Study on biogas production of low and medium rank coals by ASE extraction
生物成因煤层气作为一种重要的清洁能源，具有广泛的应用前景，在世界范围内得到了众多学者的关注［1］。 自SCOTT 提出了微生物增产煤层气技术后，相关学者［2-3］在实验室条件下模拟了煤生物成气，并取得了许多重大成果。 但微生物利用煤产甲烷受多重因素影响［4-5］，尤以微生物活性以及煤的生物可利用性的影响最为显著［6］。 PARR 等［7］通过向煤层中加入激活剂强化本源微生物，也有采用添加外源高效产甲烷菌群来提高微生物活性［8-9］。当煤中能被微生物利用的有机物浓度较低时，会造成产气初期的微生物活性不高［10］。 煤作为一种大分子有机物，分子结构复杂难以降解，会降低微生物活性。 研究［11-12］发现，预处理可破坏煤结构，提高煤的生物可利用性。 有机溶剂萃取能破坏煤中分子间的非共价键，改变煤中大分子结构［13］。
煤的萃取效果受到萃取剂与萃取条件的影响，N-甲基毗略烷酮（NMP）作为一种常见萃取剂，具有毒性低、可生物降解等优点［14-15］，常用于煤样的预处理。 相关学者［16-17］利用NMP 和CS2混合溶剂对煤样进行萃取，发现处理后的煤样中羟基含量增加，煤的大分子结构发生变化，孔隙变大，比表面积增加。 也有研究［18］发现，在230 ℃和330 ℃反应条件下，利用NMP 萃取内蒙古褐煤时，煤样的萃取效果在230 ℃下明显优于330 ℃。 萃取方式不同也会影响煤的萃取效果，加速溶剂萃取法（ASE）作为一种高效快捷的萃取方法，与传统的索氏萃取、微波辅助萃取等萃取方式相比，具有用量少、安全性好、自动化程度高等优点［19］。 目前，有机溶剂萃取在改变煤储层结构和提高煤的有效利用等方面的研究较为深入，而在煤生物成气的增效研究方面较为有限。 本研究采用ASE 萃取方式对低、中阶煤进行预处理，通过改变萃取参数，确定了最佳萃取条件。 对比分析了原煤、萃取残煤和萃余物的生物甲烷产量特征，探讨了ASE 对不同煤阶煤生物成气的增产效果。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对ASE 萃取残煤和生物成气残煤的化学结构进行了分析，研究结果对煤生物成气的增产有一定的指导意义。
试验所用原煤为郑煤（ZZ）和义马煤（YM），煤样经破碎研磨后过180 目（0.08 mm）筛，干燥后备用。 ZZ 和YM 煤经ASE 萃取后的残煤和萃余物分别用ZZ-C 和ZZ-CY 煤，YM-C 和YM-CY 煤表示，生物成气后残煤分别用ZZ-C-W 和YM-C-W 煤表示。 ZZ 和YM 原煤的工业分析和元素分析结果见表1，试验菌源为河南焦作某河流底泥中富集驯化得到的外源菌群［20］，每升营养液［21］中加入NaH2 PO41.0 g，K2HPO4 3.0 g，NH4Cl 4.0 g，Na2CO3 2.0 g，苯甲酸0.2 g，酵母提取物4.0 g，FeSO4 0.1 g。
表1 煤样的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples
工业分析／%煤样MadAadVdafFCd元素分析／%CdafHdafOdafNdafSdaf ZZ 煤1.1017.1616.7368.98 88.294.175.441.560.54 YM 煤6.7111.3042.7750.77 74.854.6319.420.950.15
分别称取ZZ 和YM 煤样20 g，使用美国戴安ASE 350 加速溶剂萃取仪进行NMP 溶剂萃取。 设置参数：萃取温度100 ℃，萃取压力1.03×103 kPa，加热时间5 min，静态萃取时间30 min，冲洗体积18 mL，净化时间90 s，循环次数3 次。 萃取结束后，旋蒸后所得萃取物与残煤在80 ℃下烘干并保存备用。
煤样萃取率的计算公式［22］为：
式中，Y 为萃取率，%；W1为萃取物的质量，g；W 为原煤质量，g。
在150 mL 玻璃瓶中分别加入100 mL 营养液、原煤5 g、萃取残煤5 g、萃余物2 g，曝气10 min 后移至厌氧工作站，加入25 mL 菌液，37 ℃恒温培养，其中控制组（KZ）不含煤。 试验周期为60 d，定期检测产气情况，测气时间点为：0、2、7、10、16、23、37、44、60 d。
1）光密度（OD）值测定。 上海大普UV-2600 紫外分光光度计，在波长300 nm 处测定吸光度［23］。
2）气体成分测定。 采用安捷伦6890 气相色谱仪测定气体成分及含量。 Carbonplot 色谱柱（30 m×320 μm×3.0 μm），以氮气为载气，尾吹气流量10.0 mL／min，TCD 检测器，柱箱温度25 ℃，进样口温度200 ℃，检测温度245 ℃，进样量50 μL。
