超臨界CO2萃取提高褐煤生物甲烷產(chǎn)氣模擬實(shí)驗(yàn)

張宇杰，郭紅光，李治剛 ，梁衛(wèi)國

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

SCOTT在1999年提出通過將厭氧微生物種群及其所需營養(yǎng)物質(zhì)注入煤層[1]，利用微生物能夠降解煤產(chǎn)甲烷的特性來實(shí)現(xiàn)煤層氣的增產(chǎn)，即微生物增產(chǎn)煤層氣(MECBM)[2-3]。國內(nèi)外已對(duì)生物成氣過程所涉及的厭氧發(fā)酵理論形成初步認(rèn)識(shí)[4-5]。然而，煤結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含有大量微生物難以降解和利用的有機(jī)物，導(dǎo)致生物利用度較低[6]。

目前，多種預(yù)處理手段被用于提高煤中有機(jī)物的生物利用度，以優(yōu)化微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)[7-8]。數(shù)值模擬顯示水力壓裂可通過改善煤層滲透性、增強(qiáng)微生物在煤層中的擴(kuò)散，提高生物甲烷產(chǎn)量達(dá)500%[9]。H2O2以其強(qiáng)氧化性、產(chǎn)物綠色等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于溶解煤以提高煤的生物利用度，并表現(xiàn)出較好甲烷增產(chǎn)效果[10]。此外，白腐真菌預(yù)處理也被證明能夠有效改變煤的有機(jī)結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)生物對(duì)煤的降解[11]。

多年來，超臨界CO2(ScCO2)萃取技術(shù)因其環(huán)保、萃取物純度高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛用于混合物中活性化合物的提取[12]。已有研究顯示，ScCO2也能夠萃取煤中脂肪類和芳香類等有機(jī)成分[13-14]，并且萃取過程中所產(chǎn)生的溶脹作用和非共價(jià)鍵破壞會(huì)導(dǎo)致小分子有機(jī)物從煤的大分子結(jié)構(gòu)中分離出來[15]，從而增加微生物可利用有機(jī)物的總量。此外，ScCO2作用下，煤的孔隙連通性得到改善[16]。與其他預(yù)處理技術(shù)相比，ScCO2已成功應(yīng)用于煤層氣增產(chǎn)(ScCO2-ECBM)，這進(jìn)一步增加了ScCO2預(yù)處理提高生物甲烷產(chǎn)生的可行性。由此，筆者以褐煤為研究對(duì)象，就相關(guān)問題開展了模擬實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣與菌群

實(shí)驗(yàn)用煤樣為內(nèi)蒙古寶日希勒褐煤，煤樣采出后密封保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室將煤樣破碎研磨至0.18～0.25 mm(60～80目)，在干燥箱中105 ℃烘干至恒重，然后真空密封包裝放置在防潮箱中保存。原煤工業(yè)分析按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212—2008進(jìn)行(表1)。實(shí)驗(yàn)所用菌群富集自沁水盆地煤層氣井產(chǎn)出水，該菌群能夠降解煤并產(chǎn)生甲烷，最佳生長溫度為 35 ℃，生長周期為21 d[17]。

表1 褐煤基礎(chǔ)信息Table 1 Basic information of lignite

1.2 ScCO2萃取實(shí)驗(yàn)

使用ScCO2萃取裝置對(duì)煤樣進(jìn)行萃取。為了研究溫度和壓力條件對(duì)褐煤產(chǎn)生甲烷的影響，選取3種溫度(40，60，80 ℃)和3種壓力(10，15，20 MPa)條件進(jìn)行萃取正交實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)萃取100 g煤樣，萃取時(shí)間為4 h。萃取結(jié)束后，將萃余煤取出并封存，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。使用色譜級(jí)二氯甲烷(DCM)收集萃取物，用于GC-MS分析，并對(duì)萃取率進(jìn)行計(jì)算[18]。

