氧化还原电位对低煤阶煤生物甲烷生成的影响

氧化还原电位（Eh）是煤层生物甲烷生成的重要控制因素之一。为了解其对煤层生物甲烷产出的影响以及产甲烷的动力学过程，在实验室采用-102 mV、-153 mV、-208 mV、-284 mV、-315 mV这5个氧化还原电位值，对河南义马低煤阶煤样品进行了生物甲烷模拟产出实验，采用气相色谱仪对不同反应阶段生成气体的成分及生成量进行检测，同时对菌种源中微生物进行培养计数。结果表明：①不同Eh条件下的实验均有甲烷的生成，氧化还原电位较低时产甲烷菌的繁殖更加快速，在-284 mV时生物甲烷的浓度最大，-102 mV时最小；②通过平板计数法，分析了产甲烷过程和细菌生长动力学机理--整个产甲烷生成过程也是微生物生长代谢的过程，间接证明了产气量大小变化的原因。结论认为，Eh对于煤层生物甲烷的生成具有重要的控制作用。     

二氧化氯作用后煤结构~(13)C-NMR的变化特征

选择五种不同变质程度的煤样,分别测试二氧化氯作用前后的13C-NMR谱,并对比其变化特征.结果表明,二氧化氯作用后煤中化学活性较高的脂族碳基团因部分转化为较稳定的其他基团而导致含量减少,含氧官能团含量有所降低,稳定的羧基碳和羰基碳含量增加,芳香烃中不饱和烃键以及芳香环上的醚氧键断裂,部分芳香环被打开,芳香度降低.研究结果为揭示二氧化氯对煤储层吸附能力和渗透率影响机理提供了实验支撑.     

煤发酵制生物氢和甲烷的模拟实验

为查明煤发酵制生物氢和甲烷,以及连续发酵产氢产甲烷的最佳产气条件,以河南省鹤壁四矿的瘦煤为发酵底物,分别利用自主研发的产氢培养基和产甲烷培养基富集地层水中的混合菌群,并以其为接种物,分析了在不同条件下生物氢气和生物甲烷的生成量,并利用发酵产氢后的废料为基底,使用不同方法进行处理,研究了生物甲烷的生成量。实验结果表明:①发酵产氢最适宜的初始pH值在6.0左右;②金属离子络合剂EDTA二钠可显著提高氢气产率,当EDTA二钠浓度为2.0g/L时,氢气产率达到最大值;③产甲烷发酵时,将白腐菌液和富集培养后的地层水菌液同时作为接种物时的甲烷产率最高;④向产氢后的废料中补加碱液以及新鲜地层水,均可实现废料再生甲烷,且直接补碱液时的甲烷产率更高;⑤相比于单独发酵产甲烷工艺,连续产氢产甲烷工艺可获得更高的甲烷浓度和甲烷产率。该成果为微生物采煤技术提供了实验依据。     

不同煤阶煤的发酵制氢研究

文章以不同煤阶煤发酵产氢实验为基础,对比分析了不同煤阶煤的产氢能力和降解率,记录了不同煤阶煤发酵过程中产气量和气体组分的变化情况,并对发酵过程中发酵液的pH值和挥发性脂肪酸浓度进行了分析。分析结果表明:随着煤阶的升高,煤样的产氢能力逐渐下降,长焰煤的产气量和降解率均最高,而无烟煤基本不产气;煤阶越高,发酵系统进入产气高峰期的时间越晚,产气持续时间也越短;随着发酵的进行,各煤样发酵液的pH值均有所下降,且煤阶越低,发酵结束时发酵液的pH值越小,且pH值的变化较产气量变化有所提前;发酵产氢结束后,煤样的挥发分和固定碳含量均出现了不同程度的减少,长焰煤中两者的减少程度均高达20%;在发酵产气过程中,长焰煤生成的挥发性脂肪酸浓度最高,对应的发酵时间也较高阶煤有所提前。     