3）FTIR 测定。 日本岛津IRPrestige-21 傅里叶变换红外光谱仪。 参数设置：分辨率4 cm-1，扫描范围为500～4 000 cm-1，扫描次数为32。
微生物主要分布在细菌域（89.8%）和古菌域（10.2%），由图1 可以看出，在细菌门类中共有5 个优势菌门，而古菌分布在3 个门，其中广古菌门（87.47%）有绝对优势。
图1 微生物群落的组成
Fig.1 Composition of microbial community
在同一温度下，随着萃取次数的增加萃取液的OD 值变化见表2。 OD 值随萃取次数的增加而降低，第10 次萃取液OD 值变化已不明显，仅占总OD 值的5%，说明煤中可萃取物质越来越少，有机物含量也相对稳定。 因此，选择萃取次数为10 次。
表2 萃取条件对OD 值的影响
Table 2 Effect of extraction conditions on OD value
OD 值萃取次数75 ℃100 ℃125 ℃150 ℃175 ℃1 1.424 22.041 82.150 52.313 32.444 0 1.249 61.394 71.458 21.459 51.656 3 3 0.859 90.812 20.929 40.987 40.969 0 4 0.735 20.693 80.768 80.649 20.778 2 5 0.662 00.667 70.649 90.724 50.646 0 6 0.622 70.640 40.618 70.543 90.617 7 7 0.582 20.595 40.566 60.500 70.575 6 8 0.569 90.553 80.525 70.488 20.521 8 9 0.521 00.498 90.503 70.468 00.493 9 100.503 70.470 70.478 90.399 10.414 0 2
从表2 可知，不同温度下萃取液总OD 值范围为7.730 4 ～9.584 7，随着温度的升高，总OD 值增大。 萃取温度过高时，对仪器有影响且能耗较高，而100 ℃条件下的总OD 值达到了8.368 4，与125 ℃和150 ℃的总OD 值相差不大。 因此，ASE 萃取温度选择为100 ℃。
研究发现，ZZ 和YM 煤的萃取率分别为1.06%、4.23%，ZZ 煤阶较高，萃取率相对较低，ASE 萃取对低阶煤的萃取效果更好。 不同煤阶煤的萃取率与煤中小分子化合物的数量、有机物赋存方式或大分子网络结构作用力有关［24-25］。
2.3.1 萃取对产甲烷的影响
利用NMP 对ZZ 和YM 煤进行萃取之后，两种煤样的原煤、萃取残煤和萃取物的降解产甲烷情况如图2 所示。 甲烷的积累释放量随着时间的增加而增加，甲烷浓度变化趋势分为3 个阶段，快速上升期（第0 ～7 天）、慢速上升期（第7 ～23 天）和抑制期（第23 天后）。 甲烷浓度变化的3 个阶段与微生物利用底物的种类及其活性有关［10，26］。
由图2 可以看出，ZZ 煤产甲烷浓度在产气停止时在65.00%～72.00%；YM 煤产甲烷浓度在产气停止时在71.00%～81.00%。 YM 煤的产甲烷浓度高于ZZ 煤，YM-C 煤的产甲烷浓度与ZZ-C 煤相差不大。从微生物成气特征可以看出，甲烷的浓度在35 d后变化不明显，出现这种情况的原因有：产生的二氧化碳或甲烷产物抑制了微生物活性；萃取残煤中能被微生物利用的物质越来越少；所产生的甲烷被一些微生物消耗掉［26］。 然而控制组与原煤、萃取残煤和萃余物的产气特征相似，说明煤的3 个产气阶段跟煤阶无关，与微生物活性是否被抑制有关［21］。 不同煤阶的萃取残煤生物产甲烷的浓度差异性不明显。
图2 煤生物产甲烷浓度的变化
Fig.2 Changes in concentration of methane produced by microorganisms from coals
2.3.2 生物气组成
原煤、萃取残煤及萃余物生物成气过程中气体组分的变化如图3 所示。 二氧化碳体积分数的变化趋势相同，产气特征均呈现出快速升高（第0 ～2天），缓慢升高（第2 ～7 天），略有降低（第7 ～10天），缓慢升高至峰值后趋于稳定（第10 天后）。 其中ZZ、ZZ-C 和ZZ-CY 煤的顶空二氧化碳体积分数介于20.00%～25.00%，YM、YM-C 和YM-CY 煤的顶空二氧化碳体积分数在24.00%～33.00%，YM 煤顶空二氧化碳体积分数明显高于ZZ 煤，这是由于YM 煤阶较低，更利于微生物利用产气。
图3 不同阶段生物气气体体积分数的变化
Fig.3 Changeofvolume fraction of biogasat different stages
