一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法技术

本发明专利技术公开了一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法，将DES试剂中加入氯化铁（Lewis acid路易斯酸），形成DES配位氯化铁的三元新型试剂，为预处理体系提供活性质子和酸性点位，增强DES预处理效果，提高对木质素和半纤维素的溶解度，获得最大的纤维素保留度，从而促进厌氧发酵产甲烷的效率；并且引入超声波作为辅助预处理手段，采用双频交替超声波，空化效应更强、预处理效果更好，还使三元DES与秸秆混合更加均匀，增强了预处理的整体效果。本发明专利技术可实现去除半纤维素效率达80%、去除木质素效率达70%。除木质素效率达70%。除木质素效率达70%。

【技术实现步骤摘要】
一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法


[0001]本专利技术涉及环境科学与能源工程
，尤其涉及一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法。

技术介绍

[0002]发展可再生的生物质能源具有显著的减排固碳作用，是农业农村领域推进碳达峰碳中和的重要途径。含有木质纤维素的原料都可以作为可再生资源加以利用，其中农作物秸秆资源量巨大，2019年全国主要农作物秸秆产生量8.65亿吨，可收集资源量7.31亿吨。目前，国内外对于木质纤维素原料进行厌氧发酵产沼气、厌氧发酵产酸、酶解产乙醇、酶解产乳酸等领域的相关研究颇多，但是由于木质纤维素原料中大量的木质素作为骨架结构包裹在纤维素及半纤维素外面，直接进行厌氧消化易出现启动时间长、转化效率低、生物降解率低等问题。因此，需要对木质纤维素原料进行适当的预处理后才可以达到更好的利用效果。
[0003]现有的木质纤维素原料的预处理方法主要分为物理预处理、生物预处理、化学预处理和联合预处理四大类。其中化学预处理具有预处理时间短、设备和试验操作简单、处理效果好的优点，但是存在的最大难点是会带来二次污染。于2003年由Abbott等人首次提出的深度共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent，DES）是一种具有发展潜力的绿色环保试剂，具有热稳定性高、不易挥发、对各种有机物和无机物溶解能力强以及极强的可设计性等特点。超声波产生的高加速度、振动和空化效应都可以加速秸秆细胞内物质的释放和溶解，且能有效的破坏纤维素中的分子氢键以及提高木质素的脱除率。目前，已经有许多学者利用DES对木质类、秸秆类木质纤维素生物质进行预处理，也有部分学者引入了超声波作为辅助手段，预处理效果很不错，但是预处理温度都高至130℃以上，研究表明预处理温度达120℃以上会破坏植物的纤维素组分。
[0004]本专利技术在DES试剂中加入氯化铁（Lewis acid路易斯酸），形成DES配位氯化铁的三元新型试剂，为预处理体系提供活性质子和酸性点位，增强DES预处理效果，提高对木质素和半纤维素的溶解度，获得最大的纤维素保留度，从而促进厌氧发酵产甲烷的效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法，能够解决化学试剂预处理玉米秸秆存在污染以及厌氧发酵产甲烷效率低的问题，达到高效预处理秸秆直接厌氧发酵并促进产甲烷效率的目的。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法，按以下步骤进行：步骤一、制备三元DES试剂：将氯化胆碱、乳酸和氯化铁的三元混合物按一定摩尔比加入三口烧瓶，加热搅拌至得到透明均一的液体，再对液体干燥去除水分；步骤二、超声波预处理：将玉米秸秆与步骤一中所得DES试剂按一定固液比加入250ml锥形瓶中，再将锥形瓶悬置于超声波发生装置进行预处理；
步骤三、三元DES预处理：对步骤二预处理后的锥形瓶内混合物进行加热搅拌；步骤四、抽滤与分离：将步骤三预处理后的混合物放置至室温，由抽滤装置进行抽滤，获得抽滤物和抽滤液；步骤五、厌氧发酵及沼气测定：将步骤四所得抽滤物装入150ml蓝盖瓶中，加入碱性溶液调节抽滤物的pH值，再加入一定量的接种污泥，在氮气氛围保护和恒温的条件下进行厌氧发酵，对过程中产生的沼气用0.5L气体采样袋收集并进行测定；步骤六、三元DES试剂的回收利用：将步骤四中所得抽滤液经旋转蒸发，再高速离心分离获得上清液和沉淀物，上清液再次旋转蒸发得到三元DES试剂，可重复利用2
‑
3次。
[0007]优选地，步骤一中的混合物摩尔比为1:(5
‑
10):(0.1
‑
0.5)，三元混合物反应条件为油浴锅60
‑
80℃下减压磁力搅拌20min。
[0008]优选地，步骤一中的DES试剂在真空烘箱80℃下进行干燥，干燥时间为24h。
[0009]优选地，步骤二中加入玉米秸秆的量为20
