CO2輔助好氧菌煤炭脫硫工藝的實驗

王瑞，劉自勇，王琪，彭翠娜，陳中合，李福利，王曉龍，楊成

（1 濟南大學化學化工學院，山東濟南250022；2 中國科學院青島生物能源與過程研究所生物燃料重點實驗室，山東青島266101；3 中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司煤基清潔能源國家重點實驗室，北京102209）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量消耗煤、石油、天然氣等不可再生能源，其燃燒產(chǎn)生的SO2、H2S 等污染性氣體，對環(huán)境、社會等造成嚴重影響。近年來，利用微生物進行煤炭燃前脫硫技術(shù)因其反應(yīng)條件溫和、價格較為便宜、有害副產(chǎn)物少等特點一直受到各國政府、產(chǎn)業(yè)界和學術(shù)界的重視[1]。

工業(yè)應(yīng)用微生物脫硫技術(shù)的關(guān)鍵難點在于，生物脫硫過程反應(yīng)周期長和適用溫度范圍窄。國內(nèi)外學者針對以上兩個難點進行了大量研究，主要研究利用氧化亞鐵硫桿菌、氧化硫硫桿菌、鐵氧化鉤端螺旋菌等除去煤中的無機硫，利用假單胞菌、大腸桿菌、埃希氏菌、紅球菌屬、芽孢桿菌屬等脫除煤中有機硫，利用硫化裂片菌屬、嗜酸熱硫化葉菌、嗜酸硫桿菌等脫除煤中無機硫和有機硫組分[2?6]。嗜 酸 氧 化 亞 鐵 硫 桿 菌 （Acidithiobacillus ferrooxidans） 及 嗜 酸 氧 化 硫 硫 桿 菌（Acidithiobacillus thiooxidans）兩菌種，Juszczak 等[7]采用A.ferrooxidans 在初始鐵離子濃度15g/dm3下脫硫反應(yīng)7d，脫除煤中硫化鐵硫，脫除率為54%，總硫脫除率為62%。Cardona等[2]采用A.ferrooxidans與A. thiooxidans 混合共培養(yǎng)技術(shù)，并在煤漿濃度10%、30℃、脫硫反應(yīng)30d 后脫除煤中硫化鐵硫達85%～95%，總硫31%～51%。Ohmura等[8?9]研究發(fā)現(xiàn)A. ferrooxidans 在H2/Fe3+、H2/S0、S0/Fe3+的厭氧呼吸模式及H2/O2的有氧呼吸模式下均可生長，且當培養(yǎng)過程中無CO2，菌種無明顯生長，說明CO2可有效為A.ferrooxidans菌種的生長提供關(guān)鍵碳源。

圍繞嗜酸氧化亞鐵硫桿菌（A.ferrooxidans）和嗜酸氧化硫硫桿菌（A. thiooxidans）混合菌群對高硫煤生物脫硫，本文較為系統(tǒng)地研究了A.ferrooxidans 和A.thiooxidans兩菌種混合共培養(yǎng)對煤炭脫硫的影響。研究探討混合共培養(yǎng)的脫硫工藝條件，構(gòu)建了CO2輔助A.ferrooxidans和A.thiooxidans協(xié)同脫硫的新工藝，探究CO2對生物脫硫效果的影響，并對CO2輔助兩菌生物脫硫反應(yīng)機理進行了探討。煤炭清潔利用是當前資源環(huán)境領(lǐng)域面臨的重大問題，CO2輔助好氧菌脫硫有望發(fā)展一條經(jīng)濟、高效的煤炭生物脫硫新工藝技術(shù)。

1 材料和方法

1.1 材料

本研究所用煤樣產(chǎn)自山西高平，將煤塊粉碎、過篩，90℃干燥24h后，放入干燥器，待用。依據(jù)GB/T 215—2003[10]、GB/T 212—2008[11]、GB/T 213—2008[12]等標準得到原煤、對照組及脫硫組煤樣的熱值、硫化鐵硫含量、工業(yè)分析與元素分析數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

由于生物脫硫產(chǎn)生的黃鉀鐵礬沉淀固定下的硫為硫酸鹽形式，脫硫前后煤樣中總硫含量有少量降低，但脫硫后氧元素明顯增加近70%，主要是煤中單質(zhì)硫與硫鐵礦FeS2轉(zhuǎn)變?yōu)镾O42?離子，這與混菌21d后無機硫的70%脫除率吻合。

