。因此，氢氧化钠作用后的煤基质更容易受微生物细胞外活性物质的攻击，从而促进煤的转化过程。本专利技术提供了一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，在生物降解之前，通过氢氧化钠溶液氧化煤的预处理方法增强煤的生物有效性，提高煤转化生物甲烷的产量。上述方法中，氢氧化钠预处理是在添加微生物菌种之前进行，处理过程中：氢氧化钠溶液的浓度是0.1mol/L~1.5mol/L，处理时间为4~16h。上述方法中，原料煤经氢氧化钠预处理后获得的固态煤，用于生产生物甲烷。上述方法具体包括以下步骤：（1）将煤通过破碎机制成粉末并进行筛分，煤过筛后的粒径范围为0.15~0.25mm；（2）将煤粉与氢氧化钠溶液混合，通过磁力搅拌器室温搅拌4~16h；煤粉与氢氧化钠溶液的比例为：每g煤粉使用4~5ml的氢氧化钠溶液；磁力搅拌器的搅拌速度为600~800rpm；（3）将步骤（2）所得混合溶液进行固液分离，得到固态煤，所获固态煤经烘干后用于后续的生物降解产甲烷过程；该步骤中，通过酸碱中和或纯水洗涤的方法实现固液分离；（4）以步骤（1）所得煤为底物，在提供营养成分的条件下，从煤层气产出水或煤中筛选、富集降解煤产甲烷的功能菌群，包括纤维素降解菌、芳香族化合物降解菌、产甲烷菌等；所述营养成分包括微生物，尤其是产甲烷菌生长所需除碳源以外的营养物质，包括基础营养、微量元素、维生素等。（5）以步骤（3）烘干所得固态煤为底物，利用富集获得的功能菌群实现生物降解煤产甲烷过程，同时在培养过程中，每隔3-7天利用气相色谱以检测甲烷产生情况。本专利技术中使用的煤是无烟煤、烟煤之类生物降解难度较大的煤种。上述方法中，步骤（3）所述酸碱中和方法具体为：在混合溶液中滴加1.5mol/L盐酸，通过pH计测量溶液的pH值，直至溶液成为中性；然后通过真空抽滤装置去除液相，截留固态煤，并烘干，真空抽滤装置中配套使用的是0.22μm滤膜。上述方法中，步骤（3）所述纯水洗涤方法具体为：使用真空抽滤装置及配套的0.22μm滤膜对混合溶液进行过滤，在过滤过程中使用蒸馏水对煤样进行多次洗涤以去除残留氢氧化钠，洗涤后取残煤进行烘干。本专利技术中使用了无烟煤、烟煤之类生物降解难度较大的煤种，由于无烟煤、烟煤属于高变质程度的煤，较难被微生物降解，所以，通过本专利技术方法对煤进行预处理后，通过预处理剂的强碱性作用，增强了煤的生物有效性，提高了生物甲烷产量。本专利技术的有益效果：（1）采用氢氧化钠对煤预处理后，提高了煤的生物有效性，有效增加了煤制生物甲烷的产量；（2）利用氢氧化钠作为预处理剂时，氢氧化钠容易被盐酸等酸类中和，反应生成氯化钠等钠盐，环境污染小，易于处置，具有绿色环保的特性；（3）氢氧化钠作为一种常规试剂，价格低，降低了成本。附图说明图1为实施例1中不同浓度氢氧化钠预处理的生物甲烷产量曲线；图2为实施例2中浓度为1.5mol/L氢氧化钠不同时间预处理的生物甲烷产量曲线。具体实施方式下面通过实施例来进一步说明本专利技术，但不局限于以下实施例。实施例1：不同浓度氢氧化钠溶液预处理无烟煤6h，包括以下步骤：第一步，在沁水盆地目标煤层获取无烟煤煤样后，将煤样进行粉碎、过筛，选取粒径为0.15~0.25mm的进行实验；第二步，配制浓度分别为0.1mol/L、0.5mol/L、1.5mol/L的氢氧化钠。第三步，在100ml烧杯中分别加入配制好的氢氧化钠溶液25ml和5g煤。在25℃条件下通过磁力搅拌器以700r/min的速度连续搅拌6h，搅拌后得到混合溶液。第四步，混合液的固液分离主要采用纯水洗涤的方法进行，过滤采用0.22μm滤膜进行过滤，过滤过程中用大量纯净水充分洗涤煤，分离所获得的煤在45℃条件下烘干6h，作为生物产甲烷实验的底物。第五步，从沁水盆地采集煤层气产出水，以无烟煤为唯一碳源，在添加培养基的条件下，从产出水中筛选、富集降解煤产甲烷的混合菌群。富集温度为35℃，静置培养。