褐煤生物溶煤优化试验研究

煤质技术. 全国中文核心期刊矿业类核心期刊《CA)-CD规范)执行优秀期刊-褐煤生物溶堞代化试验研究石开仪,陶秀祥,陈慧,李阳(中国矿业大学化工学院，江苏徐州221008)摘要:研究通过大浮沉试验硝酸氧化、微波氧化等方法对抚顺褐煤进行改性;通过紫外、化学方法对真菌AH、云芝、金针菇以及裂褶进行了诱变,并对真菌AH在抚顺褐煤为唯一营养源的培养基中进行驯化。通过宏观观察和测定转化率发现,真菌AH对精煤含量高的、微波与硝酸氧化联合预处理的煤样具有较好的溶解效果;真菌AH经煤驯化后,其液体溶煤转化率高达45%。真菌AH可以直接利用抚顺褐谋,利用率最高可达18.22%; pH对溶煤也有重要的影响,碱性环境利于溶煤。关键词:生物溶煤;褐煤;转化率;诱变;驯化中團分类号:TQ460.38; TQ529.2文献标识码:A文章编号:1006 6772(2008 )02-0071 -05自从20世纪80年代初,德国的Fakussa"和抚顺西露天煤矿的原煤。将原煤破碎,筛分得到的美国科学家Cohen(2]等先后发现白腐真菌对低阶煤0.15~0.25mm和0.25~0.50mm2个粒级的2个有降解作用开始,已经取得了很大的进展,特别是美煤样。实验中通过大浮沉试验以提高精煤含量,降国、德国等发达国家在此领域已开展了广泛的研究低褐煤中矸石的影响;通过浓硝酸、双氧水以及微并取得了一系列成果。中国也紧跟其后,其中大连波氧化处理以提高褐煤的氧化程度。理工大学的佟威[3] .中国农业大学的袁红莉(4]等201.1.1 大浮沉实验世纪80年代末也相继开展了这方面的研究工作。.浮沉实验中利用氯化锌配制重液,分级密度分但目前总体上说，研究工作进展较慢'5],更谈不上别为1.30、1. 50、1.70。工业应用,其中受到以下限制:①优良的降解菌1.1.2 硝酸氧化处理种一- 目前在煤降解菌种的寻求上还未取得突破性将筛分得到的不同粒级的煤样与8 mol/L的硝进展,尚未找到转化效果非常显著且适应广泛的廉酸以15:40g/mL的比例混合,搅拌至煤样温度回复价菌种,至今所报道的菌种对煤的降解能力有限;室温,然后静置24h。经去离子水冲洗至溶液的pH②煤炭不同于铜、金等金属矿物,它作为主要能源物值大于5 ,最后在859C的烘箱中烘36h。质之一,生产量非常大,因此处理量巨大,而单位价1.1.3 微波处理值又低,单位处理成本与单位价值不成比例;③褐将硝酸氧化过的煤在500 W的微波炉中氧化煤转化率很低一Helena(6] 等报道的转化率不到5min。25%。研究主要从菌种改良、煤的改性以及溶煤条1.2 培养基件等方面来寻求提高溶煤效果的方法。实验中采用3类培养基:固体溶煤培养基( SMA) :麦芽糖40g/L,蛋白胨1实验材料与方法10g/L,琼脂16g/L。1.1煤样及预处理驯化培养基:抚顺原煤50g/L,琼脂20g/L。实验中研究的褐煤于2007年3月采自辽宁省液体溶煤培养基( SMB):麦芽糖40g/L,蛋白胨中国煤化工收稿日期2007-11 -06CHCNMHG基金项目:国家自然科学基金(50374068);煤炭加工与高效利用教育部重点大汕生开成空血wBurtunw-L);中国矿业大学科技基金(E200407)作者简介:石开仪(1982 -) ,男,布依族,贵州平塘入,研究生,从事煤戍微生物转化等研究。褐煤生物溶煤优化试验研究煤质技术10g/L。