一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法技术

本发明专利技术提供一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，具体涉及纳米材料合成与清洁能源生产领域。将氮掺杂石墨烯投加到暗发酵产氢体系中，能够促进海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖的产氢产酸过程，提高氢气产量和产氢速率。本发明专利技术制备的氮掺杂石墨烯为纳米级和3D多孔网状结构，可以更好地分散在暗发酵产氢体系中，为微生物提供更多的附着位点，增加微生物之间的相互联系。本发明专利技术将氮掺杂石墨烯应用到暗发酵产氢体系中，可以弥补暗发酵产氢过程中存在的微生物活性低、产氢速率慢、氢气产量低等缺陷。氢气产量低等缺陷。氢气产量低等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料合成与清洁能源生产领域，具体涉及一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法。

技术介绍

[0002]当前的全球问题，如煤炭石油的枯竭和全球变暖，正在推动世界燃料市场的变革，利用有机废弃物生产可再生燃料的技术应经被得到广泛的重视。在众多生物燃料（如：生物柴油、生物乙醇、生物丁醇、生物氢等）中，生物氢是未来最理想的燃料，氢气的净能量含量高于传统燃料，其热值比煤、汽油和甲烷等其他燃料高约4倍。因此，氢气是一种选择性燃料，碳排放量减少，燃烧量更高，环境问题（如污染和全球变暖）最小。目前，超过95%的商业氢气是以天然气、煤炭、电解、重油和石油脑为原料生产的，这仍然离不开化石燃料的使用并导致温室气体排放。因此，需要寻找一种可再生和可持续的生产氢气的替代技术。生物氢可以在不同的条件下通过各种技术生产，例如暗发酵、光发酵以及暗发酵和光发酵耦合。在三种类型的发酵中，暗发酵产氢具有多种优点，例如：低能源需求、可使用有机废弃物作为原料、所需环境比较温和、产氢速率快等。
[0003]海水养殖场有机废弃物主要为未被吸收利用的饵料和鱼类的排泄物，这些有机物废弃物中含有大量的纤维素，多糖，蛋白质等高分子化合物，是一种宝贵的、可利用的原材料，非常适合厌氧暗发酵产氢。厌氧暗发酵的第一步是水解过程，能够将大分子有机物废弃物（如纤维素，多糖，蛋白质等）转化为简单的小分子物质（如葡萄糖、木糖、氨基酸、甘油等）；第二步是产氢产酸过程，能够将简单的小分子物质转化为氢气和挥发性脂肪酸。因此能够利用海水养殖场有机废弃物生产生物氢。暗发酵产氢技术处理海水养殖场有机废弃物可以实现处理有机废弃物、满足环境保护要求的同时，充分回收利用有机废弃物中存在的生物质能，实现资源的循环利用的目的。
[0004]在暗发酵中产生的氢气产量相对较低。氢气回收率低的主要原因是挥发性有机酸、醇类和其他可溶性代谢物的形成。这表明，在暗发酵过程中，大部分化学能被转移到有机基质中生产或转化副产品。因此，必须发现替代来源和代谢途径，以使用暗发酵技术增强生物氢的生产。如今，有关研究已经引入了纳米材料来增强生物氢的产生，使用物理和化学方法合成的纳米材料，具有巨大的潜力和增强的性能。相关研究表明碳基纳米材料可以提高生物氢的产量和产氢速率。因此，本研究在暗发酵产氢体系中选取海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖为底物，通过投加氮掺杂石墨烯，来实现生物产氢的改善。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中暗发酵产氢存在的氢气产量低的问题，提供一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法。将氮掺杂石墨烯应用于暗发酵产氢体系中，促进海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖的产氢产酸过程，以达到提高氢气产量和产氢速率的目的。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，其特征在于，向暗发酵产氢体系中加入氮掺杂石墨烯，能够选择性的提高微生物活性，增加氢气产量，加快产氢速率。
[0008]所述的暗发酵产氢体系为中温发酵，温度为35℃。
[0009]所述的暗发酵产氢体系包括暗发酵产氢反应器、碳源、氮源、营养液和接种污泥。
[0010]优选的，所述的氮掺杂石墨烯在暗发酵产氢体系中的添加量为10～200mg/L。
[0011]优选的，所述的碳源为海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖，浓度为10g/L，所述的氮源为蛋白胨，浓度为0.2g/L，所述的营养液为：NH4HCO3：160mg/L、KH2PO4：80mg/L、FeCl2·
4H2O：70.5mg/L、MnSO4·
7H2O：0.6mg/L、Na2MoO4·
2H2O：0.4mg/L、海水。
[0012]优选的，所述的接种污泥在暗发酵产氢体系中的体积比为30%，含水率为70%。
[0013]优选的，所述的暗发酵产氢具体操作步骤如下：