1.2 培養(yǎng)基配制

實驗所用A.ferrooxidans和A.thiooxidans菌群來自山東大學微生物重點實驗室林建強老師實驗室保藏的菌株，兩菌種將分別在Starkey?S0培養(yǎng)基和9K培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，并在9K 培養(yǎng)基中混合共培養(yǎng)進行脫硫。其中10×Starkey?S0培養(yǎng)基[13]的配制：母液配制的最終濃度為(NH4)2SO4（2g/L）、KH2PO4（3g/L）、MgSO4·7H2O （0.05g/L）、FeSO4·7H2O （0.01g/L）、CaCl2·2H2O（0.25g/L），并用6mol/L HCl 調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的初始pH 為2；稱量硫粉，加入配制的1×Starkey?S0培養(yǎng)基母液中，使得最終濃度為S（4g/L）。

表1 原煤、對照組及脫硫組煤樣的熱值、硫化鐵硫含量、工業(yè)分析與元素分析

10×9K 培養(yǎng)基[2]的配制：A 液配制的最終濃度為(NH4)2SO4（30g/L）、KCl（1g/L）、K2HPO4（5g/L）、MgSO4·7H2O （5g/L）、Ca(NO3)2（0.1g/L），并 用6mol/L HCl 調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的初始pH 為2，121℃滅菌20min或0.22μm的濾膜過濾除菌；稱取FeSO4·7H2O，與配制的A 液混勻，使得最終濃度為FeSO4·7H2O（50g/L）。

1.3 脫硫?qū)嶒?/h3>

1.3.1 對照組實驗

依據(jù)10%煤漿濃度，在250mL 錐形瓶中加入10mL 10×9K 培養(yǎng)基A 液、90mL pH=2 鹽酸溶液及10g 原煤，恒溫水浴30℃下，150r/min 攪拌7d、14d、21d，同條件平行實驗3次。

1.3.2 空氣氧化環(huán)境脫硫?qū)嶒?/p>

依據(jù)10%煤漿濃度、10%接種量，在250mL錐形瓶中加入10mL 10×9K 培養(yǎng)基A 液、10mL A.ferrooxidans 原 液、10mL A.thiooxidans 原 液、70mL pH=2鹽酸溶液及10g原煤，其余同對照組實驗條件，平行實驗3次。

1.3.3 CO2氣氛輔助脫硫?qū)嶒?/p>

依據(jù)10%煤漿濃度、10%接種量，在250mL錐形瓶中加入10mL 10×9K 培養(yǎng)基A 液、10mL A.ferrooxidans 原 液、10mL A. thiooxidans 原 液、70mL pH=2鹽酸溶液及10g煤，向錐形瓶中30mL/min持續(xù)通入CO2氣體，其余同對照組實驗條件，平行實驗3次。

1.4 脫硫率測定

脫硫結(jié)束后，樣品經(jīng)8000r/min 離心5min，將離心后的固體煤樣經(jīng)90℃干燥24h后，將煤樣按1g煤∶10mL 鹽酸的比例加入0.3mol/L HCl 溶液，將煤與鹽酸的混合液60℃水浴4h，盡可能除去生物脫硫產(chǎn)物中的NH4Fe(SO4)2(OH)6黃鉀鐵礬沉淀，隨后依據(jù)GB/T 215—2003[10]中的原子吸收分光光度法測定煤中硫化鐵硫的含量。其中測得實驗所用原煤樣中的硫化鐵硫含量為0.9%～1.0%。

1.5 實驗儀器及條件

以下測試樣品均為FC?300 型粉碎機粉碎，80目篩分，90℃干燥24h處理后得到的煤樣。

S?2500 型掃描電子顯微鏡（SEM）測試條件：加速電壓為10.00kV，放大倍數(shù)分別為5000 倍和40000倍，工作距離分別為9mm和18mm。

VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）測試條件：掃描范圍為4000～450cm?1，分辨率為4cm?1，掃描次數(shù)為16 次，KBr∶樣品=100∶1，圖譜用透射率表示。

D8·FOCUS 型X 射線衍射儀（XRD）測試條件：Cu靶陶瓷管，掃描范圍為10°～80°，掃描步寬為0.04。

Thermo Fisher Scientific ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀（XPS）測試條件：X 射線源為Al靶，通過能為200eV，30eV高分辨率掃描，CAE分析模式，Large Area XL 鏡頭模式。使用C 1s（284.8eV）峰作為內(nèi)標進行校正，使用XPSPEAK軟件對S 2p、Fe 2p譜圖進行分峰擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 A. ferrooxidans & A. thiooxidans 對煤炭硫化鐵硫脫除的協(xié)同作用

