活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　近期使用活性炭作为促进电活性微生物组以增强厌氧消化性能的添加剂已被广泛研究。该研究发现掺杂磁铁矿的活性炭颗粒可以显着改善丙酸盐的互变性降解，丙酸盐是在厌氧消化过程中不易被微生物群落降解的底物。用磁铁矿掺杂的活性炭修正的生物反应器在补料分批试验中实现了高甲烷产量和COD去除率，分别是对照和活性炭处理的生物反应器的1.5和1.2倍。发现乙酸盐积累与甲烷产生相关。微生物群落的定量比较表明，与对照相比，添加活性炭或掺杂铁的活性炭没有获得更高的微生物生物量。

　　厌氧消化是生物垃圾从垃圾填埋场转移的一种流行的生物过程。沼气池产生的沼气可用于清洁能源和热能生产，CO 2从生物气体可用于藻类生产或增值化学物质微生物电合成。从根本上说，厌氧消化是一个复杂的生物过程，其中发酵细菌将复杂的有机物转化为各种简单的代谢物，如乙酸，H 2，甲酸和甲醇等有用的物质。在厌氧消化器中添加各种导电添加剂，如活性炭，碳布，生物炭，碳纤维，铁纳米颗粒，可使微生物组直接交换电子而不是代谢物(如H 2/甲酸盐)，最终增强各种短链脂肪酸的产甲烷转化。因此，像活性炭这样的导电添加剂可以为促进饮食的微生物组提供能量有利条件。

　　在各种导电添加剂中，活性炭已被广泛研究用于促进产甲烷生物反应器中的食物。活性炭经常被用作吸附剂，用于去除空气和水中的各种污染物。活性炭还被用作各种微生物电化学系统中的电极材料，例如微生物燃料电池。一些研究表明，活性炭与其他功能化材料(如磁铁矿和二氧化钛)的表面改性可以进一步提高活性炭在此类应用中的有效性。有实验证明用用导电/半导电氧化铁颗粒(如磁铁矿，硫化亚铁)对碳基阳极电极进行表面改性可以优先刺激表面上电活性细菌生物质的生长和增强。降低电荷转移电阻，最终可以改善微生物电化学系统的性能。因此，我们假设用磁铁矿掺杂的活性炭可能提供更好的添加剂来促进电活性生物质的生长，从而进一步提高厌氧消化性能。下面我们直接制成样品来测试效果。

　　丙酸生物降解实验

　　在该研究中使用九个玻璃厌氧生物反应器，其配备有机械混合器和反应器盖以及气体和液体取样口。内有22.5g/L活性炭和掺杂磁铁矿活性炭的生物反应器。没有任何活性炭或其它添加剂的生物反应器用作对照。对每种条件操作一式三份的生物反应器。生物反应器接种厌氧消化器污泥和来自实验室规模的微生物电解池的混合物。

　　掺杂活性炭的物理化学性质

　　活性炭和掺杂磁铁矿的活性炭的SEM图像在图1显示。活性炭和掺杂的活性炭都表现出粗糙和多孔的表面。磁铁矿颗粒紧密附着在活性炭颗粒的表面上(图1B)。然而，磁铁矿颗粒在活性炭表面上的分布不均匀(图1D)。SEM-EDS的元素分析也证实了磁铁矿掺杂的活性炭(16.8-27.4%)表面存在的铁含量高于活性炭(0.76-1.48%)。EDS频谱在补充信息中提供。活性炭和掺杂的活性炭颗粒都含有痕量的其他元素，如钙，镁和铝。另一方面，掺杂的活性炭颗粒的BET表面积减少了约12%，这是由于在活性炭表面上浸渍磁铁矿颗粒。

　　图1：(A)活性炭和(B)掺杂磁铁矿的活性炭的SEM图像(C)活性炭和(D)磁铁矿掺杂活性炭的元素映射的SEM-EDS图像。

　　丙酸盐的甲烷产率

　　四个连续活性炭补料分批循环中来自不同生物反应器的甲烷生产率在图2A显示，每个条件的累计甲烷产生的时间过程在补充信息中提供。与对照相比，活性炭和掺杂的活性炭的添加导致显着更高的甲烷生产率。掺杂的活性炭显示所有反应器中的甲烷产量最高，分别是对照和活性炭生物反应器的1.52倍和1.21倍。另一方面，活性炭在连续四次补料循环期间显示出比对照中高25%的甲烷产量。在连续四个循环中，掺杂活性炭的最终甲烷产量没有显着差异，而在每个补料循环后，来自对照和活性炭的甲烷产生逐渐减少。

　　图2：(A)四个连续活性炭补料分批循环中的平均特定甲烷产量和(B)COD去除效率。

　　如图2B所示，掺杂的活性炭还显示出比对照和活性炭分别高50%和20%的COD去除效率。然而，活性炭还提供了比对照高30%的COD去除效率。类似于甲烷生产，掺杂的活性炭COD去除效率在所有循环期间保持几乎恒定。此外，活性炭和对照中的COD去除效率从第1周期降至4。尽管如此，基于甲烷生产率和COD去除效率，可以建立以下排名：掺杂磁铁矿的活性炭>活性炭>未添加任何物质的对照。

　　该研究证明，用磁铁矿掺杂活性炭可以进一步改善丙酸盐作为唯一底物的产甲烷作用。与未掺杂的活性炭相比，磁铁矿掺杂的活性炭显着增强了丙酸盐的降解。我们的研究结果表明，生物质保留不是活性炭或掺杂活性炭反应器中甲烷生产率提高的原因。发现各种电活性细菌的富集是增强产甲烷作用的关键因素。因此，我们的结果表明，活性炭可以帮助塑造具有电活性的高效产甲烷微生物组，用于高效厌氧消化。

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