[0014] （1）接种污泥的培养：将海底活性污泥在厌氧培养皿中培养30天，然后进行热处理，冷却后，加入海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖在35℃温度下进行培养，即得具有活性且含有产氢微生物的接种污泥。
[0015] （2）制备暗发酵培养基：向暗发酵产氢反应器中加入碳源、氮源、营养液、和具有活性的接种污泥，维持发酵温度为35℃，保持厌氧环境。
[0016]（3）暗发酵：将氮掺杂石墨烯投加到步骤(2)中的暗发酵产氢反应器中，在35℃下发酵，收集暗发酵过程中产生的氢气。
[0017]优选的，步骤（1）中，所述的海底活性污泥的培养温度为35℃，热处理的温度为90℃，热处理时间为30min，冷却至35℃，加入海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖培养48h，海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖的加入量为1g/L，热处理的目的是使产甲烷菌活性受到抑制和使主要的产氢微生物形成孢子得以富集。
[0018]优选的，步骤（2）中，所述的接种污泥在暗发酵产氢体系中的体积比为30%，碳源为海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖，浓度为10g/L，所述的氮源为蛋白胨，浓度为0.2g/L，所述的营养液为：NH4HCO3：160mg/L、KH2PO4：80mg/L、FeCl2·
4H2O：70.5mg/L、MnSO4·
7H2O：0.6mg/L、Na2MoO4·
2H2O：0.4mg/L、海水。
[0019]优选的，步骤（2）中，所述的厌氧环境的创造方法为：用氮气吹脱5min，消除反应器中的氧气。
[0020]优选的，步骤（3）中，所述的氮掺杂石墨烯的投加量为10～200mg/L，发酵时间为48h，收集暗发酵过程中产生的氢气。
[0021]优选的，步骤（3）中，所述的氮掺杂石墨烯为3D多孔网状结构，该网络富含多层次孔隙，孔径分布宽，表明在水热过程中可以有效地组装，该结构不仅显著降低了材料的堆积密度，而且可以为微生物提供更多的附着位点。此外，氮掺杂石墨烯的表面为皱巴巴地褶皱结构，部分褶皱的性质可能源于组装过程和杂原子掺杂过程中形成的缺陷结构，这样可以使材料具有更大的比表面积，有利于吸引微生物。
[0022]优选的，步骤（3）中，所述的氮掺杂石墨烯的X
‑
射线衍射数据：如图2所示，氧化石墨烯在2θ=10.34
°
处表现出一个尖锐的峰，对应于（001）石墨的平面，平面间距离为7.54
Å
，这是由于石墨表面官能团的氧化造成的。氮掺杂石墨烯的峰出现在2θ=24.89
°
，对应于（002）平面，平面间距离为3.7
Å
，表示氮掺杂石墨烯面临的更多的还原，这是由于高温处理
导致含氧集团去除。
[0023]优选的，步骤（3）中，所述的氮掺杂石墨烯材料的表面元素组成和化学状态，根据X射线光电子能谱对材料中的碳、氮和氧的检测：图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，其特征在于，将氮掺杂石墨烯加入到暗发酵产氢体系中，添加量为10～200mg/L。2.根据权利要求1所述的一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，其特征在于，所述暗发酵产氢体系包括暗发酵产氢反应器、碳源、氮源、营养液和接种污泥，所述接种污泥在暗发酵产氢体系中的体积比为30%，含水率为70%。3.根据权利要求2所述的一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，其特征在于，所述碳源为海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖，浓度为10g/L，所述氮源为蛋白胨，浓度为0.2g/L，所述营养液为：NH4HCO3：160mg/L、KH2PO4：80mg/L、FeCl2·
4H2O：70.5mg/L、MnSO4·
7H2O：0.6mg/L、Na2MoO4·
2H2O：0.4mg/L、海水。4.根据权利要求1所述的一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）接种污泥培养：将海底活性污泥在厌氧培养皿中培养30天，温度为35℃，然后在90℃下进行热处理30min，热处理后将温度降至35℃后，加入1g/L的海水养殖场有机废弃物的中间代谢产物葡萄糖培养48h，即得具有活性且含有产氢微生物的接种污泥；（2）制备暗发酵培养基：向暗发酵产氢反应器中加入碳源、氮源、营养液和具有活性的接种污泥，维持发酵温度为35℃，用氮气吹脱5min，保持厌氧环境；（3）暗发酵：将氮掺杂石墨烯投加到步骤(2)中的暗发酵产氢反应器中，在35℃下发酵，收集暗发酵过程中产生的氢气。5.根据权利要求1所述的一种利用氮掺杂石墨烯提高暗发酵产氢性能的方法，其特征在于，所述氮掺杂石墨烯为3D多孔网状结构，表面为褶皱结构；所述氮掺杂石墨烯的X

【专利技术属性】
技术研发人员：闫茂鲁，孙艳，唐龙翔，王丽，刘兆燕，刘辉，
申请(专利权)人：山东生态家园环保股份有限公司，
类型：发明
国别省市：