1.3 生物降解產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基包括基礎(chǔ)培養(yǎng)基、微量元素溶液、維生素溶液、半胱氨酸-硫化鈉溶液，各營養(yǎng)液具體配比同文獻(xiàn)[19]。

煤樣厭氧降解實(shí)驗(yàn)步驟：以煤為惟一碳源，稱取1 g煤粉加入?yún)捬跗?，一?份。以不添加煤為空白組。在厭氧操作箱內(nèi)，在厭氧瓶中加入23 mL滅菌水，3 mL菌液，3 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基，0.15 mL維生素，0.15 mL微量元素，0.6 mL半胱氨酸-硫化鈉溶液。35 ℃恒溫培養(yǎng)。

萃取物厭氧降解實(shí)驗(yàn)步驟：以萃取物為惟一碳源，抽取0.5 mL萃取物加入10 mL厭氧管，一式3份，并通過氮吹除去多余的CH2Cl2。以添加不添加萃取物為空白組。在厭氧操作箱內(nèi)，在厭氧管中加入2.3 mL滅菌水，0.3 mL菌液，0.3 mL基礎(chǔ)培養(yǎng)基，0.015 mL維生素，0.015 mL微量元素，0.06 mL半胱氨酸-硫化鈉溶液。35 ℃恒溫培養(yǎng)。

利用氣相色譜儀(GC112A)在第0，3，7，14，21天檢測(cè)厭氧瓶和厭氧管頂部空間中的甲烷濃度。

1.4 非超臨界CO2處理實(shí)驗(yàn)

選擇0.1 MPa和5.0 MPa壓力并結(jié)合萃余煤厭氧降解實(shí)驗(yàn)中所確定的最佳溫度，使CO2處于氣態(tài)。選擇20 ℃，結(jié)合萃余煤厭氧降解實(shí)驗(yàn)中所確定的最佳壓力，使CO2處于液態(tài)。操作流程與ScCO2萃取實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)非超臨界CO2處理殘煤進(jìn)行封存，用于生物降解實(shí)驗(yàn)。

1.5 有機(jī)溶劑萃取實(shí)驗(yàn)

用色譜級(jí)DCM溶劑萃取原煤和ScCO2萃余煤。稱量10 g煤樣放入150 mL燒杯，加入100 mL的DCM，以500 r/min轉(zhuǎn)速磁力攪拌4 h。攪拌后所得混合物采用0.7 μm的濾膜進(jìn)行抽濾。殘煤在105 ℃條件下烘干后，密封保存，用于厭氧降解實(shí)驗(yàn)；過濾所得萃取液用于GC-MS分析。

光線從背后照過來，葉曉曉半躺在一張貴妃榻上，右手支著頭，左手順著身體輕輕撫在髖骨上，頭微揚(yáng)。光線打在臉上，鍍上了一層柔和的小麥色光芒，身體的調(diào)子半明半暗，立體感很強(qiáng)，光潔如玉的身體因?yàn)榍啻汉惋枬M微微發(fā)出潤澤的光芒。

1.6 有機(jī)物成分測(cè)定

在萃取液中加入足量無水硫酸鈉，4 ℃放置12 h。上清液經(jīng)旋蒸和氮吹，濃縮至2 mL。采用Agilent 7890B-5977B氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀上分析萃取物化學(xué)成分。用99.999%的氦氣作為載氣，載氣流速30 mL/min。升溫程序?yàn)椋撼跏紲囟?0 ℃，保持3 min，先以10 ℃/min的速率升至110 ℃，隨后以4 ℃/min的速度升至240 ℃。通過自動(dòng)和手動(dòng)檢索，將GC-MS中化合物與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST 08)數(shù)據(jù)庫對(duì)比，進(jìn)行鑒定。

