武 俐，曹 斌，李懷珍，羅永濤，劉興勇

（1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層（頁(yè)巖）氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；4.河南金馬能源股份有限公司，河南 濟(jì)源 454650）

0 引 言

生物成因煤層氣作為一種重要的清潔能源，具有廣泛的應(yīng)用前景，在世界范圍內(nèi)得到了眾多學(xué)者的關(guān)注［1］。 自SCOTT 提出了微生物增產(chǎn)煤層氣技術(shù)后，相關(guān)學(xué)者［2-3］在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬了煤生物成氣，并取得了許多重大成果。 但微生物利用煤產(chǎn)甲烷受多重因素影響［4-5］，尤以微生物活性以及煤的生物可利用性的影響最為顯著［6］。 PARR 等［7］通過(guò)向煤層中加入激活劑強(qiáng)化本源微生物，也有采用添加外源高效產(chǎn)甲烷菌群來(lái)提高微生物活性［8-9］。當(dāng)煤中能被微生物利用的有機(jī)物濃度較低時(shí)，會(huì)造成產(chǎn)氣初期的微生物活性不高［10］。 煤作為一種大分子有機(jī)物，分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以降解，會(huì)降低微生物活性。 研究［11-12］發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理可破壞煤結(jié)構(gòu)，提高煤的生物可利用性。 有機(jī)溶劑萃取能破壞煤中分子間的非共價(jià)鍵，改變煤中大分子結(jié)構(gòu)［13］。

煤的萃取效果受到萃取劑與萃取條件的影響，N-甲基毗略烷酮（NMP）作為一種常見萃取劑，具有毒性低、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)［14-15］，常用于煤樣的預(yù)處理。 相關(guān)學(xué)者［16-17］利用NMP 和CS2混合溶劑對(duì)煤樣進(jìn)行萃取，發(fā)現(xiàn)處理后的煤樣中羥基含量增加，煤的大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙變大，比表面積增加。 也有研究［18］發(fā)現(xiàn)，在230 ℃和330 ℃反應(yīng)條件下，利用NMP 萃取內(nèi)蒙古褐煤時(shí)，煤樣的萃取效果在230 ℃下明顯優(yōu)于330 ℃。 萃取方式不同也會(huì)影響煤的萃取效果，加速溶劑萃取法（ASE）作為一種高效快捷的萃取方法，與傳統(tǒng)的索氏萃取、微波輔助萃取等萃取方式相比，具有用量少、安全性好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)［19］。 目前，有機(jī)溶劑萃取在改變煤儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和提高煤的有效利用等方面的研究較為深入，而在煤生物成氣的增效研究方面較為有限。 本研究采用ASE 萃取方式對(duì)低、中階煤進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)改變萃取參數(shù)，確定了最佳萃取條件。 對(duì)比分析了原煤、萃取殘煤和萃余物的生物甲烷產(chǎn)量特征，探討了ASE 對(duì)不同煤階煤生物成氣的增產(chǎn)效果。采用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）對(duì)ASE 萃取殘煤和生物成氣殘煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果對(duì)煤生物成氣的增產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用原煤為鄭煤（ZZ）和義馬煤（YM），煤樣經(jīng)破碎研磨后過(guò)180 目（0.08 mm）篩，干燥后備用。 ZZ 和YM 煤經(jīng)ASE 萃取后的殘煤和萃余物分別用ZZ-C 和ZZ-CY 煤，YM-C 和YM-CY 煤表示，生物成氣后殘煤分別用ZZ-C-W 和YM-C-W 煤表示。 ZZ 和YM 原煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1，試驗(yàn)菌源為河南焦作某河流底泥中富集馴化得到的外源菌群［20］，每升營(yíng)養(yǎng)液［21］中加入NaH2PO41.0 g，K2HPO43.0 g，NH4Cl 4.0 g，Na2CO32.0 g，苯甲酸0.2 g，酵母提取物4.0 g，F(xiàn)eSO40.1 g。

表1 煤樣的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples

1.2 ASE 萃取

分別稱取ZZ 和YM 煤樣20 g，使用美國(guó)戴安ASE 350 加速溶劑萃取儀進(jìn)行NMP 溶劑萃取。 設(shè)置參數(shù)：萃取溫度100 ℃，萃取壓力1.03×103kPa，加熱時(shí)間5 min，靜態(tài)萃取時(shí)間30 min，沖洗體積18 mL，凈化時(shí)間90 s，循環(huán)次數(shù)3 次。 萃取結(jié)束后，旋蒸后所得萃取物與殘煤在80 ℃下烘干并保存?zhèn)溆谩?/p>