不同水解菌及复合菌剂对长焰煤作用特征

煤制生物气过程主要依靠细菌和古细菌的共同作用完成,产气是目的,煤的底物利用率是关键。而水解是整个发酵过程的限速步骤,关系到煤的水解率及降解率,水解细菌作为煤制甲烷厌氧发酵过程的重要功能菌群,研究优势水解菌种的特征降解功能具有特殊重要意义。以水解过程中的细菌为研究对象,分析各单一菌种及复合菌剂对煤的降解特征,并探讨菌种间的共轭关系,结果如下：不动杆菌和假单胞菌联合降解后在进行产气的样品,其总产气量最高为19.86 mL/g,假单胞菌处理后的样品其总产甲烷量最高,总产甲烷量为10.78 mL/g;不动杆菌和假单胞菌联合降解,其降解特征与不动杆菌降解功能相似;不动杆菌和多粘类芽孢杆菌联合降解,失去对羧酸中OH键和单邻芳香C—H键降解能力;假单胞菌和多粘类芽孢杆菌联合降解,减弱了对羧酸中OH键、单邻芳香C—H键的降解能力;假单胞菌降解后的煤样其比表面积和总孔容降低程度最大,分别降低了16.478 m²/g和0.284 cm³/g。经不同菌剂降解后介孔和大孔平均孔径普遍增大,而微孔最可几孔径普遍减小。本研究为提高煤的水解率和最终的产甲烷能力提供支撑。     

瘦煤制取生物甲烷过程模拟实验研究

在实验室条件下模拟煤层生物甲烷生成过程。采用红外光谱法、气相色谱法及X-射线衍射法对实验结果进行处理分析。结果显示：（1）在反应过程中,煤微晶层片直径La、层片堆砌高度Lc、层片间距d002和层片数Nc均有所降低;氢键力逐渐减弱,有氧官能团含量发生不同程度的减少。（2）反应过程中产出了乙醇、乙酸和丁酸3种有机物,并随着反应进行逐渐被消耗。（3）反应液pH值呈现先下降后上升的趋势,最终维持在8.4左右至反应结束。由此可得,CO2还原是生物甲烷生成的主要途径,乙酸发酵在前期对生物甲烷的生成贡献较小。     

不同煤阶煤的微生物增透效果和机理分析

为研究不同煤阶煤的微生物增透效果及其机理,采集不同煤样进行生物甲烷模拟实验,并分别采用光学显微镜、压汞仪、FTIR和XRD进行测试,对比分析煤在生物甲烷代谢前后的表面孔裂隙、孔隙结构、官能团和微晶结构的变化特征。实验结果表明:生物甲烷代谢后煤光片的表面裂隙数量、长度和宽度增加;煤样孔容显著增加,孔隙连通性增强,孔隙结构得以改善,而孔比表面积降低;煤的含氧官能团增多,芳香环部分被打开,并在断裂处引入羟基,其含量也相应增加;芳香核层间距d002增加,芳香层数Nc、堆砌度Lc和延展度La相应减小。微生物不仅能利用煤作为碳源代谢产生甲烷以增加煤层气资源量,还可以改善煤的孔隙结构,有利于提高储层渗透性,同时降低了煤的比表面积,从而有利于煤层气解吸。     

不同厌氧发酵工艺对煤制氢的影响

以沙曲矿焦煤为发酵底物,以同矿区矿井水中的菌种及实验室保存的白腐菌为投加菌种,研究在35℃,初始pH为6.5,无光照和厌氧条件下不同发酵工艺对煤发酵制氢的影响.结果表明,在所设条件下,H2的体积分数最高可达73.7%,产率可达23.56mL/g;未添加白腐菌液样品的H2产率是添加了白腐菌液样品的1.5～6倍;其他条件相同,提前4d富集矿井水中的发酵产氢菌可以将H2产量从0.44mL提高到466.34mL;在富集矿井水中发酵产氢菌时添加EDTA二钠要比富集完之后再补加的H2产率高2～10倍.可见煤通过微生物作用完全可以制取更加洁净的能源——氢.     

煤中显微组分对生物甲烷代谢的控制效应

煤的生物产气过程受诸多因素的影响,为探讨煤自身显微组分对生物甲烷生成的控制效应,采集了河南义马千秋煤矿的长焰煤和山西大同泉岭煤矿的气煤,通过人工手选法以及浮沉分离法对两种煤样进行了显微组分富集和分离,利用从矿井水中提取的本源菌群与相应的显微组分进行生物甲烷代谢模拟实验,以产气总量、CH4生成量、CH4浓度及反应液p H值变化等指标来评价产气效果。实验结果表明:1镜质组富集煤样生物产气总量、CH4生成量、CH4浓度和反应液p H值变化幅度最高,而惰质组富集煤样最少,原煤则居中;2不同显微组分开始大量产气时间在18~30 d,产气高峰在20~35 d,镜质组产气高峰滞后于原煤和惰质组;3煤样H/C原子比与生物产气效果具有一致性,同煤阶镜质组以及富氢、高H/C原子比煤种具有较高的生物甲烷产气潜力。该研究成果可为我国煤层生物产气先导试验区块优选提供理论指导。