在初始pH 為2、轉(zhuǎn)速150r/min、溫度為30℃、煤粒度180 目的條件下，用A. ferrooxidans、A. thiooxidans 以 及A. ferrooxidans 和A. thiooxidans混菌，分別對煤樣脫硫7d。從圖1 可以看出，A. ferrooxidans 和A. thiooxidans 兩菌種共同脫硫的硫化鐵硫脫除率達到32%，比A. ferrooxidans、A.thiooxidan 各自單菌的硫化鐵硫脫除率分別提高了5%、20%，兩種嗜酸氧化菌表現(xiàn)出一定的協(xié)同優(yōu)勢。后續(xù)實驗均采用A.ferrooxidans 和A.thiooxidans混合菌種培養(yǎng)進行煤中硫化鐵硫的脫除。

圖1 不同菌種對于煤炭生物脫硫的影響

2.2 CO2氣氛輔助微生物脫硫工藝初探

影響生物脫硫過程的主要因素有初始pH、溫度、煤漿濃度、煤粉粒度、煤中黃鐵礦的含量與分布狀態(tài)、菌種、煤種等[2]。其中煤粉粒徑、脫硫周期等對生物脫硫影響較大[5]，對這兩個工藝參數(shù)進行研究優(yōu)化具有重要價值。圖2 為保持初始pH 為2、轉(zhuǎn)速為150r/min、溫度為30℃，煤粉粒徑大小、脫硫周期對煤中硫化鐵硫脫除效果的影響。由圖可見，煤粉粒徑越小，脫硫周期越長，煤中硫化鐵硫的脫除率越高。其中，煤粉粒徑D＜0.18mm，脫硫21d時，煤中硫化鐵硫脫除率為60%左右；當煤粉粒徑D＜0.08mm，脫硫21d時，煤中硫化鐵硫脫除率比同周期煤粉粒徑D＜0.18mm 時高出約15%，脫硫率最高達到77%。

圖2 不同煤粉粒徑和脫硫周期對煤中硫化鐵硫脫除效果的影響

文獻報道，A.ferrooxidans 和A.thiooxidans 菌群能以CO2作為關(guān)鍵生長碳源[8?9,14]，并可在25～30℃和常壓下具有較高的脫硫效率。如前所述，本文作者課題組研究發(fā)現(xiàn)兩菌種混合培養(yǎng)菌群的硫脫除效果優(yōu)于單一菌種，因此采用A.ferrooxidans和A.thiooxidans進行混合脫硫研究。分別在空氣氧化環(huán)境、CO2輔助氣氛下進行為期21d 的脫硫?qū)嶒?，進一步研究CO2對煤炭脫硫的影響。圖3 為不同氣氛對煤中硫化鐵硫脫除效果的實驗數(shù)據(jù)，可以看出CO2輔助下硫化鐵硫脫除率普遍高達90%，相較于空氣氧化環(huán)境下的脫硫效果，平均提高了約20%的硫化鐵硫脫除率。這一結(jié)果表明，CO2氣氛輔助下A.ferrooxidans 和A.thiooxidans兩菌混合能夠明顯提高硫化鐵硫的脫除率。

圖3 不同氣氛對煤中硫化鐵硫脫除效果的影響

2.3 CO2氣氛輔助微生物脫硫機理分析

2.3.1 SEM表征分析

圖4為脫硫前后煤炭的SEM圖。為了更好地觀察生物脫硫?qū)γ禾课⒂^結(jié)構(gòu)的影響，采用SEM 揭示煤炭脫硫前后的表界面變化。當使用0.3mol/L HCl除去表面覆蓋的黃鉀鐵礬沉淀時，發(fā)現(xiàn)原煤表面較為平整，只出現(xiàn)少許破碎，這是由于鹽酸與煤中的黃鐵礦反應(yīng)造成少許破碎；對比發(fā)現(xiàn)，脫硫后各煤樣的表面均出現(xiàn)凹陷或不同程度的破碎情況，說明脫硫過程中微生物對煤炭表面形貌造成一定影響。隨著CO2氣氛引入到生物脫硫反應(yīng)，SEM圖顯示煤表面凹陷和破碎程度更為明顯，其中圖4(e)中煤樣表面的凹陷及破碎程度要比圖4(d)明顯得多，碎片也更為細碎，這說明CO2氣氛的引入對A.ferrooxidans 和A.thiooxidans兩種菌群的混合培養(yǎng)對煤表面形貌的影響更為顯著，CO2氣氛的引入對生物脫硫過程有較明顯的增強效果。

