活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　近期使用活性炭作為促進電活性微生物組以增強厭氧消化性能的添加劑已被廣泛研究。該研究發現摻雜磁鐵礦的活性炭顆粒可以顯著改善丙酸鹽的互變性降解，丙酸鹽是在厭氧消化過程中不易被微生物群落降解的底物。用磁鐵礦摻雜的活性炭修正的生物反應器在補料分批試驗中實現了高甲烷產量和COD去除率，分別是對照和活性炭處理的生物反應器的1.5和1.2倍。發現乙酸鹽積累與甲烷產生相關。微生物群落的定量比較表明，與對照相比，添加活性炭或摻雜鐵的活性炭沒有獲得更高的微生物生物量。

　　厭氧消化是生物垃圾從垃圾填埋場轉移的一種流行的生物過程。沼氣池產生的沼氣可用于清潔能源和熱能生產，CO 2從生物氣體可用于藻類生產或增值化學物質微生物電合成。從根本上說，厭氧消化是一個復雜的生物過程，其中發酵細菌將復雜的有機物轉化為各種簡單的代謝物，如乙酸，H 2，甲酸和甲醇等有用的物質。在厭氧消化器中添加各種導電添加劑，如活性炭，碳布，生物炭，碳纖維，鐵納米顆粒，可使微生物組直接交換電子而不是代謝物(如H 2/甲酸鹽)，最終增強各種短鏈脂肪酸的產甲烷轉化。因此，像活性炭這樣的導電添加劑可以為促進飲食的微生物組提供能量有利條件。

　　在各種導電添加劑中，活性炭已被廣泛研究用于促進產甲烷生物反應器中的食物。活性炭經常被用作吸附劑，用于去除空氣和水中的各種污染物。活性炭還被用作各種微生物電化學系統中的電極材料，例如微生物燃料電池。一些研究表明，活性炭與其他功能化材料(如磁鐵礦和二氧化鈦)的表面改性可以進一步提高活性炭在此類應用中的有效性。有實驗證明用用導電/半導電氧化鐵顆粒(如磁鐵礦，硫化亞鐵)對碳基陽極電極進行表面改性可以優先刺激表面上電活性細菌生物質的生長和增強。降低電荷轉移電阻，最終可以改善微生物電化學系統的性能。因此，我們假設用磁鐵礦摻雜的活性炭可能提供更好的添加劑來促進電活性生物質的生長，從而進一步提高厭氧消化性能。下面我們直接制成樣品來測試效果。

　　丙酸生物降解實驗

　　在該研究中使用九個玻璃厭氧生物反應器，其配備有機械混合器和反應器蓋以及氣體和液體取樣口。內有22.5g/L活性炭和摻雜磁鐵礦活性炭的生物反應器。沒有任何活性炭或其它添加劑的生物反應器用作對照。對每種條件操作一式三份的生物反應器。生物反應器接種厭氧消化器污泥和來自實驗室規模的微生物電解池的混合物。

　　摻雜活性炭的物理化學性質

　　活性炭和摻雜磁鐵礦的活性炭的SEM圖像在圖1顯示。活性炭和摻雜的活性炭都表現出粗糙和多孔的表面。磁鐵礦顆粒緊密附著在活性炭顆粒的表面上(圖1B)。然而，磁鐵礦顆粒在活性炭表面上的分布不均勻(圖1D)。SEM-EDS的元素分析也證實了磁鐵礦摻雜的活性炭(16.8-27.4%)表面存在的鐵含量高于活性炭(0.76-1.48%)。EDS頻譜在補充信息中提供。活性炭和摻雜的活性炭顆粒都含有痕量的其他元素，如鈣，鎂和鋁。另一方面，摻雜的活性炭顆粒的BET表面積減少了約12%，這是由于在活性炭表面上浸漬磁鐵礦顆粒。

　　圖1：(A)活性炭和(B)摻雜磁鐵礦的活性炭的SEM圖像(C)活性炭和(D)磁鐵礦摻雜活性炭的元素映射的SEM-EDS圖像。

　　丙酸鹽的甲烷產率

　　四個連續活性炭補料分批循環中來自不同生物反應器的甲烷生產率在圖2A顯示，每個條件的累計甲烷產生的時間過程在補充信息中提供。與對照相比，活性炭和摻雜的活性炭的添加導致顯著更高的甲烷生產率。摻雜的活性炭顯示所有反應器中的甲烷產量最高，分別是對照和活性炭生物反應器的1.52倍和1.21倍。另一方面，活性炭在連續四次補料循環期間顯示出比對照中高25%的甲烷產量。在連續四個循環中，摻雜活性炭的最終甲烷產量沒有顯著差異，而在每個補料循環后，來自對照和活性炭的甲烷產生逐漸減少。

　　圖2：(A)四個連續活性炭補料分批循環中的平均特定甲烷產量和(B)COD去除效率。

　　如圖2B所示，摻雜的活性炭還顯示出比對照和活性炭分別高50%和20%的COD去除效率。然而，活性炭還提供了比對照高30%的COD去除效率。類似于甲烷生產，摻雜的活性炭COD去除效率在所有循環期間保持幾乎恒定。此外，活性炭和對照中的COD去除效率從第1周期降至4。盡管如此，基于甲烷生產率和COD去除效率，可以建立以下排名：摻雜磁鐵礦的活性炭>活性炭>未添加任何物質的對照。

　　該研究證明，用磁鐵礦摻雜活性炭可以進一步改善丙酸鹽作為唯一底物的產甲烷作用。與未摻雜的活性炭相比，磁鐵礦摻雜的活性炭顯著增強了丙酸鹽的降解。我們的研究結果表明，生物質保留不是活性炭或摻雜活性炭反應器中甲烷生產率提高的原因。發現各種電活性細菌的富集是增強產甲烷作用的關鍵因素。因此，我們的結果表明，活性炭可以幫助塑造具有電活性的高效產甲烷微生物組，用于高效厭氧消化。

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