煤樣萃取率的計(jì)算公式［22］為：

式中，Y為萃取率，%；W1為萃取物的質(zhì)量，g；W為原煤質(zhì)量，g。

1.3 微生物成氣試驗(yàn)

在150 mL 玻璃瓶中分別加入100 mL 營(yíng)養(yǎng)液、原煤5 g、萃取殘煤5 g、萃余物2 g，曝氣10 min 后移至厭氧工作站，加入25 mL 菌液，37 ℃恒溫培養(yǎng)，其中控制組（KZ）不含煤。 試驗(yàn)周期為60 d，定期檢測(cè)產(chǎn)氣情況，測(cè)氣時(shí)間點(diǎn)為：0、2、7、10、16、23、37、44、60 d。

1.4 測(cè)定方法

1）光密度（OD）值測(cè)定。 上海大普UV-2600 紫外分光光度計(jì)，在波長(zhǎng)300 nm 處測(cè)定吸光度［23］。

2）氣體成分測(cè)定。 采用安捷倫6890 氣相色譜儀測(cè)定氣體成分及含量。 Carbonplot 色譜柱（30 m×320 μm×3.0 μm），以氮?dú)鉃檩d氣，尾吹氣流量10.0 mL／min，TCD 檢測(cè)器，柱箱溫度25 ℃，進(jìn)樣口溫度200 ℃，檢測(cè)溫度245 ℃，進(jìn)樣量50 μL。

3）FTIR 測(cè)定。 日本島津IRPrestige-21 傅里葉變換紅外光譜儀。 參數(shù)設(shè)置：分辨率4 cm-1，掃描范圍為500～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為32。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌源群落結(jié)構(gòu)

微生物主要分布在細(xì)菌域（89.8%）和古菌域（10.2%），由圖1 可以看出，在細(xì)菌門類中共有5 個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門，而古菌分布在3 個(gè)門，其中廣古菌門（87.47%）有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

圖1 微生物群落的組成Fig.1 Composition of microbial community

2.2 萃取條件對(duì)OD 值的影響

在同一溫度下，隨著萃取次數(shù)的增加萃取液的OD 值變化見表2。 OD 值隨萃取次數(shù)的增加而降低，第10 次萃取液OD 值變化已不明顯，僅占總OD 值的5%，說(shuō)明煤中可萃取物質(zhì)越來(lái)越少，有機(jī)物含量也相對(duì)穩(wěn)定。 因此，選擇萃取次數(shù)為10 次。

表2 萃取條件對(duì)OD 值的影響Table 2 Effect of extraction conditions on OD value

從表2 可知，不同溫度下萃取液總OD 值范圍為7.730 4 ～9.584 7，隨著溫度的升高，總OD 值增大。 萃取溫度過(guò)高時(shí)，對(duì)儀器有影響且能耗較高，而100 ℃條件下的總OD 值達(dá)到了8.368 4，與125 ℃和150 ℃的總OD 值相差不大。 因此，ASE 萃取溫度選擇為100 ℃。

研究發(fā)現(xiàn)，ZZ 和YM 煤的萃取率分別為1.06%、4.23%，ZZ 煤階較高，萃取率相對(duì)較低，ASE 萃取對(duì)低階煤的萃取效果更好。 不同煤階煤的萃取率與煤中小分子化合物的數(shù)量、有機(jī)物賦存方式或大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作用力有關(guān)［24-25］。

2.3 ASE 萃取對(duì)不同煤階煤生物氣增效的影響

2.3.1 萃取對(duì)產(chǎn)甲烷的影響

利用NMP 對(duì)ZZ 和YM 煤進(jìn)行萃取之后，兩種煤樣的原煤、萃取殘煤和萃取物的降解產(chǎn)甲烷情況如圖2 所示。 甲烷的積累釋放量隨著時(shí)間的增加而增加，甲烷濃度變化趨勢(shì)分為3 個(gè)階段，快速上升期（第0 ～7 天）、慢速上升期（第7 ～23 天）和抑制期（第23 天后）。 甲烷濃度變化的3 個(gè)階段與微生物利用底物的種類及其活性有關(guān)［10，26］。