其中，产甲烷菌群的富集培养基组分为：1L富集培养基：包含K2HPO40.4g，MgCl22.0g，KH2PO40.4g，酵母提取物1.0g，NH4Cl1.0g，刃天青0.001g，半胱氨酸0.5g，Na2S0.2g，NaHCO30.2g，乙酸钠2.0g，KCl0.2g，NaCl2.0g，微量元素溶液10.0ml，维生素溶液10.0ml，pH7.0。1L微量元素溶液包括：FeCl2·4H2O1.5mg，AlK(SO4)210mg，ZnCl270mg，NiCl2·6H2O24mg，MnCl2·4H2O100mg，NaMoO46mg，CuCl22mg，H3BO336mg，CoCl2·6H2O190mg，25%HCl10ml/L1L维生素溶液包括：生物素2mg，叶酸2mg，B610mg，B25mg，B15mg，烟酸5mg，B120.1mg，硫辛酸5mg，对氨基苯甲酸5mg。经15次传代培养后，获得了以Enterobacter和Methanosaeta为主的功能混合菌群。第六步，在140ml血清瓶中，采用1g经第四步烘干后的煤作为反应底物，利用第五步获得的产甲烷混合菌群，在35℃下连续培养40天，以实现煤的生物降解产甲烷。在反应期间每隔5天对甲烷产生情况进行一次监测。煤制生物甲烷产量见附图1所示。40天后，0.1mol/L氢氧化钠处理后的平均甲烷产量为216μmol/g煤；0.5mol/L氢氧化钠预处理后的平均甲烷产量为226μmol/g煤；1.5mol/L氢氧化钠预处理后的平均甲烷产量为233μmol/g煤。对比例1：本例中未加氢氧化钠处理煤，其它工艺条件与实施例1相同。生物甲烷产量见附图1所示。对比例1中，培养40天后，平均甲烷产量为204μmol/g煤。经过比较实施例1和对比例1，发现：经0.1mol/L氢氧化钠处理6后，生物甲烷产生量增加了5.9%；经0.5mol/L氢氧化钠处理6h后，生物甲烷产量增加了10.8%；经1.5mol/L氢氧化钠处理6h后，生物甲烷产量增加了14.2%。经过图1对比可知，本专利技术采用氢氧化钠对煤进行预处理后，有效增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，其特征在于：首先采用氢氧化钠溶液对煤进行预处理，再添加微生物菌种，实现生物降解煤产甲烷的过程。

【技术特征摘要】
1.一种利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，其特征在于：首先采用氢氧化钠溶液对煤进行预处理，再添加微生物菌种，实现生物降解煤产甲烷的过程。2.根据权利要求1所述的利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，其特征在于：预处理过程中，氢氧化钠溶液的浓度是0.1mol/L~1.5mol/L，处理时间为4~16h。3.根据权利要求1所述的利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将煤通过破碎机制成粉末并进行筛分，煤过筛后的粒径范围为0.15~0.25mm；（2）将煤粉与配制好的氢氧化钠溶液混合，通过磁力搅拌器室温搅拌4~16h；煤粉与氢氧化钠溶液的比例为：每g煤粉使用4~5ml的氢氧化钠溶液；磁力搅拌器的搅拌速度为600~800rpm；（3）将步骤（2）所得混合溶液去除残留试剂，进行固液分离，得到固态煤，并烘干；（4）以步骤（1）所用煤为底物，在提供营养成分的条件下，从煤层气产出水或煤中筛选、富集降解煤产甲烷的功能菌群；（5）以步骤（3）烘干所得固态煤为底物，利用富集获得的功能菌群实现生物降解煤产甲烷过程，同时在培养过程中，每隔3-7天利用气相色谱以检测甲烷产生情况。4.根据权利要求3所述的利用氢氧化钠预处理煤提高生物甲烷产量的方法，其特征在于：所述煤是无烟煤或烟煤。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭红光，张金龙，梁卫国，李亚平，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14