80 W的微波下加热3min,离心除去上清液,再加一l.3 溶煤微生物及其驯化定去离子水,重复微波破碎步骤,直到菌丝与煤粒分1.3.1试验菌种开为止.收集沉淀的残留煤粒煤粒,干燥.按照(1)实验中采用的微生物主要是研究室自行保藏的式计算。真菌AH,此外还有来自中科院微生物研究所的云2结果与讨论芝金针菇裂褶等真菌。1.3.2茵种诱变育种2.1诱变对溶煤的影响为得到转化效率更高的菌株,采取了紫外诱变在笔者先前的研究中,只有真菌AH对抚顺褐和化学诱变育种方法。紫外诱变条件:30W紫外灯煤有较明显的溶煤效果,云芝、金针菇、裂褶等对抚.下30cm处进行紫外诱变,诱变时间分别为4min和顺褐煤作用不明显”。经过多次紫外诱变筛选,云.5min。化学诱变条件:诱变剂亚硝酸钠,诱变时间分芝金针菇对降解抚顺褐煤的能力增强如图1所示。别为30s ,60s、90s和180s。从培养皿被染黑的程度可以发现,云芝和真菌AH1.3.3菌 种的驯化培养通过紫外诱变5min得到固体溶煤效果比未诱变和由于大多数溶煤菌种都是在煤炭作为唯- -碳源诱变4min的菌株效果好;而金针菇紫外诱变4min的培养基中筛选出来的,利用这个思想，可以将微生更理想;裂褶诱变未筛选到有明显溶煤效果的菌.物直接接种在褐煤上,即以褐煤为唯一营养源进行株。驯化。实验中驯化的培养基组成为:30%抚顺硝酸氧化褐煤和2%琼脂。琼脂加热融化后与煤混匀,平板凝固后接种,于27. 5C的烘箱中静置培养。1.4溶煤效果衡量指标衡量溶煤效果的主要指标有:①定性指标一通过固体溶煤平板颜色的变化,通过拍照直观表征;②定量指标一溶煤前后煤炭的失重率。 具体操作如下:(a)对于固体溶煤培养基,溶煤数天后,将培养基表层的煤粒和菌丝刮下,用去离子水将固体培养基上的残留煤粒、菌丝冲洗干净，将刮下和冲洗的菌图1紫外诱变溶煤丝、煤粒收集到一个三角瓶中,加去离子水至a-未诱变; b- -诱变 4min;一-诱变 5min100mL,在功率为80W的微波下加热3min,使菌丝与煤粒充分分离。随后在其中加入搅拌子、玻璃珠，实验中同时利用亚硝酸钠对这些真菌进行了不在磁力搅拌器中剧烈振荡10min。多次洗涤、离心，同时间的化学诱变,但是致死率高,存活菌株也没有除去漂浮的菌丝,将沉淀的煤粒进行过滤,80C下干较好的溶煤效果。可见，紫外诱变是本系列菌种改燥24h,称残留煤粒重。按式(1)计算:良的一种有效手段,但是并不是所有的诱变都是正诱变,诱变结果随机性比较大。转化率η= (m。-m)/m。x 100%(1)22抚顺褐煤的大浮沉试验式中η-转化率,%;m。.m-加入煤 和溶煤残留物的质量,为除去煤中矸石,对原煤进行了大浮沉试验。g分级密度分别为1. 30,1.50,1.70g/L,结果见表1。(b)对于驯化培养基,将培养皿中的菌、煤、琼表1抚顺褐煤的大浮 沉试验脂混合物全部刮下,收集于三角瓶中,在功率为300W的微波下加热，使得琼脂融化,迅速离心,除去上密度/g .1.3-1.5 1.5-1.7 +1.7 合计清液。重复多次,将琼脂和菌丝完全去除,然后过滤中国煤化工251270 519524.45 100沉淀的煤粒,干燥,按式(1)式计算。HCNMHG58 63.518(c)对于液体培养基,将溶煤数天后的混合液加人大烧杯中,加入等体积的去离子水，在功率为实验中选用了不同密度级的抚顺褐煤进行硝酸氧化72<洁净煤技术)2008年第14卷第2期煤质技术全国中文核心期刊矿业类核心期刊《CAJ-CD 规范)执行忧秀期刊-以及未经过分选的硝酸氧化煤进行固体溶煤试验,溶煤- -周后,其转化率见表2。