由圖2 可以看出，ZZ 煤產(chǎn)甲烷濃度在產(chǎn)氣停止時(shí)在65.00%～72.00%；YM 煤產(chǎn)甲烷濃度在產(chǎn)氣停止時(shí)在71.00%～81.00%。 YM 煤的產(chǎn)甲烷濃度高于ZZ 煤，YM-C 煤的產(chǎn)甲烷濃度與ZZ-C 煤相差不大。從微生物成氣特征可以看出，甲烷的濃度在35 d后變化不明顯，出現(xiàn)這種情況的原因有：產(chǎn)生的二氧化碳或甲烷產(chǎn)物抑制了微生物活性；萃取殘煤中能被微生物利用的物質(zhì)越來(lái)越少；所產(chǎn)生的甲烷被一些微生物消耗掉［26］。 然而控制組與原煤、萃取殘煤和萃余物的產(chǎn)氣特征相似，說(shuō)明煤的3 個(gè)產(chǎn)氣階段跟煤階無(wú)關(guān)，與微生物活性是否被抑制有關(guān)［21］。 不同煤階的萃取殘煤生物產(chǎn)甲烷的濃度差異性不明顯。

圖2 煤生物產(chǎn)甲烷濃度的變化Fig.2 Changes in concentration of methane produced by microorganisms from coals

2.3.2 生物氣組成

原煤、萃取殘煤及萃余物生物成氣過(guò)程中氣體組分的變化如圖3 所示。 二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)相同，產(chǎn)氣特征均呈現(xiàn)出快速升高（第0 ～2天），緩慢升高（第2 ～7 天），略有降低（第7 ～10天），緩慢升高至峰值后趨于穩(wěn)定（第10 天后）。 其中ZZ、ZZ-C 和ZZ-CY 煤的頂空二氧化碳體積分?jǐn)?shù)介于20.00%～25.00%，YM、YM-C 和YM-CY 煤的頂空二氧化碳體積分?jǐn)?shù)在24.00%～33.00%，YM 煤頂空二氧化碳體積分?jǐn)?shù)明顯高于ZZ 煤，這是由于YM 煤階較低，更利于微生物利用產(chǎn)氣。

圖3 不同階段生物氣氣體體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Changeofvolume fraction of biogasat different stages

二氧化碳生成情況與甲烷不同，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的變化主要出現(xiàn)在快速產(chǎn)甲烷期，而在慢速產(chǎn)甲烷期內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)變化趨近于平穩(wěn)狀態(tài)。在成氣過(guò)程中，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)在一定程度上可以反映甲烷的生成過(guò)程［2，27］。 當(dāng)甲烷體積分?jǐn)?shù)增加而二氧化碳體積分?jǐn)?shù)降低，出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，表明由二氧化碳?xì)溥€原途徑產(chǎn)生甲烷［28］。 甲烷與二氧化碳體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯的同步性或協(xié)同性時(shí)，該階段甲烷的生成主要由乙酸發(fā)酵途徑主導(dǎo)［27，29］。 由圖2 可以看出，第0～2 天二氧化碳作為主要產(chǎn)出氣體，其體積分?jǐn)?shù)始終高于甲烷體積分?jǐn)?shù)，第2 ～7 天二氧化碳處于緩慢增長(zhǎng)階段，且在第7 天后突然下降，而甲烷此階段處于快速增長(zhǎng)期，并逐漸取代二氧化碳成為主要的產(chǎn)出氣體，兩者的含量呈反比關(guān)系，該階段主要是通過(guò)二氧化碳還原途徑產(chǎn)甲烷。 第10 天后，甲烷與二氧化碳的含量均處于緩慢增長(zhǎng)階段，出現(xiàn)明顯的同步性，說(shuō)明該階段甲烷主要通過(guò)乙酸發(fā)酵途徑產(chǎn)生。

2.3.3 ASE 萃取對(duì)不同煤階煤的甲烷增產(chǎn)效果分析

扣除控制組氣體量，原煤、萃取殘煤、萃余物的生物甲烷產(chǎn)量結(jié)果如圖4 所示。 其中ZZ、ZZ-C 和ZZ-CY 煤的甲烷產(chǎn)量分別為508.27、699.63、1 577.33 μmol／g，YM、YM-C 和YM-CY 煤的甲烷產(chǎn)量分別為769.03、927.17、1 638.61 μmol／g。

