过氧化氢预处理对褐煤物化性质及生物产气的影响

【目的】研究过氧化氢预处理对褐煤物化性质及生物产气的影响。【方法】以胜利5号褐煤为研究对象,利用正交试验对过氧化氢预处理褐煤条件进行优化,在最优条件下处理褐煤得到处理后的残煤和处理液,通过X射线衍射分析(X-ray diffraction, XRD)、扫描电镜分析(scanning electron microscopy, SEM)、比表面积分析及孔隙分析(brunauer-emmett-teller, BET)、气相色谱-质谱分析(GC-MS)、高效液相色谱分析(HPLC)等方法对原煤、残煤和处理液的物化性质进行比较分析。【结果】经过氧化氢预处理,褐煤的最优条件为过氧化氢浓度5.0%、预处理时间20 d、液固比30:1,处理液中总有机碳含量为105 mg/L。在最优条件下,过氧化氢处理后残煤表面裂痕、凹陷增多,表面结构变得松散;煤的芳香面网间距增加,芳环结构更加疏松,晶核结构变小;孔隙度和比表面积均增大。处理后残煤中的固定碳、C元素和镜质组的相对含量降低,而灰分、挥发分、O和H元素及惰质组含量增加,残煤中O=C-O、C=C、C=O官能团含量增加,而N-H、C-H官能团含量则减少。生物产气结果表明反应液和残煤产气量均低于原煤,分别减少了39.13%和94.46%。过氧化氢预处理主要作用于煤中镜质组,使其有机碳溶解,煤中大分子结构的官能团发生变化,改变煤的芳环结构,在氧化作用下煤结构中的小分子溶解进入处理液。处理液中有机物以短链脂肪酸为主。经生物产气后,反应液中小分子酸以及有机物种类减少,被微生物利用产气。而各产气试验组中优势菌门及优势菌属的菌群丰度呈现出显著差异,古菌中原煤产气组盐杆菌门(Halobacteriota)为优势菌门,甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)为优势菌属;反应液产气组热变形菌(Thermoprotei)为优势菌门,深古菌属(Bathyarchaeia)为优势菌属;细菌中原煤产气组放线菌门(Actinomycetota)为优势菌门,Gaiellales为优势菌属;反应液产气试验组假单胞菌门(Pseudomonadota)为优势菌门,代尔夫特菌属(Delftia)为优势菌属。【结论】煤溶解有机碳可以被微生物利用产气,但是煤中有机组分的过氧化脱除导致生物产气量减少。     

H2O2预处理胜利褐煤镜质组的生物产气研究

【目的】研究H₂O₂处理对煤中镜质组生物产气的影响。【方法】选择内蒙古胜利褐煤作为研究对象,以实验室前期富集保存的产甲烷微生物作为出发菌群,首先通过浮选对煤炭进行显微组分分离(高镜质组GJ、中镜质组ZJ和低镜质组DJ),并对煤的物化性质进行表征,然后在固液比1:15、H₂O₂浓度10%、预处理时间30 d条件下用H₂O₂处理不同镜质组含量的样品,再以处理前后的原煤及残煤进行生物产气实验。采用气相色谱、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等方法分析H₂O₂处理前后产气及煤的物化性质变化。【结果】经过H₂O₂预处理后,煤中镜质组的含量有所下降,挥发成分增加,固定碳减少,H₂O₂与高镜质组煤样反应更剧烈,氧含量增加,碳含量减少。未经过处理的煤在100 d时产甲烷量为GJ＞ZJ＞DJ,分别为174.24、164.31、135.52 μmol/g煤,而经过H₂O₂预处理的煤在20 d后停止产气,最终产甲烷量分别为39.63、39.61、41.55μmol/g煤,比原煤产气减少了77.26%、75.89%和69.34%。随着镜质组含量的增加,经过H₂O₂处理后的煤样芳香环层片的层间距d₀₀₂、单层层片的延展度L_a和层片的堆叠度L_c减小,而芳香层数N增加,表明晶核结构变小。经过H₂O₂处理后煤芳烃碳、芳香族、C=O基团和C=C基团所占比例增加,芳环缩合度增大,含氧官能团变多。【结论】利用H₂O₂长时间处理使煤基质中较易被微生物利用的有机质结构减少,从而降低了产气能力。