1.7 孔隙參數(shù)測(cè)定

低溫液氮等溫吸附實(shí)驗(yàn)采用美國邁克儀器公司ASAP2460型物理吸附儀。溫度為-196 ℃，相對(duì)壓力在0.01～0.99。通過p/p0= 0.99的單點(diǎn)吸附測(cè)定孔容，根據(jù)DFT模型計(jì)算孔隙分布，BET 理論計(jì)算比表面積[20-21]。采用國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)提出的孔徑劃分方案[21]：微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 萃余煤產(chǎn)氣分析

不同煤樣間的甲烷生成曲線呈相同趨勢(shì)(圖1)。在3～7 d，甲烷產(chǎn)量上升迅速，在15 d左右?guī)缀踹_(dá)到平衡(圖1(a))。其中，原煤甲烷累計(jì)產(chǎn)量為132.91 μmol/g 煤，空白組甲烷產(chǎn)量幾乎為0。不同溫壓條件處理后的萃余煤甲烷產(chǎn)量均比原煤有不同程度的增加(圖1(b))。萃取溫度為60 ℃和80 ℃時(shí)，萃取壓力對(duì)于產(chǎn)氣的影響不大。萃取溫度為40 ℃時(shí)，甲烷產(chǎn)量隨萃取壓力變化波動(dòng)較大，其中40 ℃-10 MPa下的甲烷產(chǎn)量最大，達(dá)245.46 μmol/g煤，比原煤增加了約84.68%。

圖1 原煤及萃余煤的甲烷生成曲線及累積甲烷產(chǎn)量Fig.1 Methane production curves and accumulated methane yields of raw coal and extracted coal

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，ScCO2萃取能夠促進(jìn)微生物降解褐煤、提高生物甲烷產(chǎn)量。

2.2 非超臨界CO2處理殘煤產(chǎn)氣分析

對(duì)比煤的非超臨界CO2處理實(shí)驗(yàn)，分析溫度、壓力以及ScCO2萃取對(duì)甲烷生成的影響。實(shí)驗(yàn)溫度壓力組合分別為40 ℃-5 MPa，40 ℃-0.1 MPa，20 ℃-10 MPa，分別使CO2處于氣態(tài)和液態(tài)，對(duì)原煤進(jìn)行處理。圖2顯示，非超臨界CO2處理殘煤的累積甲烷產(chǎn)量在137.34～160.15 μmol/g煤。與原煤相比，溫度和壓力對(duì)煤的生物降解產(chǎn)甲烷量影響較小。但非超臨界CO2處理殘煤的產(chǎn)甲烷量遠(yuǎn)低于ScCO2萃余煤甲烷產(chǎn)量。因此，ScCO2的獨(dú)特性質(zhì)是提高甲烷產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。

圖2 原煤、最佳產(chǎn)氣條件ScCO2萃余煤及非超臨界CO2 處理殘煤的甲烷生成曲線及累積甲烷產(chǎn)量Fig.2 Methane production curves and accumulated methane yields of raw coal,treated coals under optimal ScCO2, and non-supercritical conditions

2.3 萃取物產(chǎn)氣能力分析

2.3.1萃取物成分分析

選取最佳產(chǎn)氣條件40 ℃-10 MPa和最佳萃取條件80 ℃-20 MPa下的萃取物進(jìn)行GC-MS分析。在40 ℃-10 MPa萃取物中檢測(cè)到20種化合物，在80 ℃-20 MPa萃取物中檢測(cè)到14種化合物(表2)。芳香族化合物是煤中的主要有機(jī)化合物，其含量在萃取物中最高。微生物能夠?qū)⑸锟衫玫姆枷阕寤衔镞M(jìn)一步轉(zhuǎn)化為脂肪族化合物，并逐漸將其降解為低分子量有機(jī)物，供產(chǎn)甲烷菌使用[22-23]。在40 ℃-10 MPa萃取物和80 ℃-20 MPa萃取物中均觀察到鄰苯二甲酸二辛酯(DEHP)，屬單環(huán)含氧芳香類化合物，分別占71.49%和49.74%。JONES等[24]基于前人研究繪制了生物甲烷產(chǎn)生樹狀圖，指出在微生物的發(fā)酵作用下單環(huán)芳香類化合物可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為微生物易于利用的脂肪類小分子化合物。同時(shí)，已有研究發(fā)現(xiàn)隨著培養(yǎng)時(shí)間增長，含氧芳香化合物逐漸減少，含氧化合物是微生物降解的主要目標(biāo)[25]。此外，樣品中還檢測(cè)到長鏈和中鏈烷烴，通常認(rèn)為更容易被微生物利用[26]。因此，ScCO2從煤中萃取出的有機(jī)物可以被微生物降解，產(chǎn)生甲烷。