二氧化碳生成情况与甲烷不同，二氧化碳体积分数的变化主要出现在快速产甲烷期，而在慢速产甲烷期内二氧化碳体积分数变化趋近于平稳状态。在成气过程中，二氧化碳体积分数在一定程度上可以反映甲烷的生成过程［2，27］。 当甲烷体积分数增加而二氧化碳体积分数降低，出现负相关关系时，表明由二氧化碳氢还原途径产生甲烷［28］。 甲烷与二氧化碳体积分数出现明显的同步性或协同性时，该阶段甲烷的生成主要由乙酸发酵途径主导［27，29］。 由图2 可以看出，第0～2 天二氧化碳作为主要产出气体，其体积分数始终高于甲烷体积分数，第2 ～7 天二氧化碳处于缓慢增长阶段，且在第7 天后突然下降，而甲烷此阶段处于快速增长期，并逐渐取代二氧化碳成为主要的产出气体，两者的含量呈反比关系，该阶段主要是通过二氧化碳还原途径产甲烷。 第10 天后，甲烷与二氧化碳的含量均处于缓慢增长阶段，出现明显的同步性，说明该阶段甲烷主要通过乙酸发酵途径产生。
2.3.3 ASE 萃取对不同煤阶煤的甲烷增产效果分析
扣除控制组气体量，原煤、萃取残煤、萃余物的生物甲烷产量结果如图4 所示。 其中ZZ、ZZ-C 和ZZ-CY 煤的甲烷产量分别为508.27、699.63、1 577.33 μmol／g，YM、YM-C 和YM-CY 煤的甲烷产量分别为769.03、927.17、1 638.61 μmol／g。
图4 原煤、萃取残煤和萃余物样品的生物甲烷产量
Fig.4 Biomethane production of raw coal， extracted residual coal and extracted residue samples
2 种煤样的甲烷产量均是萃余物＞萃取残煤＞原煤，其中ZZ-C 和ZZ-CY 煤与ZZ 煤相比甲烷产量分别提高了38%、210%；YM-C 和YM-CY 煤与YM 煤相比甲烷产量分别提高了17%、113%。 原煤经NMP 萃取后其结构发生变化，煤的比表面积与孔隙均增大［25］，提高了微生物与煤的接触面积，表现出萃取残煤的甲烷产量高于原煤。 萃余物与萃取残煤相比，所含能被微生物直接利用的有机质含量高，从而提高了产甲烷效率［30］。 因此，煤样经NMP 溶剂萃取后，生物甲烷产量明显提高。
YM、YM-C 和YM-CY 煤的甲烷产量比ZZ、ZZ-C 和ZZ-CY 煤分别高出了51%、33%和4%。 可以看出，ZZ-CY 与YM-CY 煤的甲烷产量相差不大，而YM 和YM-C 煤的甲烷产量要分别高于ZZ 和ZZ-C 煤。 这是由于随着煤阶的升高，煤中的含氢氧侧链逐渐减少，微生物可利用成分降低［6］，YM 煤阶相对较低，所以产甲烷效果更好。
原煤、萃取残煤和成气后残煤的红外光谱图如图5 所示。 原煤、萃取残煤和成气后残煤的红外光谱图在3 050 ～2 800、2 500 ～2 300、1 800 ～1 500、1 500～1 350、910～850 cm-1处发生变化。
图5 原煤和残煤的红外光谱分析
Fig.5 FTIR analysis of raw coal and residual coal
采用OMNIC 对红外图谱进行分峰拟合，根据各官能团的峰面积计算其所占比例，结果见表3。
表3 不同煤中官能团的相对含量
Table 3 Relative content of functional groups in different coals
官能团相对含量／%样品C ＝C羧基芳烃脂烃羧酸盐ZZ 煤——42.47—57.53 ZZ-C 煤23.928.6110.5737.2919.61 ZZ-C-W 煤25.65—49.87—24.48 YM 煤9.4415.300.4558.1716.64 YM-C 煤33.5218.65—30.8117.02 YM-C-W 煤34.76—6.6847.6310.93
不同煤中部分官能团的相对含量发生了变化。原煤经ASE 萃取后其结构被破坏，碳碳双键含量增加与部分芳环被打开有关，羧基含量增加与羰基和羟基结合后形成羧基有关。 萃取残煤在生物成气后，残煤中羧基含量呈减少趋势，与微生物利用有关，羧基氧化生成的氢气可作为电子供体用于还原甲基基团生成甲烷［6］。
1）ASE 萃取对不同煤阶煤的最佳条件是温度为100 ℃，萃取次数为10 次。 低阶煤的萃取效果优于中阶煤，萃取率为4.23%。
2）从不同煤阶煤的产甲烷效果来看，萃取残煤与萃余物的生物甲烷产量均高于原煤。 ZZ-C 和ZZ-CY煤比ZZ 煤的生物甲烷产量提高了38%和210%；YM-C 和YM-CY 煤比YM 煤提高了17%和113%。 ASE 萃取显著提高了低、中阶煤生物产甲烷效果，对中阶煤的生物甲烷产量的增效更明显。
3）ASE 萃取破坏了煤中化学键，原煤经ASE 萃取后其芳环被打开，碳碳双键和羧基含量增加；生物成气后煤中脂烃和羧基含量减少，与微生物利用有关。
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