褐煤生物溶煤優(yōu)化試驗研究

煤質(zhì)技術(shù). 全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊《CA)-CD規范)執行優(yōu)秀期刊-褐煤生物溶堞代化試驗研究石開(kāi)儀,陶秀祥,陳慧,李陽(yáng)(中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇徐州221008)摘要:研究通過(guò)大浮沉試驗硝酸氧化、微波氧化等方法對撫順褐煤進(jìn)行改性;通過(guò)紫外、化學(xué)方法對真菌AH、云芝、金針菇以及裂褶進(jìn)行了誘變,并對真菌AH在撫順褐煤為唯一營(yíng)養源的培養基中進(jìn)行馴化。通過(guò)宏觀(guān)觀(guān)察和測定轉化率發(fā)現,真菌AH對精煤含量高的、微波與硝酸氧化聯(lián)合預處理的煤樣具有較好的溶解效果;真菌AH經(jīng)煤馴化后,其液體溶煤轉化率高達45%。真菌AH可以直接利用撫順褐謀,利用率最高可達18.22%; pH對溶煤也有重要的影響,堿性環(huán)境利于溶煤。關(guān)鍵詞:生物溶煤;褐煤;轉化率;誘變;馴化中團分類(lèi)號:TQ460.38; TQ529.2文獻標識碼:A文章編號:1006 6772(2008 )02-0071 -05自從20世紀80年代初,德國的Fakussa"和撫順西露天煤礦的原煤。將原煤破碎,篩分得到的美國科學(xué)家Cohen(2]等先后發(fā)現白腐真菌對低階煤0.15~0.25mm和0.25~0.50mm2個(gè)粒級的2個(gè)有降解作用開(kāi)始,已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,特別是美煤樣。實(shí)驗中通過(guò)大浮沉試驗以提高精煤含量,降國、德國等發(fā)達國家在此領(lǐng)域已開(kāi)展了廣泛的研究低褐煤中矸石的影響;通過(guò)濃硝酸、雙氧水以及微并取得了一系列成果。中國也緊跟其后,其中大連波氧化處理以提高褐煤的氧化程度。理工大學(xué)的佟威[3] .中國農業(yè)大學(xué)的袁紅莉(4]等201.1.1 大浮沉實(shí)驗世紀80年代末也相繼開(kāi)展了這方面的研究工作。.浮沉實(shí)驗中利用氯化鋅配制重液,分級密度分但目前總體上說(shuō)，研究工作進(jìn)展較慢'5],更談不上別為1.30、1. 50、1.70。工業(yè)應用,其中受到以下限制:①優(yōu)良的降解菌1.1.2 硝酸氧化處理種一- 目前在煤降解菌種的尋求上還未取得突破性將篩分得到的不同粒級的煤樣與8 mol/L的硝進(jìn)展,尚未找到轉化效果非常顯著(zhù)且適應廣泛的廉酸以15:40g/mL的比例混合,攪拌至煤樣溫度回復價(jià)菌種,至今所報道的菌種對煤的降解能力有限;室溫,然后靜置24h。經(jīng)去離子水沖洗至溶液的pH②煤炭不同于銅、金等金屬礦物,它作為主要能源物值大于5 ,最后在859C的烘箱中烘36h。質(zhì)之一,生產(chǎn)量非常大,因此處理量巨大,而單位價(jià)1.1.3 微波處理值又低,單位處理成本與單位價(jià)值不成比例;③褐將硝酸氧化過(guò)的煤在500 W的微波爐中氧化煤轉化率很低一Helena(6] 等報道的轉化率不到5min。25%。研究主要從菌種改良、煤的改性以及溶煤條1.2 培養基件等方面來(lái)尋求提高溶煤效果的方法。實(shí)驗中采用3類(lèi)培養基:固體溶煤培養基( SMA) :麥芽糖40g/L,蛋白胨1實(shí)驗材料與方法10g/L,瓊脂16g/L。1.1煤樣及預處理馴化培養基:撫順原煤50g/L,瓊脂20g/L。實(shí)驗中研究的褐煤于2007年3月采自遼寧省液體溶煤培養基( SMB):麥芽糖40g/L,蛋白胨中國煤化工收稿日期2007-11 -06CHCNMHG基金項目:國家自然科學(xué)基金(50374068);煤炭加工與高效利用教育部重點(diǎn)大汕生開(kāi)成空血wBurtunw-L);中國礦業(yè)大學(xué)科技基金(E200407)作者簡(jiǎn)介:石開(kāi)儀(1982 -) ,男,布依族,貴州平塘入,研究生,從事煤戍微生物轉化等研究。褐煤生物溶煤優(yōu)化試驗研究煤質(zhì)技術(shù)10g/L。80 W的微波下加熱3min,離心除去上清液,再加一l.3 溶煤微生物及其馴化定去離子水,重復微波破碎步驟,直到菌絲與煤粒分1.3.1試驗菌種開(kāi)為止.收集沉淀的殘留煤粒煤粒,干燥.按照(1)實(shí)驗中采用的微生物主要是研究室自行保藏的式計算。真菌AH,此外還有來(lái)自中科院微生物研究所的云2結果與討論芝金針菇裂褶等真菌。