光催化預處理對秸稈暗發(fā)酵產(chǎn)氫性能的影響研究

張靖楠,錢思桐,昌行行,高馨蕊,馬浩錕,徐清萍,張志平,宋麗麗,楊旭,魏濤

(鄭州輕工業(yè)大學 食品與生物工程學院,河南 鄭州,450002)

面對全球氣候變暖、自然災害頻發(fā)等環(huán)境問題,倡導“低碳生活”,發(fā)展“低碳經(jīng)濟”已經(jīng)成為全球共識[1]。氫能被認為是一種清潔能源,具有燃燒熱值高、無污染、零排放等優(yōu)勢[2]。

我國作為糧食大國,每年的秸稈數(shù)量龐大,但利用率較低。秸稈中含有豐富的纖維素和半纖維素,可以為生物燃料的轉(zhuǎn)化提供充足的碳源。暗發(fā)酵產(chǎn)氫是農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用的理想途徑,具有產(chǎn)氫速率高、工藝簡單和可利用底物范圍廣等優(yōu)勢[3]。如能將秸稈類生物質(zhì)應用于暗發(fā)酵產(chǎn)氫,不僅提高了廢棄秸稈的利用效率,還獲得了清潔氫能。然而,秸稈中的纖維素和半纖維素通常被木質(zhì)素包裹,形成致密的異質(zhì)結(jié)構(gòu)[4],很難被微生物直接利用,通常需要進行預處理。傳統(tǒng)的預處理方法能耗高,會腐蝕反應器,并可能產(chǎn)生微生物生長抑制物等[5]。因此,尋找綠色、高效的預處理方法,是提高農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈能源化利用的關鍵。

TiO2因具有良好的生物和化學惰性、高的介電常數(shù)和催化活性,被廣泛用于光催化體系[6],但是其易團聚、電子空穴復合率高的缺點也限制了其應用。生物炭是負載光催化劑的優(yōu)良載體。因此,將生物炭與TiO2進行復合,可有效改善TiO2的光催化性能。如ZHANG等[7]將負載在椰殼生物炭上的TiO2應用于活性艷藍KN-R的脫色,在60 min內(nèi)脫色效率達到99.71%。WU等[8]發(fā)現(xiàn)TiO2生物炭、聚二甲基硅氧烷復合材料,在可見光下對羅丹明B的降解率達85.12%。少數(shù)研究者將光催化技術應用于生物質(zhì)秸稈預處理取得了較好的效果。如SABEEH等[9]采用TiO2納米粒子對秸稈進行光催化預處理并進行產(chǎn)甲烷發(fā)酵,結(jié)果顯示在TiO2質(zhì)量濃度為0.25 g/L時,光催化秸稈的甲烷產(chǎn)率提高了36%。目前,有關光催化秸稈類生物質(zhì)發(fā)酵制氫的有用信息仍較為匱乏。

基于上述問題,本文制備了TiO2/BC復合材料用以對秸稈進行光催化預處理,并以暗發(fā)酵產(chǎn)氫量為指標,采用響應面優(yōu)化法考察了不同生物炭摻雜比例、催化劑濃度和光催化體系pH對秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的影響。運用掃描電鏡、傅里葉紅外變換光譜(Fourier transform infrared spectrometer, FT-IR)、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)等對復合催化劑和秸稈樣品進行結(jié)構(gòu)表征分析,從而解析光催化對秸稈降解和發(fā)酵產(chǎn)氫的影響機制。以期為秸稈類生物質(zhì)資源化利用提供思路和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米秸稈取自南陽市農(nóng)田,自然風干后粉碎至80目;牛糞堆肥作為菌源,取自鄭州市新鄭奶牛場,使用前采用微波輻射預處理5 min以抑制耗氫菌[10-11]。鈦酸丁酯,天津市科密歐化學試劑有限公司;冰乙酸、無水乙醇,天津市富宇精細化工有限公司;葡萄糖及其他試劑均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

高壓汞燈(175 W),上海元緣器材有限公司;JSM-6490LV掃描電子顯微鏡,日本Rili公司;D8 Advance X射線衍射儀、Vertex 70傅里葉紅外變換光譜儀,德國Bruker公司;ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜儀,美國Thermo Fisher公司;Agilent-7890B氣相色譜儀、7820A氣相色譜儀,美國Agilent公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 催化劑的制備

