[发明专利]一种镍掺杂磁性炭制备方法及其在暗发酵制氢中的应用

说明书

本发明提供一种镍掺杂磁性炭及其制备方法与应用，其主要组分为活性炭、NiFe₂O₄和少量的Ni(OH)₂，且NiFe₂O₄和Ni(OH)₂均匀附着在活性炭表面及孔隙中。本发明的镍掺杂磁性炭在中温条件下能够有选择性的提高微生物的活性，优化氢气发酵体系中的微生物群落结构；且在高温条件下，能够将发酵途径由乙醇型发酵转化为丁酸型发酵，而后者更有利于氢气的产生。

技术领域

本发明专利涉复合材料合成及清洁能源生产领域，具体涉及一种镍掺杂磁性炭制备方法及其在暗发酵制氢过程的应用。

背景技术

不断上涨的石油价格、有限的化石燃料储量、环境退化以及对即将到来的气候变化的担忧促使人们共同寻找可再生能源。氢气是一种理想的新型能源，热值是乙醇的2.72倍，甲烷的2.42倍，甲醇的3.0倍，二甲醚的3.82倍，而且燃烧产物仅为水，不产生烟尘、CO₂、NO_X和SO_X等有害产物，是最清洁的燃料。目前氢气的主要制备工艺包括：电解水制氢、生物质裂解制氢、化石原料制氢、天然气或工业尾气分离制氢和生物制氢等。传统的化石原料制氢会消耗大量矿物资源，成本高、能耗大，且制备过程中会产生污染物，对环境造成污染。电解水制氢虽然具有氢气纯度高、清洁环保等优点，但需要耗费大量电能，成本过高。

而生物制氢是利用某些微生物的产氢代谢产生H₂，运行成本较低，并且能以餐厨垃圾、秸秆和食品加工下脚料等生物基废物为底物进行厌氧发酵制氢，可以在消除环境污染的同时，生产清洁能源。生物制氢主要分为光发酵制氢和暗发酵制氢两种。但由于光发酵制氢耗能较高、运行操作复杂、只能利用小分子有机物且工艺运行不稳定等缺点，目前多采用更成熟的暗发酵制氢。中国专利文献CN104726501A(申请号201510145589.9)提供一种利用碳酸钙强化甘蔗渣发酵产氢的方法及应用，在基础发酵培养基中加入碳酸钙，得到最终发酵培养基；再接种嗜热厌氧梭菌进行暗发酵产氢。这类技术通过添加少量碳酸钙促进嗜热微生物的活性来增加甘蔗渣的转化率和氢气产量，但碳酸钙易造成发酵尾物脱水困难，增加了后续处置成本。为了解决上述问题，中国专利文献CN 109626375 A(申请号201910043590.9)公开一种锰掺杂磁性炭及其制备和在暗发酵制氢中的应用，所发明的锰掺杂磁性炭以锰盐、铁盐和活性炭为原料，采用油浴加热方式使其反应生成一种含有Mn和Fe等微量元素的磁性炭材料，该材料含有MnFe₂O₄、Fe₂O₃、MnCO₃等物质，这些物质可为发酵系统微生物的新陈代谢提供必要的微量元素、促进[FeFe]氢化酶活性、加快它们的生长速率，并且能够促进微生物在其表面和空隙内富集，从而形成一层稳定的生物膜，增强微生物对外界环境变化的抗冲击能力，提高微生物对营养物质的摄取及其代谢速率，获得最大发酵产H₂能力。但是上述专利还存在以下缺陷：(1)锰掺杂磁性炭中含有较高的氯元素，氯的质量百分比为10.5％，而过高的氯离子浓度不利于发酵产氢的进行。(2)锰掺杂磁性炭中含有不溶于有机酸的物质，降低了促进作用。(3)锰掺杂磁性炭对菌群没有选择性，不能优化氢气发酵体系中的微生物群落结构。(4)锰掺杂磁性炭无法改变暗发酵产氢途径。而改善微生物群落结构和优化暗发酵产氢途径都能够促进暗发酵产氢。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种镍掺杂磁性炭(Nickel dopedmagnetic carbon,简写为NDMC)及其制备方法，并将其应用于暗发酵产氢体系中，达到增加H₂产量和速率的目的。本发明所得镍掺杂磁性炭不仅磁性更强、分离效率更高；且其氯离子含量明显降低，极大地提高了产氢效率；应用过程中不需要调节pH，应用便捷，更适于扩大生产；并且，通过向暗发酵产氢中添加镍掺杂磁性炭可以对微生物种群结构进行调整，择优增强产氢菌。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：