圖4 原煤、萃取殘煤和萃余物樣品的生物甲烷產(chǎn)量Fig.4 Biomethane production of raw coal， extracted residual coal and extracted residue samples

2 種煤樣的甲烷產(chǎn)量均是萃余物＞萃取殘煤＞原煤，其中ZZ-C 和ZZ-CY 煤與ZZ 煤相比甲烷產(chǎn)量分別提高了38%、210%；YM-C 和YM-CY 煤與YM 煤相比甲烷產(chǎn)量分別提高了17%、113%。 原煤經(jīng)NMP 萃取后其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，煤的比表面積與孔隙均增大［25］，提高了微生物與煤的接觸面積，表現(xiàn)出萃取殘煤的甲烷產(chǎn)量高于原煤。 萃余物與萃取殘煤相比，所含能被微生物直接利用的有機(jī)質(zhì)含量高，從而提高了產(chǎn)甲烷效率［30］。 因此，煤樣經(jīng)NMP 溶劑萃取后，生物甲烷產(chǎn)量明顯提高。

YM、YM-C 和YM-CY 煤的甲烷產(chǎn)量比ZZ、ZZ-C 和ZZ-CY 煤分別高出了51%、33%和4%。 可以看出，ZZ-CY 與YM-CY 煤的甲烷產(chǎn)量相差不大，而YM 和YM-C 煤的甲烷產(chǎn)量要分別高于ZZ 和ZZ-C 煤。 這是由于隨著煤階的升高，煤中的含氫氧側(cè)鏈逐漸減少，微生物可利用成分降低［6］，YM 煤階相對(duì)較低，所以產(chǎn)甲烷效果更好。

2.4 殘煤的FTIR 分析

原煤、萃取殘煤和成氣后殘煤的紅外光譜圖如圖5 所示。 原煤、萃取殘煤和成氣后殘煤的紅外光譜圖在3 050 ～2 800、2 500 ～2 300、1 800 ～1 500、1 500～1 350、910～850 cm-1處發(fā)生變化。

圖5 原煤和殘煤的紅外光譜分析Fig.5 FTIR analysis of raw coal and residual coal

采用OMNIC 對(duì)紅外圖譜進(jìn)行分峰擬合，根據(jù)各官能團(tuán)的峰面積計(jì)算其所占比例，結(jié)果見表3。

表3 不同煤中官能團(tuán)的相對(duì)含量Table 3 Relative content of functional groups in different coals

不同煤中部分官能團(tuán)的相對(duì)含量發(fā)生了變化。原煤經(jīng)ASE 萃取后其結(jié)構(gòu)被破壞，碳碳雙鍵含量增加與部分芳環(huán)被打開有關(guān)，羧基含量增加與羰基和羥基結(jié)合后形成羧基有關(guān)。 萃取殘煤在生物成氣后，殘煤中羧基含量呈減少趨勢(shì)，與微生物利用有關(guān)，羧基氧化生成的氫氣可作為電子供體用于還原甲基基團(tuán)生成甲烷［6］。

3 結(jié) 論

1）ASE 萃取對(duì)不同煤階煤的最佳條件是溫度為100 ℃，萃取次數(shù)為10 次。 低階煤的萃取效果優(yōu)于中階煤，萃取率為4.23%。

2）從不同煤階煤的產(chǎn)甲烷效果來(lái)看，萃取殘煤與萃余物的生物甲烷產(chǎn)量均高于原煤。 ZZ-C 和ZZ-CY煤比ZZ 煤的生物甲烷產(chǎn)量提高了38%和210%；YM-C 和YM-CY 煤比YM 煤提高了17%和113%。 ASE 萃取顯著提高了低、中階煤生物產(chǎn)甲烷效果，對(duì)中階煤的生物甲烷產(chǎn)量的增效更明顯。

3）ASE 萃取破壞了煤中化學(xué)鍵，原煤經(jīng)ASE 萃取后其芳環(huán)被打開，碳碳雙鍵和羧基含量增加；生物成氣后煤中脂烴和羧基含量減少，與微生物利用有關(guān)。