表2真菌 AH对不同密度级的抚顺褐煤的转化率密度级/g+L加煤量/g残煤/g转化率/%3}-1.30.99820.5504第1次 第2次第3次第4次1.3-1.51. 03350. 841818.55驯化次数/次1.5-1.70.95358.88图2不同驯化次数的转化率+1.71.19271.10996.94未分选煤1. 02700.855416.71由表2可以发现,随着灰分的增加,抚顺褐煤的衰4真菌AH在抚顺氧化煤中生长的转化率随时间的变化转化率降低.这里可能有2方面的原因:第- - ,微生溶煤时间/d加煤量/g转化率/略物在实验时间内不对矸石起作用,除去了煤中的矸2. 56112.152515.95石成分就意味着精煤含量增高,微生物在降解等量182. 00151.669716.58煤的情况下其转化率就相应提高;第二,降低煤的22 0023L.637518.22灰分有利于微生物对褐煤的利用,因为煤矸石共生源中更有利于其生长。会阻拦微生物对煤的直接作用。2.5 pH 值对真菌AH溶煤的影响2.3真菌AH在SMB培养基中的溶煤率实验中分别把初始SMB培养基用盐酸和NaOH未经过诱变、驯化的真菌AH同样对抚顺氧化溶液将pH值调为1.73、3. 80、4.80(自然pH值)、煤有明显的溶煤效果。其溶煤率随反应时间增加而9. 54和10.43,灭菌,接种驯化4次的真菌AH,于提高见表3。可以看到,溶煤率是逐渐增高的。27.5C下生长3天后,加0.25~0.5mm硝酸微波氧化煤加煤后又测定各pH,其变化见表5。表3真菌AH在抚顺氧化煤中生长的转化率裹5溶煤前pH的变化加煤/g0.60680.55438.65编号0.970716.12灭菌前1.73 3.804.809.5410.434.805.650.93890.7678灭菌后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直接在抚顺氧化褐煤中生长的转化率说明:3号和6号在灭菌前后是-样的，而6号在灭蘭后NaOH调真菌AH可以把抚顺褐煤作为唯- -营养 源进行节至碱性(9.00),7号为对照,即没有加人硝酸氧化煤。生长。这个现象不难解释,既然可以从煤炭中筛选由表5可以看到,高温灭菌前后pH值均有不.菌种,当然可以反过来利用煤炭对驯化微生物以提同程度的降低.实验中还发现,碱性条件下的培养高其降解能。随着在抚顺褐煤作为唯- - 碳源的培养基灭菌后颜色由淡黄色变为褐色,可能是培养基的基中驯化次数的增加,微生物利用煤炭的能力逐步某些高分子与NaOH反应的结果,这同时解释了灭提高如图2所示。由表4还可以发现,驯化第4代菌以后其pH值降低的原因酸性的培养基的pH的真菌AH降解抚顺硝酸氧化褐煤的量随着时间的值降低可能与培养基在高温下水分蒸发和离子活度逐渐增高。第21d,利用率可达到18. 22%。这可以增强有关.将真菌AH接到上述培养基后培养3天成为微生物溶煤应用的一-个新方向,即不需要昂贵后,酸性的培养基pH值增加(1 ~4号),碱性的培的培养基,只需要将微生物投放在褐煤堆场中,就可养基pH值降低(6号)。可能是真菌在生长过程中以降解煤炭。5￥.基是在灭菌后将实验还发现,将驯化过的真菌AH接种在SMApH值MH中国煤化工目的是考察碱性培养基中溶煤时,其生长速率加快,在36 h内可以条件CNMH G酸氧化煤后,除1长满直径9cm的培养皿,而未驯化的真菌AH需72.