1.3.2茵種誘變育種2.1誘變對溶煤的影響為得到轉化效率更高的菌株,采取了紫外誘變在筆者先前的研究中,只有真菌AH對撫順褐和化學(xué)誘變育種方法。紫外誘變條件:30W紫外燈煤有較明顯的溶煤效果,云芝、金針菇、裂褶等對撫.下30cm處進(jìn)行紫外誘變,誘變時(shí)間分別為4min和順褐煤作用不明顯”。經(jīng)過(guò)多次紫外誘變篩選,云.5min?；瘜W(xué)誘變條件:誘變劑亞硝酸鈉,誘變時(shí)間分芝金針菇對降解撫順褐煤的能力增強如圖1所示。別為30s ,60s、90s和180s。從培養皿被染黑的程度可以發(fā)現,云芝和真菌AH1.3.3菌 種的馴化培養通過(guò)紫外誘變5min得到固體溶煤效果比未誘變和由于大多數溶煤菌種都是在煤炭作為唯- -碳源誘變4min的菌株效果好;而金針菇紫外誘變4min的培養基中篩選出來(lái)的,利用這個(gè)思想，可以將微生更理想;裂褶誘變未篩選到有明顯溶煤效果的菌.物直接接種在褐煤上,即以褐煤為唯一營(yíng)養源進(jìn)行株。馴化。實(shí)驗中馴化的培養基組成為:30%撫順硝酸氧化褐煤和2%瓊脂。瓊脂加熱融化后與煤混勻,平板凝固后接種,于27. 5C的烘箱中靜置培養。1.4溶煤效果衡量指標衡量溶煤效果的主要指標有:①定性指標一通過(guò)固體溶煤平板顏色的變化,通過(guò)拍照直觀(guān)表征;②定量指標一溶煤前后煤炭的失重率。 具體操作如下:(a)對于固體溶煤培養基,溶煤數天后,將培養基表層的煤粒和菌絲刮下,用去離子水將固體培養基上的殘留煤粒、菌絲沖洗干凈，將刮下和沖洗的菌圖1紫外誘變溶煤絲、煤粒收集到一個(gè)三角瓶中,加去離子水至a-未誘變; b- -誘變 4min;一-誘變 5min100mL,在功率為80W的微波下加熱3min,使菌絲與煤粒充分分離。隨后在其中加入攪拌子、玻璃珠，實(shí)驗中同時(shí)利用亞硝酸鈉對這些真菌進(jìn)行了不在磁力攪拌器中劇烈振蕩10min。多次洗滌、離心，同時(shí)間的化學(xué)誘變,但是致死率高,存活菌株也沒(méi)有除去漂浮的菌絲,將沉淀的煤粒進(jìn)行過(guò)濾,80C下干較好的溶煤效果?？梢?jiàn)，紫外誘變是本系列菌種改燥24h,稱(chēng)殘留煤粒重。按式(1)計算:良的一種有效手段,但是并不是所有的誘變都是正誘變,誘變結果隨機性比較大。轉化率η= (m。-m)/m。x 100%(1)22撫順褐煤的大浮沉試驗式中η-轉化率,%;m。.m-加入煤 和溶煤殘留物的質(zhì)量,為除去煤中矸石,對原煤進(jìn)行了大浮沉試驗。g分級密度分別為1. 30,1.50,1.70g/L,結果見(jiàn)表1。(b)對于馴化培養基,將培養皿中的菌、煤、瓊表1撫順褐煤的大浮 沉試驗脂混合物全部刮下,收集于三角瓶中,在功率為300W的微波下加熱，使得瓊脂融化,迅速離心,除去上密度/g .1.3-1.5 1.5-1.7 +1.7 合計清液。重復多次,將瓊脂和菌絲完全去除,然后過(guò)濾中國煤化工251270 519524.45 100沉淀的煤粒,干燥,按式(1)式計算。HCNMHG58 63.518(c)對于液體培養基,將溶煤數天后的混合液加人大燒杯中,加入等體積的去離子水，在功率為實(shí)驗中選用了不同密度級的撫順褐煤進(jìn)行硝酸氧化72<潔凈煤技術(shù))2008年第14卷第2期煤質(zhì)技術(shù)全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊《CAJ-CD 規范)執行憂(yōu)秀期刊-以及未經(jīng)過(guò)分選的硝酸氧化煤進(jìn)行固體溶煤試驗,溶煤- -周后,其轉化率見(jiàn)表2。表2真菌 AH對不同密度級的撫順褐煤的轉化率密度級/g+L加煤量/g殘煤/g轉化率/%3}-1.30.99820.5504第1次 第2次第3次第4次1.3-1.51. 03350. 841818.55馴化次數/次1.5-1.70.95358.88圖2不同馴化次數的轉化率+1.71.19271.10996.94未分選煤1. 02700.855416.71由表2可以發(fā)現,隨著(zhù)灰分的增加,撫順褐煤的衰4真菌AH在撫順氧化煤中生長(cháng)的轉化率隨時(shí)間的變化轉化率降低.這里可能有2方面的原因:第- - ,微生溶煤時(shí)間/d加煤量/g轉化率/略物在實(shí)驗時(shí)間內不對矸石起作用,除去了煤中的矸2. 56112.152515.95石成分就意味著(zhù)精煤含量增高,微生物在降解等量182. 00151.669716.58煤的情況下其轉化率就相應提高;第二,降低煤的22 0023L.637518.22灰分有利于微生物對褐煤的利用,因為煤矸石共生源中更有利于其生長(cháng)。