0 引 言

煤層氣作為一種綠色清潔能源，其開發(fā)與利用， 可以大幅降低煤炭資源的開采成本，確保能源的可 持續(xù)發(fā)展。煤層氣按其形成原因可分為生物成因煤 層氣和熱成因煤層氣。生物甲烷是生物成因煤 層氣的主要成分，其產(chǎn)生主要是通過微生物分泌的 很多胞外活性物質(zhì)而發(fā)生作用的。然而相較于一般 的大分子有機物，煤的分子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，嚴(yán)重降低 了生物有效性，微生物直接作用率低，影響生物煤層 氣的產(chǎn)率。為解決此問題，有學(xué)者提出了通過煤 的預(yù)處理技術(shù)改變煤體性質(zhì)，從而提高煤本身的生 物有效性。已報道的預(yù)處理方法多應(yīng)用于煤轉(zhuǎn)化有 機酸和生物溶煤方面，而在煤轉(zhuǎn)化生物甲烷方面 的研究較少。其中，煤的氧化是化學(xué)預(yù)處理的一 種重要手段，能夠打斷煤中的化學(xué)鍵，破壞煤的大分 子結(jié)構(gòu)，有效實現(xiàn)煤的轉(zhuǎn)化和改性。

1 試驗材料和方法

1．1 試驗材料

試驗所用煤樣有 2 種，分別是取自山西省中南 部沁水盆地的高煤階煤和山西省左權(quán)縣的中煤階 煤。將樣品破碎研磨，過 0．15 mm( 100 目) 篩，在 45 ℃下干燥 6 h 待用，2 種煤樣的工業(yè)分析和元素分析 結(jié)果見表 1。試驗所用菌種由沁水盆地煤層氣田產(chǎn) 出水經(jīng)過富集得到。試驗所用培養(yǎng)基主要包括微量 元素、維 生 素、基 礎(chǔ) 培 養(yǎng) 基 和 半 胱 氨 酸 － 硫 化 鈉 溶液。

1．2 H2O2預(yù)處理煤樣

將質(zhì)量分 數(shù) 30% 的過氧化氫水溶液稀釋為 0．05%、0．5%、5% 三 種 濃 度，分 別 對 2 種 煤 階 的煤樣進行 預(yù) 處 理。具 體 操 作 如 下: 準(zhǔn) 確 稱 取 5 g 干燥后的煤 樣 置 于 100 mL 的潔凈小燒杯中，加 入 25 mL 配制好的低濃度過氧化氫溶液，在 25℃ 的條件下通過磁力攪拌器（其林貝爾磁力攪拌器GL-6250B）以 700 r /min 的速度 持續(xù)攪拌 12 h。通過真空過濾裝置搭配 0． 7 μm Whatman 濾膜 進 行 固 液 分 離，收集殘煤及濾液。 殘煤置于烘箱中，45 ℃ 下干燥 6 h 待用; 向收集 到的濾液中加入 0．1 g MnO2，不斷攪拌以除去殘 余的過氧化氫，待濾液中不再有氣泡生成時，再 次通過真空過濾裝置進行固液分離，收 集 濾 液 待用。

2 結(jié)果與討論

高煤階煤經(jīng)不同濃度 H2O2預(yù)處理后，殘煤( 固 相) 、濾液( 液相) 及混合( 固液混合) 的降解產(chǎn)甲烷 情況如圖 1 所示。0．05%和 0．5% H2O2預(yù)處理的 2 組試驗，甲烷產(chǎn)量趨勢均為濾液＞混合＞殘煤＞陽性 對照組。其中，0．05%H2O2處理過的樣品，濾液單獨 降解的甲烷產(chǎn)量為 66 μmol /g，相比陽性對照組的 26 μmol /g，高出 154%; 混合及殘煤降解產(chǎn)氣量分別 為 51、34 μmol /g，相比陽性對照組分別增產(chǎn) 96%和 31%。經(jīng)過 0．5% H2O2處理的樣品，濾液、混合、殘 煤降解產(chǎn)氣量分別為 69、45、41 μmol /g，相比陽性對 照組分別增產(chǎn) 165%、73%和 58%。經(jīng)過 5%H2O2處 理的樣品，殘煤單獨降解產(chǎn)氣效果最佳，最大甲烷產(chǎn) 量可達 38 μmol /g，相比陽性對照組的 26 μmol /g，高 出 46%。濾液及混合降解產(chǎn)氣量均低于陽性對照 組，分別為 12、13 μmol /g。

分析上述數(shù)據(jù)，可以明顯看出，H2O2預(yù)處理高 煤階煤可以達到增產(chǎn)生物甲烷的效果。其中，0． 5% H2O2處理高煤階煤的濾液產(chǎn)氣效果最佳，這是 因為煤分子中化學(xué)鍵斷裂導(dǎo)致產(chǎn)出液中有機組分 的濃度增大，從而提高了生物有效性。將殘煤 和濾 液 的 產(chǎn) 氣 量 進 行 加 和，可 以 看 出，經(jīng) 過 0． 05%、0．5%和 5% H2O2預(yù)處理的濾液和殘煤單獨 降解的甲烷產(chǎn)量加和分別為 100、110、50 μmol /g， 顯著高于二者混合后的降解甲烷產(chǎn)量，比陽性對 照組分 別 高 出 280%、323% 和 92%，增 產(chǎn) 效 果 顯 著。同時，該結(jié)果也說明，單獨分析預(yù)處理所得固 相、液相產(chǎn)物的生物甲烷生成情況可能會放大預(yù) 處理的增產(chǎn)效果，未來研究應(yīng)更多考慮固液相混合 狀態(tài)的生物甲烷生成情況，以明確預(yù)處理對生物甲 烷的增產(chǎn)能力。

3 結(jié) 論

1) 以 H2 O2 預(yù)處理增產(chǎn)生物甲烷為目的，用 0．05%、0．5%和 5%的 H2O2溶液分別處理高煤階煤 和中煤階煤，分析不同處理所得固相、液相、固液混 合的生物甲烷產(chǎn)生情況，以明確 H2O2預(yù)處理對生物 甲烷的增產(chǎn)效果，并通過試驗驗證了 2 種工業(yè)應(yīng)用 方法。
2) 研究結(jié)果表明，液相產(chǎn)物單獨降解的甲烷產(chǎn) 量最大，高煤階煤可達 68 μmol /g，增產(chǎn) 161%; 中煤 階煤可達 57 μmol /g，增產(chǎn) 338%。高階殘煤降解產(chǎn) 甲烷量隨 H2O2濃度的增大而增大，5%H2O2 處理條 件下的甲烷產(chǎn)量為 38 μmol /g，相比對照組提高了 46%，增產(chǎn)效果突出。
3) 根據(jù)試驗結(jié)果，對 H2O2預(yù)處理的工業(yè)應(yīng)用方 法提出了 2 種思路，并進行了相應(yīng)的試驗研究。一 種是將 0．05%H2O2直接注入煤層進行反應(yīng); 另一種 是將預(yù)處理液注入煤層中，再進行生物降解。2 種 思路各具優(yōu)勢，試驗證實均可實現(xiàn)生物甲烷的增產(chǎn)， 高煤階煤分別增產(chǎn) 96%和 106%，中煤階煤分別增 產(chǎn) 38%和 198%。該研究結(jié)果對微生物增產(chǎn)煤層氣 的現(xiàn)場應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。



 

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