圖4 脫硫前后煤炭的SEM圖

2.3.2 FTIR&XRD表征分析

有文獻[15]表明黃鉀鐵礬在1188cm?1、1083cm?1和630cm?1處有特征峰。圖5 中煤樣在1200cm?1、1087cm?1和634cm?1出現(xiàn)的峰與標準黃鉀鐵礬的峰相對應(yīng)，且吸收峰的強度隨著CO2輔助氣氛的引入而 有 所 增 強， 表 明CO2對A. ferrooxidans 和A.thiooxidans 兩菌混合培養(yǎng)脫硫過程有明顯促進作用，CO2充足時將加快脫硫反應(yīng)進程。由圖6可知，A.ferrooxidans 和A.thiooxidans混合培養(yǎng)脫硫后煤樣的XRD 譜圖中可以看到黃鉀鐵礬特征峰的存在，且隨著在A.ferrooxidans和A.thiooxidans脫硫過程中引入CO2輔助脫硫，黃鉀鐵礬在28.966°、28.680°及17.408°處的衍射峰峰強度明顯增強，這與實驗結(jié)果中CO2加入后混菌脫硫率增強的趨勢相一致。

2.3.3 XPS表征分析

圖5 不同氣氛下脫硫煤樣的FTIR譜圖

圖6 不同氣氛下脫硫煤樣的XRD譜圖

表2 生物脫硫前、后煤樣表面無機硫的含量

圖7 脫硫前后煤樣的S 2p、Fe 2p譜圖

其中，163.3eV±0.4eV 為硫化物中硫的特征峰，169.5eV±0.5eV 為 硫 酸 鹽 硫 的 特 征 峰[16]。A.ferrooxidans 和A.thiooxidans兩菌對煤中硫的脫除主要集中在硫化鐵硫等無機硫的脫除，并在表2中列出了生物脫硫前后煤樣表面的無機硫含量變化。由圖7 可知，原煤的S 2p 譜圖經(jīng)擬合后有4 個峰，其中歸屬于硫化物的163.7eV、164.0eV處特征峰峰面積較大，硫酸鹽類的峰面積占比相比硫化物類的小26.5%。以原煤為基準比較兩類硫的峰面積占比發(fā)現(xiàn)，空氣氛圍下脫硫樣、CO2氣氛輔助下脫硫樣的硫酸鹽硫占比的增加與硫化物硫占比的減少之間均達到了近似平衡，且CO2氣氛輔助下脫硫煤樣表面的硫酸鹽峰面積占比明顯比空氣氛圍下脫硫煤樣的高了19%，這與本文中測得的CO2氣氛輔助下脫硫效果比空氣氧化環(huán)境下脫硫效率提高了約20%的數(shù)據(jù)相吻合。

同時，由圖7可知，F(xiàn)e3+的2p1/2、2p3/2軌道的對應(yīng)特征峰處結(jié)合能為726.5eV、713eV，F(xiàn)e2+的兩對應(yīng)特征峰較Fe3+的兩特征峰均向低場移動了2～3eV[17]。由表3 中Fe(Ⅲ)∶Fe(Ⅱ)的峰面積比可知，原煤表面幾乎沒有Fe3+存在；隨著生物脫硫的進行，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)化為Fe3+并向煤樣表面以黃鉀鐵礬形式富集，包覆在煤樣表面，阻礙微生物對煤樣內(nèi)部脫硫的繼續(xù)進行，這與文獻[2]中提及的現(xiàn)象相符合。

表3 生物脫硫前、后煤樣表面Fe價態(tài)變化

CO2氣氛輔助下脫硫煤樣表面Fe(Ⅲ)∶Fe(Ⅱ)的峰面積比明顯低于空氣氧化環(huán)境下脫硫煤樣，即CO2氣氛輔助下脫硫煤樣表面的Fe3+占比減少。根據(jù)SEM、FTIR、XRD 和XPS 的分析結(jié)果，初步發(fā)現(xiàn)在CO2氣氛輔助下微生物A. ferrooxidans 和A.thiooxidans 兩菌的混合脫硫過程中，CO2溶于水生成C使得溶液H+離子濃度變化，使得部分生成的Fe3+脫離煤表面，進入培養(yǎng)基中，從而減少煤樣表面沉淀的累積，利于微生物對煤樣內(nèi)部的脫硫反應(yīng)持續(xù)進行。

