介孔氧化钛固体碱强化生物甲烷过程速率的传递与反应机制

Anaerobic fermentation of straw and manure to produce high purity bio-methane and organic fertilizer is an important way to obtain renewable energy and eliminate environmental pollution. However, low conversion rate of the fermentation process restricts its large-scale applications. A key problem lies on that acetic acid from acetogenic phase contribute to 70% methane but the activity of methanogen will be inhibited in acid solution. This project explores intensification of transfer and reaction process of acetic acid by adding mesoporous titania modified with organic alkali. (1) the use of acid-base properties of hydrophilic and hydrophobic and regulation of Surface modification of mesoporous titania by carbon and organic amines to adjust acid-base properties and hydrophilic-hydrophobic properties of carriers to explore the distribution and activity of bacteria in biofilms on mesoporous support surface; (2) study of anaerobic fermentation kinetics with the adding of mesoporous titania solid bases; (3) The Building of a non-equilibrium thermodynamic model about transfer and reaction of acetic acid on mesoporous titania interface, and combined with anaerobic fermentation ADM1 theory. Finally, a complete new anaerobic fermentation models will be developed in Aspen plus software. This work will contribute to large-scale bio-methane production process.

厌氧发酵处理秸秆和畜禽粪便产生高纯生物甲烷和有机肥料，是消除环境污染和获得可再生能源的重要方法。但发酵过程的低转化速率制约了其大规模应用。本课题针对乙酸有利于产甲烷但同时影响甲烷菌活性这一关键矛盾，基于非平衡热力学方法，探索介孔氧化钛固体碱介入下乙酸在界面传递和反应机制。（1）利用碳和有机胺调控介孔氧化钛固体碱表面的亲疏水和酸碱性质, 探索菌群生物膜在介孔载体表面的分布和活性；（2）研究介孔氧化钛固体碱介入下厌氧发酵产甲烷动力学；（3）构建介孔氧化钛界面上乙酸传递与反应的非平衡热力学模型，并将其与厌氧发酵ADM1理论结合，在Aspen plus软件框架里形成完整的新型高效厌氧发酵模型。为大规模生物甲烷高效转化工艺奠定理论基础。

生物发酵处理秸秆和畜禽粪便产生高纯生物甲烷和有机肥料，是消除环境污染和获得可再生能源的重要方法。但发酵过程的低转化速率制约了其大规模应用。传统通过升温和提高底物浓度加速发酵过程的方法难以实现。其本质科学难题在于发酵过程中70%的甲烷来自耗乙酸产甲烷过程，而乙酸的增加将导致甲烷菌群的死亡。通过本项目的研究，我们从非平衡热力学角度，研究了纳微界面介入下强化界面传递对厌氧发酵过程的影响。完成了对稀溶液体系热力学性质的测定，收集并建立了沼液发酵体系的热力学数据库。并由此探索了沼气过程与热化学过程耦合来相互取长补短，实现体系热力学效率最大化。开展了界面传递过程的线性非平衡热力学研究，基于纳米金属熔点降低的实验数据，建立了界面对纳米材料热力学性质影响的模型。基于上述理论研究成果，我们对钛基材料的合成进行了优化，开发出高效低成本的合成新方法。利用微量热等先进技术手段，研究了氧化钛界面与蛋白的相互作用，并将其用于甲烷化菌群的固定化担载。结果表明，电场的介入，可以提高沼气产气速率1.65倍以上，沼气产率提高48%以上。聚丙烯酰胺纤维材料的接入，单日最大产气速率提高80%，总产气量提高60%以上。结合ADM1的理论模拟以及微生物发酵原理，发现界面改善沼气产气速率的关键，在于将传统产沼气以耗乙酸产甲烷路线为主，调控为以耗氢气产甲烷路线为主，而这种内源氢路线，相比国外的外源氢强化发酵路线，更具有成本优势，更符合我国国情。