1.3.1.1 生物炭的制備

以80目的玉米秸稈為原料,通過高溫熱解、酸洗(去除表面灰分、焦油等物質(zhì))、水洗、干燥制得的。

1.3.1.2 生物炭-TiO2復合催化劑的制備

利用溶膠-凝膠法制備。將10 mL鈦酸丁酯,30 mL無水乙醇,1 mL冰乙酸加入燒杯中,在磁力攪拌器上攪拌30 min后,加入一定量的生物炭,繼續(xù)攪拌40 min。攪拌同時緩慢滴入10 mL無水乙醇和1.3 mL去離子水的混合溶液。滴加完畢后,繼續(xù)攪拌40 min,可得乳白色溶膠。陳化2 h后形成穩(wěn)定凝膠,105 ℃干燥后進行研磨,于馬弗爐中500 ℃煅燒2 h,冷卻至室溫,研磨,即制得復合光催化劑,命名為xBC-TiO2[(x為0%(純TiO2)、5%、10%、15%、20%、30%,代表生物炭和TiO2的質(zhì)量百分比,不添加生物炭的記為TiO2,純生物炭記為BC]。

1.3.2 光催化秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫實驗

將秸稈與復合光催化劑按照一定比例加至燒杯中,并加入一定量的去離子水,暗處攪拌30 min后在175 W高壓汞燈下照射2 h。然后將得到的固液混合物加入到總?cè)莘e為140 mL的血清瓶中,發(fā)酵培養(yǎng)基體積為50 mL,并加入10 mL/L營養(yǎng)液,按照10%(體積比)的接種量接入菌源并充入氮氣排出瓶中空氣,密封后放入搖床,在37 ℃、180 r/min轉(zhuǎn)速下進行暗發(fā)酵產(chǎn)氫。發(fā)酵培養(yǎng)基組成為10 g/L KH2PO4、10 g/L NH4HCO3、pH 6.5;營養(yǎng)液組成為0.002 78 g/L FeCl2、0.01 g/L NaCl、0.1 g/L MgSO4·7H2O、0.01 g/L CaCl2·2H2O、0.01 g/L Na2MO4·2H2O、0.015 g/L MnSO4·7H2O。

1.3.3 響應面優(yōu)化實驗設計

在單因素實驗的基礎上,選取生物炭摻雜比例(A)、催化劑質(zhì)量濃度(B)和催化pH(C)3個因素進行響應面優(yōu)化實驗,以發(fā)酵產(chǎn)氫量作為響應值,響應面實驗因素和水平設計見表1。

表1 響應面實驗因素和水平

1.4 分析方法

1.4.1 催化劑的表征

利用X射線衍射儀測定樣品的晶相;采用掃描電子顯微鏡對樣品形貌特征進行表征;采用傅里葉紅外變換光譜儀和X射線光電子能譜儀對樣品的化學組成進行分析。

1.4.2 氫氣和液相產(chǎn)物含量的測定方法

采用定時排飽和食鹽水法對產(chǎn)氣量進行測量;采用氣相色譜儀(Aglient-7890B)對氫氣含量進行測定[10-11];采用氣相色譜儀(Aglient-7820A)對發(fā)酵液相產(chǎn)物中乙酸、丁酸、丙酸和乙醇等含量進行測定[10-11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 催化劑的表征

2.1.1 微觀結(jié)構(gòu)

由圖1可知,所制備的生物炭具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)(圖-a),這意味著它具有較高的比表面積,能為產(chǎn)氫菌提供廣闊的附著位點,有利于產(chǎn)氫菌的繁殖與生長。TiO2附著生物炭上,分布比較均勻,具有良好的分散性(圖-b)。

a-生物炭;b-10%BC-TiO2

2.1.2 FT-IR分析

a-生物炭和復合催化劑;b-30%BC-TiO2

2.1.3 XRD分析

由圖3可知,生物炭在26.5°的衍射峰歸屬于石墨結(jié)構(gòu)的特征衍射峰。BC-TiO2復合催化劑與純TiO2的XRD圖譜近乎一致,位于25.3°、37.8°、48.05°、53.89°、55.06°、62.69°、75.03°的衍射峰對應于銳鈦礦型TiO2的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)和(215)晶面[13]。這說明所制備的TiO2為純的銳鈦礦型,且生物炭和TiO2的復合并未影響到TiO2的晶型[18],這保證了所得催化劑的高光催化活性[12]。