會(huì )阻攔微生物對煤的直接作用。2.5 pH 值對真菌AH溶煤的影響2.3真菌AH在SMB培養基中的溶煤率實(shí)驗中分別把初始SMB培養基用鹽酸和NaOH未經(jīng)過(guò)誘變、馴化的真菌AH同樣對撫順氧化溶液將pH值調為1.73、3. 80、4.80(自然pH值)、煤有明顯的溶煤效果。其溶煤率隨反應時(shí)間增加而9. 54和10.43,滅菌,接種馴化4次的真菌AH,于提高見(jiàn)表3?？梢钥吹?溶煤率是逐漸增高的。27.5C下生長(cháng)3天后,加0.25~0.5mm硝酸微波氧化煤加煤后又測定各pH,其變化見(jiàn)表5。表3真菌AH在撫順氧化煤中生長(cháng)的轉化率裹5溶煤前pH的變化加煤/g0.60680.55438.65編號0.970716.12滅菌前1.73 3.804.809.5410.434.805.650.93890.7678滅菌后1.573.72 4.74 6.99 6.734.73(9.00) 5.480.51440.390624.07加煤前1.75 5.61 7.64 7.68 6.228.597.46加煤后1.75 5.36 7.25 7.42 5.978.497. 462.4真菌AH直接在撫順氧化褐煤中生長(cháng)的轉化率說(shuō)明:3號和6號在滅菌前后是-樣的，而6號在滅蘭后NaOH調真菌AH可以把撫順褐煤作為唯- -營(yíng)養 源進(jìn)行節至堿性(9.00),7號為對照,即沒(méi)有加人硝酸氧化煤。生長(cháng)。這個(gè)現象不難解釋,既然可以從煤炭中篩選由表5可以看到,高溫滅菌前后pH值均有不.菌種,當然可以反過(guò)來(lái)利用煤炭對馴化微生物以提同程度的降低.實(shí)驗中還發(fā)現,堿性條件下的培養高其降解能。隨著(zhù)在撫順褐煤作為唯- - 碳源的培養基滅菌后顏色由淡黃色變?yōu)楹稚?可能是培養基的基中馴化次數的增加,微生物利用煤炭的能力逐步某些高分子與NaOH反應的結果,這同時(shí)解釋了滅提高如圖2所示。由表4還可以發(fā)現,馴化第4代菌以后其pH值降低的原因酸性的培養基的pH的真菌AH降解撫順硝酸氧化褐煤的量隨著(zhù)時(shí)間的值降低可能與培養基在高溫下水分蒸發(fā)和離子活度逐漸增高。第21d,利用率可達到18. 22%。這可以增強有關(guān).將真菌AH接到上述培養基后培養3天成為微生物溶煤應用的一-個(gè)新方向,即不需要昂貴后,酸性的培養基pH值增加(1 ~4號),堿性的培的培養基,只需要將微生物投放在褐煤堆場(chǎng)中,就可養基pH值降低(6號)?？赡苁钦婢谏L(cháng)過(guò)程中以降解煤炭。5￥.基是在滅菌后將實(shí)驗還發(fā)現,將馴化過(guò)的真菌AH接種在SMApH值MH中國煤化工目的是考察堿性培養基中溶煤時(shí),其生長(cháng)速率加快,在36 h內可以條件CNMH G酸氧化煤后,除1長(cháng)滿(mǎn)直徑9cm的培養皿,而未馴化的真菌AH需72.號外,其他各培養基的pH值都有不同程度的降低。h以上。這說(shuō)明使真菌“饑餓”后,再在豐富的營(yíng)養這是因為,在褐煤的硝酸預處理過(guò)程中,是將處理煤褐煤生物溶煤優(yōu)化試驗研究73萬(wàn)萬(wàn)數據.煤質(zhì)技術(shù)沖洗到浸洗液pH值大于5和溶液為無(wú)色為止,褐比筆者前期的研究中轉化率提高-倍以上”,原因煤中還殘留一些H* ,使得pH值大于5的培養基(2可能與下列因素有關(guān):①菌種經(jīng)過(guò)改良:實(shí)驗用的菌~6號)的pH值下降。種為在以褐煤為唯--營(yíng)養源的環(huán)境下馴化的真菌隨著(zhù)溶煤時(shí)間的推進(jìn),培養基的pH值變化如AH。②煤的預處理:實(shí)驗中采用的撫順褐煤先通過(guò)圖3所示。硝酸氧化,然后在500W的微波下繼續氧化5min。9[7而起始pH值為9.54的培養基4號由于其堿性不是很強,在滅菌后pH值迅速降低至中性,堿的作用不強，所以其轉化率相對較低,這還可能與起始的堿告52性物質(zhì)將培養基中的營(yíng)養源破壞有關(guān)。而起始pH值很高的培養基5號和滅菌后調節pH值至很高的16~ 51202530356號的轉化率很高,接近85%。實(shí)驗中發(fā)現,幾乎所溶煤時(shí)間/天有的煤都變成了黑色的液體,主要成分為腐植酸。圍3不同起始 pH下溶煤液體pH的變化這2個(gè)培養基中,堿溶解作用占主導地位。因為在注:圖中編號與表5的含義相同溶煤前期,培養基中微生物根本沒(méi)有生長(cháng),只有到由圖3可以看到，起始pH值為酸性的培養基12d以后pH值下降到5以下,如圖3所示才開(kāi)始出的pH值在整個(gè)過(guò)程中的pH值變化不大,仍然保持現生長(cháng)的菌絲。