‑
40目，玉米秸秆与DES试剂按1:10的固液比加入锥形瓶。
[0010]优选地，步骤二中超声波发生装置的设定条件为60℃、720W，以25KHz和45KHz的频率每分钟交替预处理30min。
[0011]优选地，步骤三中锥形瓶内混合物在油浴锅120℃下加热，同时预处理1
‑
5h，每30min搅拌一次。
[0012]优选地，步骤四中的抽滤物为玉米秸秆与三氯化铁的混合物，可直接进行厌氧发酵产甲烷；抽滤液为含有木质素的液体，可提取木质素。
[0013]优选地，步骤五中的碱性溶液为5mol/L的氢氧化钾，使用氢氧化钾溶液将pH调至6.8
‑
7.2。
[0014]优选地，步骤五对瓶中通入氮气2min以排除瓶内氧气。
[0015]优选地，步骤五中的发酵条件为恒温培养箱内35
‑
38℃下，发酵时间28
‑
32d。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：（1）本专利技术使用DES配位氯化铁试剂进行玉米秸秆的预处理后，再使用存在特定浓度氯化铁的玉米秸秆直接进行厌氧发酵。其中氯化铁是一种路易斯酸，使其浓度在三元DES试剂中控制在0.1
‑
1mol/L，为预处理体系提供活性质子和酸性点位，增强DES预处理效果，提高对木质素和半纤维素的溶解度，获得最大的纤维素保留度，从而促进厌氧发酵产甲烷的效率；并且氯化铁对厌氧发酵过程具有促进作用，抽滤物玉米秸秆中含有80
‑
800mg/L的氯化铁溶液，该浓度的三价铁离子有助于强化产甲烷菌的代谢活性，同时可以提高蛋白酶和脱氢酶的活性、补充微量元素，从而促进乙酸盐或二氧化碳向甲烷的转化，进一步提高甲烷产量。
[0017]（2）本专利技术使用的三元DES试剂，绿色环保且可以完全降解，为使预处理后抽滤物中玉米秸秆存在一定浓度的氯化铁溶液，未进行抽滤物的纯水清洗的阶段，导致厌氧发酵体系中存在微小剂量浓度的氯化胆碱和乳酸，对厌氧发酵过程影响微小，并利用5mol/L的氢氧化钾溶液对厌氧发酵体系进行酸碱中和，使体系pH保持在6.8
‑
7.2之间，营造良好的厌氧发酵环境。
[0018]（3）本专利技术引入超声波辅助手段，通过空化作用来破坏玉米秸秆表面，达到去除部分木质素和半纤维素并增加纤维素含量的目的，超声波频率对预处理效果具有显著影响，
研究表明低频时空化时间较长，高频时空化效率会更高；本专利技术使用双频交替超声预处理，减少了使用单频超声治疗的能量损失，并且双频交替组合超声比单频超声的预处理效果更好。
附图说明
[0019]图1为本专利技术实施例1和对比例1预处理前后的抽滤物
①‑⑥
的纤维素、半纤维素、木质素的含量；图2位本专利技术实施例1和对比例1预处理前后的抽滤物
①‑⑥
的半纤维素、木质素的去除率变化趋势；图3为本专利技术实施例1和对比例1预处理后抽滤物...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行：步骤一、制备三元DES试剂：将氯化胆碱、乳酸和氯化铁的三元混合物按一定摩尔比加入三口烧瓶，加热搅拌至得到透明均一的液体，再对液体干燥去除水分；步骤二、超声波预处理：将玉米秸秆与步骤一中所得DES试剂按一定固液比加入250ml锥形瓶中，再将锥形瓶悬置于超声波发生装置进行预处理；步骤三、三元DES预处理：对步骤二预处理后的锥形瓶内混合物进行加热搅拌；步骤四、抽滤与分离：将步骤三预处理后的混合物放置至室温，由抽滤装置进行抽滤，获得抽滤物和抽滤液；步骤五、厌氧发酵及沼气测定：将步骤四所得抽滤物装入150ml蓝盖瓶中，加入碱性溶液调节抽滤物的pH值，再加入一定量的接种污泥，在氮气氛围保护和恒温的条件下进行厌氧发酵，对过程中产生的沼气用0.5L气体采样袋收集并进行测定；步骤六、三元DES试剂的回收利用：将步骤四中所得抽滤液经旋转蒸发，再高速离心分离获得上清液和沉淀物，上清液再次旋转蒸发得到三元DES试剂，可重复利用2
‑
3次。2.根据权利要求1所述的一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法，其特征在于：步骤一中的混合物摩尔比为1:(5
‑
10):(0.1
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0.5)，三元混合物反应条件为油浴锅60
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80℃下减压磁力搅拌20min。3.根据权利要求1所述的一种超声辅助三元DES处理秸秆促进厌氧产甲烷的方法，其特征在于：步骤一中的DES试剂在真空烘箱80℃下进行干燥，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗娟，侯昕彤，赵立欣，姚宗路，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
国别省市：