基于量子理论的煤炭生物气化基础研究

发布时间：2020-10-22 00:31

　　 在未来可预见的时间内,煤炭仍将是我国能源的主体,但是,煤炭的大量使用所产生的污染与我国当前提倡的青山绿水发展理念相悖。由此如何绿色、高效、经济的使用好煤炭将是我国科技工作者长期的研究课题,对于我国的可持续发展具有十分重要的意义。煤炭的生物降解气化研究基于煤层气,主要是生物二次成气的原因,利用生物技术将煤炭进行气化,变为洁净能源,不但彻底解决了由于采矿所造成的地表塌陷、地下水污染等一系列地质灾害等问题,同样彻底解决了由于煤炭在燃烧和化工气化过程中所产生的大气污染、水环境污染等一系列环境污染问题。煤炭的生物降解气化是一种生物技术、矿物加工技术及煤化工技术相结合的跨学科、跨专业的生物工程创新研究,是多种学科技术的交叉和融合,是十三五以来对煤炭走“绿色”洁净转化技术之路的响应,意义十分重大。本论文进行了低阶煤微生物产气试验研究,进而选取煤炭模型化合物进行生物气化模拟研究,最后通过采用Materials Studio软件对煤炭中相关模型化合物和官能团进行量子化学计算,分析煤炭生物气化中管能团的分解和键的断裂规律,对煤炭生物气化在微观上作出有益的探索。在以煤炭和煤炭模型化合物为研究对象中,分别采用安徽省明光市来安县来安酒厂和淮南市安徽省淮南市天顺生态养殖有限公司沼液中的厌氧发酵菌群为外来菌源,通过菌群富集培养后对煤炭进行厌氧发酵产甲烷试验。通过单因素试验考察温度、pH、煤样粒径以及煤与菌液用量之比等因素对生物甲烷产生的影响,对试验结果的分析确定了最优单因素条件,煤炭的最优生物气化工艺条件是:温度为37℃,pH=7,煤样粒径为0.5mm,煤与菌液用量之比为1:5,在此条件下沼液中的厌氧菌群产气量达到最大值,为9.0mL,总量是 36.3mL。本文先对煤及模型化合物进行微生物降解气化的试验,试验过后发现降解后的产物中有机硫的含量降低的不是很明显,为了探讨煤炭生物气化的机理以及更好的理解煤中硫的脱除,通过采用Materials Studio中的Dmol3程序对硫醚和噻吩硫的模型化合物二苯二硫醚和二苯并噻吩的结构和相关性质(键角键长、Mulliken电荷、振动强度、热力学性质、分子得失电子能力和稳定性)进行了理论计算与研究。通过Dmol3中的geometry optimization计算出各原子的电荷、振动频率等性质。通过对模型化合物分子的计算结果来预测煤炭生物气化中管能团的分解和键的断裂,对研究煤炭生物气化的机理及煤中硫的脱除有着重要意义。本文通过微生物对煤的降解气化过程中硫元素含量的变化,选择具有代表性的硫醚和噻吩硫的含硫模型化合物,开展量子化学计算,通过模型化合物几何参数,化学键轨道将计算预测反应断键位置,模拟分析煤炭生物气化条件下硫醚和噻吩硫等断键机理。其中二苯二硫醚中两个S原子直接作用,它们之间的相互作用较强振动频率大,周围电子多,易断裂,使S原子带有孤电子增加其反应能力,导致硫醚键断裂,从而使两个S原子裸露出来,更容易与外界发生反应对硫醚进行脱除;二苯并噻吩分子中S原子与其它4个C原子共在一个噻吩环中,噻吩环周围电子云密度大,其中S原子的电负性又比C的大吸引电子的能力更强,更容易发生反应使噻吩环断裂,使噻吩硫从煤中脱除出去。
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD84
【部分图文】：

控制ｐＨ＝７．０，煤炭粒度为０．５ｍｍ，菌液用量为１０ｍＬ，把温度作为单一变量??因素，温度分别取为３４°Ｃ、３５°Ｃ、３６°Ｃ、３７°Ｃ、３８°Ｃ，进行一周的产气试验，一??周后对产气量进行测量并分析温度对微生物产气的影响，试验结果见图１。??如图１所示，在３４°Ｃ￣３８°Ｃ温度条件下进行单因素优选试验，随着时间的变??化，不同温度条件下的甲烷产气量存在差异，当温度在３７°Ｃ时曲线最高，产气量??达到最大值。而在其他温度下，甲烷产气量较低，尤其是在３４°Ｃ及３５°Ｃ温度条件??下，甲烷产气量最低，由此可以看出，当温度过高或温度过低，都会对生物甲烷??的产气量产生影响。通过试验发现，该微生物降解煤炭生成生物甲烷的最佳温度??条件为３７°Ｃ，由此可以大胆推测，沼液中对煤炭产生作用的主要菌群属于嗜温菌??［５７］（最适温度在３７°Ｃ左右）。??通过图１可以发现，当温度在３６°Ｃ及３８°Ｃ时，生物甲烷从第一天就开始产出，??但是产气量以及产气的速率没有温度在３７°Ｃ时候的高。通过３４°Ｃ、３５°Ｃ这两条曲??线可以看出

液用量为１０ｍＬ，把ｐＨ作为单一变量因素，ｐＨ分别取为６、６．５、７、７．５、８进行??一周的产气实验，一周后对产气量进行测量并分析ｐＨ对微生物产气的影响，试??验结果见图２。??如图２所示：在ｐＨ＝７时，生物甲烷产气量达到最大，最高可以达到８．９ｍＬ；??而在ｐＨ＝７．５时，生物甲烷产气量有所降低，产气量为８．５ｍＬ，而在ｐＨ条件为６、??６．５、８时，生物甲烷的产气量只有７．８ｍＬ左右，由此可以看出，中性（ｐＨ＝７）环??境最适合该菌群的生长，随着酸性的或者碱性的不断增强，生物产甲烷的产量都??在下降。由此可以看出，在中性或者偏碱性的环境下更加适宜该厌氧菌群的生长，??在过酸或者过碱条件下会对该产甲烷菌的产气起到抑制作用。说明微生物在中性??条件下的产气量是最高的，与煤反应的相关酶活性是最好的，碱性条件下次之，??酸性条件下微生物降解气化的产气量最低，不利于微生物气化的充分进行。而且，??煤炭微生物气化产甲烷是一个极其复杂的过程

度作为单一变量因素，煤炭粒度分别取１．５？０．７５ｍｍ，０．７５￣０．５ｍｍ，?０．５ｍｍ，??０．５￣０．２５ｍｍ，?０．２５￣０．１２５ｍｍ，进行一周的产气实验，一周后对产气量进行测量并??分析煤炭粒度对微生物产气的影响，试验结果见图３。??从图３中可以看出煤炭粒度为０．５ｍｍ时产气量生物甲烷的产生量最多，最高??为８．９ｍＬ。当粒度在０．７５？０．５ｍｍ和１．５？０．７５ｍｍ时，产气量在７．５ｍＬ左右，比粒??度在０．５ｍＬ时降低１５．７％，开始的产气量比较多，曲线斜率比较大，这可能因为??煤炭粒度大的时候，微生物与煤表面接触充分所以一开始产气就比较充分，而且??反应的前几天产气量速率增加的也很快，但是到了第四天产气量达到了最大值，??随后曲线斜率开始降低最后趋于平缓，造成这种现象的原因可能是由于煤炭粒度??过大与微生物接触过于充分，微生物降解气化快同时微生物代谢的也快，在产气??的同时微生物自身也有所消耗
【参考文献】

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本文编号：2850820