在很低的水平。實(shí)驗中還觀(guān)察到,1號培養基由于3結論pH值太低,小于2,真菌AH不能生長(cháng),因而其pH變化也不大。其他試樣pH值都呈現先降低后升高(1)紫外誘變的云芝、金針菇以及真菌AH對的趨勢,但開(kāi)始降低的時(shí)間和降低的程度有差別。撫順硝酸氧化煤有明顯的作用而裂褶紫外誘變前起始pH值比自然pH值低的2號變化相對緩慢,其后都沒(méi)有明顯的溶煤。pH值在3.5~6之間波動(dòng)。起始自然pH值3號與(2)真菌AH在以撫順褐煤為唯-營(yíng)養源的培接近中性的培養基4號5號在溶煤前期下降很快，養基中可以正常生長(cháng),其對煤的最高利用率為后期緩慢.上升。而接種時(shí)培養基為堿性的6號的開(kāi)18. 22% ,這可以作為微生物溶煤的應用一個(gè)可行方始也是下降,然后急劇上升。在沒(méi)有加煤的培養基向。7號中,pH值先上升在緩慢下降，最后有所回升。(3)真菌AH在以撫順褐煤為唯-營(yíng)養源的培筆者前面的研究發(fā)現,pH值的下降與真菌分泌胞外養基中進(jìn)行馴化后,用其進(jìn)行溶煤,其生長(cháng)更快36h酶相關(guān)”。研究發(fā)現,褐煤的加入有促進(jìn)真菌AH可以長(cháng)滿(mǎn)直徑為9cm的培養皿,其對撫順硝酸微波分泌胞外酶的作用,因為7號培養基pH值下降的氧化煤的溶煤效率為44.86%。時(shí)間有所延遲,并且下降也比較慢。此外,pH值的(4)pH對溶煤有較大的影響。堿性條件對煤有降低可能還與溶煤過(guò)程中產(chǎn)生- -些酸性物質(zhì)如羥基極強的作用,其轉化率接近85% ,產(chǎn)生大量腐植酸。類(lèi)羧基類(lèi)、醇基類(lèi)有關(guān)*。pH值的回升可以同時(shí)酸性條件不利于溶煤,其轉化率不到10%。中性環(huán)與胞外酶的失活和溶煤產(chǎn)物被消耗相關(guān)。境下,真菌AH溶煤過(guò)程中,pH值先下降,這與產(chǎn)生溶煤30d后,其轉化率見(jiàn)表6。醇基類(lèi)、羧基類(lèi)羥基類(lèi)物質(zhì)有關(guān);后期pH值回升,可能是部分降解產(chǎn)物被利用的結果。表6不同pH下的SMB培養基中的轉化率編號參考文獻:加煤量/g 0.9033 0.9241 0.9982 0.9721 0.9059 0. 8903[1] Fakoussa R M. Production of water-soluble Coal Sub-殘煤量/g 0.8815 0.8502 0.5504 0.5610 0.1400 0. 1384stance by Partial Microbial Liquefaction of Untreated HardI轉化率/% 2.41 8.0044.8642.30 84.5584.46注:表中編號含義與表S相同。中國煤化):251 -260.[2]Iation of coal by the由表5可以看到,在起始pH值較低的培養基THCN M H Goria Placenta [].中,幾乎褐煤沒(méi)有被利用1號或者只有少量被利用Applied and Environmental Microbial, 1982, 44(1):232號。在自然pH值的培養基中轉化率為44.68%,~27.《潔凈煤技術(shù))2008年第14卷第2期煤質(zhì)技術(shù)全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊(CAJ-CD 規范}執行優(yōu)秀期刊-[3] 佟威,孫玉梅,韓威,等關(guān)于微生物溶煤作用幾個(gè)影l(fā)ow rank coals [J]. Fuel Peoessing Technology, 2002,響因素的研究[J].煤炭轉化,1996,19(3) :63 ~68.77(78):17 ~23.[4]袁紅莉, 陳文新,本村真人褐煤風(fēng)化過(guò)程中化學(xué)特性[7]石開(kāi)儀,陶秀祥 ,尹蘇東，等撫順褐煤的微生物溶煤的變化[J].環(huán)境化學(xué),1997,16(4):311 ~315.[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007 ,36(3) :339 ~342.[S] 楊金水，倪晉仁.褐煤的微生物潔凈化技術(shù)研究 [8] 王龍貴,張明旭,毆澤深,等白腐真菌降解轉化煤炭[J].潔凈煤技術(shù)2005 ,1(3):69 -72. .