圖3 生物炭和復合催化劑的XRD圖譜

2.1.4 XPS分析

a-XPS全譜;b-高分辨C1s譜;c-高分辨Ti2P譜;d-高分辨O1s譜

2.2 響應面實驗優(yōu)化光催化秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫

2.2.1 響應面實驗結(jié)果及方差分析

在單因素實驗的基礎上,選擇生物炭摻雜比例、催化劑質(zhì)量濃度和催化pH為考察因素,以光催化秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫量為響應值,采用Box-Behnken中心組和設計原理,進行響應面優(yōu)化實驗。實驗設計和實驗結(jié)果見表2。運用Design-Expert 8.0.6軟件對表2實驗結(jié)果進行線性回歸擬合,得到的回歸方程如下:

表2 Box-Behnken實驗設計及結(jié)果

Y=52.81+0.87A+0.71B+0.46C+0.25AB-0.81AC-0.57BC-2.64A2-1.03B2-1.29C2

表3 回歸模型的方差分析

2.2.2 響應面分析

由圖5中響應面圖可知,3個因素對產(chǎn)氫量的影響都是呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。其中,生物炭摻雜比例對產(chǎn)氫量的影響曲線更陡峭,說明生物炭摻雜比例對產(chǎn)氫量的影響更顯著(P<0.01)。生物炭摻雜比例在5%～10%范圍內(nèi),產(chǎn)氫量隨著生物炭摻雜比例的增加而提高,當生物炭摻雜比例高于10%,產(chǎn)氫量逐漸降低,這是因為過多的生物炭會將TiO2包裹起來,阻礙光到達催化表面,抑制了TiO2表面光子吸收,降低光催化活性[12]。pH可以改變光催化劑的表面性質(zhì)和表面電荷[18],對于光催化降解秸稈效果具有重要影響。pH在2～6范圍內(nèi),產(chǎn)氫量呈逐步上升趨勢,當pH>6,產(chǎn)氫量開始下降,說明適宜的pH利于光解秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫。這和GUPTA等[21]所得結(jié)論類似,光催化體系中pH過低(<5.6)、過高(>9.6)都不利于光催化反應進行。當催化劑質(zhì)量濃度為1.2 g/L,累積產(chǎn)氫量達到最大。

圖5 生物炭摻雜比例、催化劑質(zhì)量濃度、pH對累積產(chǎn)氫量的響應面和等高線圖

由圖5中等高線圖可以看出,生物炭摻雜比例與催化劑質(zhì)量濃度的等高線圖接近為圓形,交互作用不顯著。生物炭摻雜比例與pH的等高線對累積產(chǎn)氫量的交互作用較強(P<0.05)。催化劑質(zhì)量濃度與pH的交互作用亦不顯著。

2.2.3 工藝條件優(yōu)化與驗證

由回歸模型得到最優(yōu)工藝條件:生物炭摻雜比例10.86%,催化劑質(zhì)量濃度1.34 g/L,催化pH 6.10,結(jié)合實驗的實際情況,調(diào)整條件為生物炭摻雜比例10%,催化劑質(zhì)量濃度1.3 g/L,催化pH 6,預測的累積產(chǎn)氫量為53.0 mL/g,實際實驗值為52.9 mL/g,相對誤差為0.2%,實驗值與預測值基本一致,說明該條件的優(yōu)化效果具有較高準確率。

2.3 光催化秸稈對氫氣產(chǎn)量和液態(tài)代謝產(chǎn)物的影響

在上述最優(yōu)光催化條件下,對比優(yōu)化組(光催化秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫)和對照組(普通秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫)的氫氣產(chǎn)量。由圖6可知,在發(fā)酵啟動期,對照組的產(chǎn)氫量略高于優(yōu)化組,隨著發(fā)酵的進行,優(yōu)化組產(chǎn)氫量明顯高于對照組。發(fā)酵結(jié)束時,與對照組相比,優(yōu)化組的累積產(chǎn)氫量提高了16.6%。