2.3.4 CO2氣氛輔助微生物協(xié)同脫硫機理探討

關(guān)于A.ferrooxidans脫硫過程中CO2的引入對脫硫的影響作用，當前報道較少且結(jié)論不盡相同[18]。圖3 可知，當在CO2氣氛輔助下脫硫21d，A.ferrooxidans 和A.thiooxidans兩菌混合脫硫率可達到90%；比較同條件下空氣氛圍脫硫的脫硫率提高了約20%，CO2氣氛輔助脫硫效果顯著，在相同脫除率下CO2氣氛的脫硫周期縮短30%。

無機硫占煤中總硫的60%～70%，大多以硫化鐵硫的形式存在。硫化鐵硫中的硫元素、鐵元素經(jīng)過復(fù)雜的多階段物理化學過程，最終轉(zhuǎn)化為硫酸及高價鐵的可溶性硫酸鹽，實現(xiàn)了硫化鐵硫的溶解脫除。目前微生物對煤中硫化鐵硫的脫除原理大致分為直接作用與間接作用兩類。其中，直接作用為微生物吸附于煤中黃鐵礦（硫化鐵硫）表面能較低的凹陷上，直接把黃鐵礦氧化成Fe3+和SO，反應(yīng)過程見式(1)、式(2)。

間接作用為微生物將溶液中Fe2+直接氧化為Fe3+，并與煤中黃鐵礦反應(yīng)，進一步生成Fe2+和H2SO4來實現(xiàn)煤炭中硫化鐵硫的去除，反應(yīng)過程見式(3)、式(4)。

大多數(shù)學者認為煤中硫化鐵硫的微生物脫除既有直接作用也有間接作用[19]。A.ferrooxidans 將Fe2+氧化為Fe3+及還原性硫化物，維持系統(tǒng)中Fe3+/Fe2+的高比率；A.thiooxidans氧化單質(zhì)硫或還原態(tài)硫化物產(chǎn)生酸，降低pH，保持溶液中的離子形態(tài)[20?21]，從而一定程度上降低了黃鉀鐵礬等在煤表面的沉淀等影響。

黃鉀鐵礬晶格中的K+常被Ag+、N、Na+、H3O+取代形成黃鉀鐵礬類礦物，已知Fe2+的氧化速率影響黃鉀鐵礬的形成，A.ferrooxidans可能是通過提高礦物表面微區(qū)內(nèi)Fe3+的供應(yīng)速度促使黃鉀鐵礬快速結(jié)晶[22]。故認為CO2在一定程度上影響礦物表面H+濃度及H3O+濃度，進而影響黃鉀鐵礬類礦物的沉積速度，減小黃鉀鐵礬沉淀在煤粒表面的吸附密度，為菌種對煤表面的下一步脫硫反應(yīng)爭取時間，使得脫硫效果提高。同時從培養(yǎng)基的配制可以發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基中只有氮源、磷源等，沒有碳源，CO2可以作為兩菌種生長的碳源。實驗結(jié)果表明引入的CO2為兩菌的生長提供了充足的碳源，兩菌生長狀況較好，提高了煤炭脫硫效果。

3 結(jié)論

本文研究發(fā)現(xiàn)，在空氣氧化環(huán)境下，A.ferrooxidans 和A.thiooxidans混合菌群表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用，比A. ferrooxidans、A. thiooxidan 各自單菌的硫化鐵硫脫除率分別提高了5%、20%。脫硫周期的延長明顯提高了煤中硫化鐵硫的脫除率，A.ferrooxidans 和A.thiooxidans混合菌群在空氣氧化環(huán)境下脫硫21d，硫化鐵硫脫除率可達70%。CO2氣氛的引入能顯著提高有氧條件下菌群的脫硫效率，脫硫21d時硫化鐵硫脫除率可達90%，比空氣氧化環(huán)境下的硫脫除率提高了約20%，在相同脫除率下CO2氣氛的脫硫周期縮短30%。初步的機理分析表明在CO2氣氛下黃鉀鐵礬沉淀在煤粒表面的吸附密度的降低是其促進脫硫的重要原因之一。本研究技術(shù)有望發(fā)展一條經(jīng)濟、高效的煤炭生物脫硫新工藝技術(shù)，促進實現(xiàn)煤炭清潔利用。

致謝：感謝山東大學微生物技術(shù)重點實驗室為本研究提供的A.ferrooxidans及A.thiooxidans菌種；感謝山東省自然科學基金委與山東省科學院聯(lián)合基金項目（ZR2016YL010）、山東國宇能源集團有限公司對本研究的支持。