表2 40 ℃-10 MPa和80 ℃-20 MPa條件下褐煤的萃取物成分

2.3.2萃取物產(chǎn)氣分析

對(duì)40 ℃-10 MPa和80 ℃-20 MPa的萃取物進(jìn)行厭氧降解產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。萃取物產(chǎn)氣在10 d左右達(dá)到平衡，比煤樣提前3～5 d，說明產(chǎn)甲烷菌群對(duì)于萃取物的利用更迅速，這可能是因?yàn)楸惠腿〕鰜淼挠袡C(jī)物增大了與微生物的接觸面積，提高了生物利用度。2種溫壓條件下萃取物最大產(chǎn)甲烷量分別為4.91 μmol/mL和3.37 μmol/mL，比空白對(duì)照組高出1～2倍，說明萃取物能夠被微生物利用產(chǎn)生甲烷。結(jié)合萃余煤產(chǎn)氣結(jié)果，說明ScCO2萃取對(duì)微生物降解產(chǎn)甲烷具有顯著增強(qiáng)作用。

圖3 40 ℃-10 MPa和80 ℃-20 MPa下萃取物的甲烷產(chǎn)量Fig.3 Methane production of extracts under 40 ℃-10 MPa and 80 ℃-20 MPa

2.4 萃余煤中生物可利用有機(jī)物分析

2.4.1萃取率

從表3中看出，各組樣品的ScCO2萃取率普遍不高，這與以往研究結(jié)果[27]一致。雖然ScCO2可以削弱煤中有機(jī)物分子間作用力，打破共價(jià)鍵，導(dǎo)致小分子有機(jī)物從煤的大分子結(jié)構(gòu)中分離出來[28-29]，但ScCO2攜帶的有機(jī)物很可能再次吸附在煤基質(zhì)上，因此最終只有少量有機(jī)物與煤分離[30-31]，導(dǎo)致檢測(cè)到的萃取率較低。而大量被ScCO2作用的有機(jī)物仍殘留在萃余煤中，有利于微生物降解，導(dǎo)致萃余煤產(chǎn)氣量顯著提高。

表3 不同溫壓下ScCO2對(duì)褐煤的萃取率

2.4.2DCM二次萃取結(jié)果分析

DCM作為一種萃取能力較強(qiáng)的有機(jī)溶劑，被廣泛用于煤的萃取實(shí)驗(yàn)中。為了驗(yàn)證萃余煤中確實(shí)仍殘留有大量可供微生物降解的有機(jī)物，使用DCM對(duì)

40 ℃-10 MPa和80 ℃-20 MPa下的萃余煤進(jìn)行二次萃取，命名為40-10-D和80-20-D。結(jié)果顯示，所有DCM萃余煤微生物降解產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)組的甲烷產(chǎn)量不超過5 μmol/g煤(圖4)，說明DCM已將煤中生物可利用有機(jī)物全部萃取，導(dǎo)致生物無法利用萃余煤。

圖4 DCM萃余煤的累積甲烷產(chǎn)量Fig.4 Accumulated methane production of residual coal extracted by DCM