圖6 厭氧發(fā)酵過程中累積產(chǎn)氫量

如圖7所示,實驗對不同秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫的末端代謝產(chǎn)物進行測定,結(jié)果顯示優(yōu)化組和對照組中乙酸和丁酸是最主要的代謝產(chǎn)物,且二者含量之和占揮發(fā)性脂肪酸醇總量的90%以上,表明兩者的代謝途徑均為丁酸型發(fā)酵。值得注意的是,優(yōu)化組中乙酸含量明顯高于對照組,研究發(fā)現(xiàn),暗發(fā)酵產(chǎn)氫過程中,乙酸含量與氫氣生成量呈正相關[22],這與圖6中優(yōu)化組的產(chǎn)氫量高于對照組的結(jié)論一致。上述結(jié)果表明,采用光催化技術處理秸稈,有利于提高秸稈的發(fā)酵產(chǎn)氫量。

圖7 液態(tài)代謝產(chǎn)物組成及含量

2.4 秸稈的表征

2.4.1 微觀結(jié)構(gòu)

由圖8可知,秸稈原料表面光滑,結(jié)構(gòu)致密,經(jīng)光催化處理后,其表面致密的結(jié)構(gòu)被破壞,出現(xiàn)一些小的孔洞。這一現(xiàn)象可能是由光催化過程所產(chǎn)生的羥基自由基和電子空穴與秸稈發(fā)生氧化還原反應所導致[23]。經(jīng)過發(fā)酵產(chǎn)氫后,秸稈的結(jié)構(gòu)發(fā)生了更為顯著的改變,形成了更多的孔洞和大量的斷面。

a-原料;b-光催化后;c-發(fā)酵產(chǎn)氫后

2.4.2 FT-IR分析

如圖9所示,1 051 cm-1處的吸收峰是由木質(zhì)素中的—OH基團或半纖維素中的C—OH的伸縮振動引起的,1 320 cm-1處的吸收峰可歸為木質(zhì)素的C—C和C—O的振動,1 515和1 605 cm-1的峰與木質(zhì)素芳香骨架的振動有關[24],歸屬纖維素和半纖維素的特征峰3 415、2 915和 898 cm-1可分別歸為—OH、—CH2的伸縮振動和C—H的變形振動[25]。經(jīng)過光催化處理和發(fā)酵產(chǎn)氫后,歸屬于纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的特征吸收峰逐漸變?nèi)?進一步證實了經(jīng)光催化處理和發(fā)酵產(chǎn)氫后玉米秸稈結(jié)構(gòu)的破壞。

圖9 秸稈樣品的FT-IR圖譜

2.4.3 結(jié)晶度

如圖10所示,秸稈原料結(jié)晶度為35.74%,經(jīng)過光催化后,秸稈的結(jié)晶度提升至41.50%,這可能是由于木質(zhì)素的脫除、纖維素中的無定形區(qū)以及半纖維素的釋放,使得秸稈中結(jié)晶纖維素的比例增加所引起的[26]。但發(fā)酵產(chǎn)氫后,秸稈的結(jié)晶度降至20.49%,推測可能是產(chǎn)氫微生物對秸稈中纖維素的分解所致。

圖10 秸稈樣品的XRD圖譜

3 結(jié)論

本文采用TiO2/生物炭光催化預處理玉米秸稈,通過響應面優(yōu)化法提高光解秸稈發(fā)酵產(chǎn)氫效率,結(jié)果顯示:當生物炭摻雜比例10%,催化劑質(zhì)量濃度1.3 g/L,催化pH為6時,累積產(chǎn)氫量達到52.9 mL/g,相對于對照組提高了16.6%。光解秸稈的使用未改變發(fā)酵產(chǎn)氫的代謝類型,仍然為丁酸型發(fā)酵,且代謝物中乙酸含量明顯高于對照組,有利于發(fā)酵產(chǎn)氫。采用掃描電鏡、XPS、FT-IR和XRD等測試方法對催化劑和秸稈進行表征,分析結(jié)果表明TiO2/生物炭光催化預處理能有效破壞秸稈結(jié)構(gòu),改善產(chǎn)氫微生物的利用率,提高發(fā)酵產(chǎn)氫性能。