的機理研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2006, 34(3) :40 ~[6] Helena M, Kamila P, Anna P. Microbial degradation of43.Optimization test of lignite bio-solubilizationSHI Kai-yji ,TAO Xiu-xiang,CHEN Hui,L Yang(School of Chemical Engineering and Tehnlogy ,China Unirersity of Mining & Technology ,Xuhou 221008 ,China)Abstract:To improve properties of Fu Shun lignite , big vicissitude test, nitric acid microwave oxidations were usedin this study. Fungi AH,Polsporus versicolor ,Collybia veluipes and Schizophyllum commune were also treated by UVand chemicals. Especially , Fungi AH was inoculated on lignite , which is used as the only growth substrate,to im-prove its ability to dissolve Fushun Lignite. Fungi AH can easily dissolve fine lignite treated by nitric acid and mi-crowave. After mutation , Fungi AH dissolved 45% of lignite treated by nitric acid and microwave. In addition , FungiAH is able to grow on Fu Shun lignite with 18. 22% utilizing ratio. Alkaline solution is benefit for bio-solubiliza-tion.Keywords :bio-solubilization; lignite; conversion rate; mutation; domestication. (上接第70頁(yè))Research on gasification properties of coal maceralsand their influencing factorDU Juan,HE Xiu-feng, CHEN Xiao-i , CHANG Li-ping(Key Laboratory of Coal Science and Technology , Taiyuan Unirersity of Technology,Ministry of Educaion and Shanxi Province ,Tairyuan 030024 ,China)Abstract :The petrographical characteristic of coal is one of the key factors that infuence the properties of coal andits conversion technologies. The properties of macerals gasifcation and their influence factors were summarized inthis paper. The gasification reactivity of vitrinite , inertinite and exinite was summed up and compared. The in{lu-ence of coal rank , pressure and temperature in reactor , heating rate , minerals in coal, structure and of macerals ongasification were discussed in detail. And the opinion to pay atention to the efets of macerals in coal gasificationwas also presented.Keywords: coal; maceral; gasification歡迎訂閱《潔凈煤技術(shù)》雜志中國煤化工120元，fHCNMHG投稿信箱:jjmjs@ 263. net褐煤生物溶煤優(yōu)化試驗研究75