在40-10-D和80-20-D萃取物中分別檢測(cè)到48種和39種有機(jī)物，種類多于ScCO2萃取物，且大多有機(jī)物為脂肪族化合物、烴類化合物和含氧化合物(圖5)，這些化合物被認(rèn)為是更容易被微生物降解利用的有機(jī)物[24,32]。研究結(jié)果證明，經(jīng)過ScCO2萃取后，萃余煤中仍然含有大量微生物可利用有機(jī)物。

2.5 ScCO2萃取對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)原煤和萃取煤進(jìn)行了氮?dú)馕綔y(cè)試，以闡明ScCO2萃取對(duì)煤物理結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，褐煤的孔隙結(jié)構(gòu)主要由介孔(0.016 10 cm3/g)和大孔(0.008 19 cm3/g)組成，而微孔(0.000 323 cm3/g)極少(圖6)，這與前人研究結(jié)果[33]一致。原煤比表面積和總孔容分別為4.222 7 m2/g和0.025 5 cm3/g。

圖6 ScCO2萃取對(duì)于煤的孔隙結(jié)構(gòu)的影響Fig.6 Effect of ScCO2 extraction on the pore structure of coal

萃余煤比表面積和總孔容分別為3.337 1 m2/g和0.017 6 cm3/g。經(jīng)過ScCO2處理，萃余煤微孔(0.000 294 cm3/g)、介孔(0.011 367 cm3/g)和大孔(0.005 387 cm3/g)的孔容均有不同程度的下降，導(dǎo)致總孔容下降約30.94%，比表面積下降約20.97%。GATHITU等[34]研究了ScCO2與褐煤的相互作用，發(fā)現(xiàn)微孔和介孔比表面積均減??；對(duì)原煤和ScCO2萃余煤脫氣處理以消除雜質(zhì)等阻塞效應(yīng)后，發(fā)現(xiàn)ScCO2萃余煤微孔比表面積反而大于原煤脫氣后的煤樣。因此，ScCO2處理后孔隙體積和比表面積降低的原因，一方面是由于ScCO2吸附引起的煤基體膨脹所致[35]，另一方面可能是由于萃取有機(jī)物在煤體中再吸附產(chǎn)生的堵孔效應(yīng)。

姜仁霞等[36]探討了煤的ScCO2萃取機(jī)理，認(rèn)為ScCO2萃取過程涉及有機(jī)小分子的溶解、有機(jī)小分子隨ScCO2的擴(kuò)散以及ScCO2的吸附作用。因此，ScCO2所溶解的有機(jī)物在煤中的運(yùn)移、滯留，從而影響煤的孔隙結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

(1)不同溫壓條件下ScCO2萃余煤甲烷產(chǎn)量均高于原煤。40 ℃-10 MPa條件下萃余煤甲烷產(chǎn)量最大，為245.46 μmol/g煤，比原煤甲烷產(chǎn)量高出84.68%。萃取物中含有大量微生物可利用組分，產(chǎn)氣實(shí)驗(yàn)證實(shí)其可被菌群利用產(chǎn)甲烷。由此說明，ScCO2萃取作用能夠促進(jìn)微生物降解，從而顯著提高煤層氣產(chǎn)量。

(2)氣態(tài)和液態(tài)CO2處理殘煤的甲烷產(chǎn)量略高于原煤而顯著低于ScCO2萃余煤，說明ScCO2的獨(dú)特性質(zhì)是促進(jìn)微生物增產(chǎn)煤層氣的關(guān)鍵因素。

(3)ScCO2萃取率較低，小于2%。對(duì)ScCO2萃余煤進(jìn)行DCM二次萃取，殘煤厭氧降解后幾乎無甲烷生成。且DCM萃取物中含有豐富的有機(jī)物。說明ScCO2萃取有機(jī)物在煤中大量滯留，導(dǎo)致萃余煤的產(chǎn)氣量顯著提高。

(4)ScCO2引起的萃取有機(jī)物運(yùn)移、吸附和煤基質(zhì)溶脹導(dǎo)致萃余煤的總孔容和比表面積降低。