号外,其他各培养基的pH值都有不同程度的降低。h以上。这说明使真菌“饥饿”后,再在丰富的营养这是因为,在褐煤的硝酸预处理过程中,是将处理煤褐煤生物溶煤优化试验研究73万万数据.煤质技术冲洗到浸洗液pH值大于5和溶液为无色为止,褐比笔者前期的研究中转化率提高-倍以上”,原因煤中还残留一些H* ,使得pH值大于5的培养基(2可能与下列因素有关:①菌种经过改良:实验用的菌~6号)的pH值下降。种为在以褐煤为唯--营养源的环境下驯化的真菌随着溶煤时间的推进,培养基的pH值变化如AH。②煤的预处理:实验中采用的抚顺褐煤先通过图3所示。硝酸氧化,然后在500W的微波下继续氧化5min。9[7而起始pH值为9.54的培养基4号由于其碱性不是很强,在灭菌后pH值迅速降低至中性,碱的作用不强，所以其转化率相对较低,这还可能与起始的碱告52性物质将培养基中的营养源破坏有关。而起始pH值很高的培养基5号和灭菌后调节pH值至很高的16~ 51202530356号的转化率很高,接近85%。实验中发现,几乎所溶煤时间/天有的煤都变成了黑色的液体,主要成分为腐植酸。围3不同起始 pH下溶煤液体pH的变化这2个培养基中,碱溶解作用占主导地位。因为在注:图中编号与表5的含义相同溶煤前期,培养基中微生物根本没有生长,只有到由图3可以看到，起始pH值为酸性的培养基12d以后pH值下降到5以下,如图3所示才开始出的pH值在整个过程中的pH值变化不大,仍然保持现生长的菌丝。在很低的水平。实验中还观察到,1号培养基由于3结论pH值太低,小于2,真菌AH不能生长,因而其pH变化也不大。其他试样pH值都呈现先降低后升高(1)紫外诱变的云芝、金针菇以及真菌AH对的趋势,但开始降低的时间和降低的程度有差别。抚顺硝酸氧化煤有明显的作用而裂褶紫外诱变前起始pH值比自然pH值低的2号变化相对缓慢,其后都没有明显的溶煤。pH值在3.5~6之间波动。起始自然pH值3号与(2)真菌AH在以抚顺褐煤为唯-营养源的培接近中性的培养基4号5号在溶煤前期下降很快，养基中可以正常生长,其对煤的最高利用率为后期缓慢.上升。而接种时培养基为碱性的6号的开18. 22% ,这可以作为微生物溶煤的应用一个可行方始也是下降,然后急剧上升。在没有加煤的培养基向。7号中,pH值先上升在缓慢下降，最后有所回升。(3)真菌AH在以抚顺褐煤为唯-营养源的培笔者前面的研究发现,pH值的下降与真菌分泌胞外养基中进行驯化后,用其进行溶煤,其生长更快36h酶相关”。研究发现,褐煤的加入有促进真菌AH可以长满直径为9cm的培养皿,其对抚顺硝酸微波分泌胞外酶的作用,因为7号培养基pH值下降的氧化煤的溶煤效率为44.86%。时间有所延迟,并且下降也比较慢。此外,pH值的(4)pH对溶煤有较大的影响。碱性条件对煤有降低可能还与溶煤过程中产生- -些酸性物质如羟基极强的作用,其转化率接近85% ,产生大量腐植酸。类羧基类、醇基类有关*。pH值的回升可以同时酸性条件不利于溶煤,其转化率不到10%。中性环与胞外酶的失活和溶煤产物被消耗相关。境下,真菌AH溶煤过程中,pH值先下降,这与产生溶煤30d后,其转化率见表6。醇基类、羧基类羟基类物质有关;后期pH值回升,可能是部分降解产物被利用的结果。表6不同pH下的SMB培养基中的转化率编号参考文献: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-残煤量/g 0.8815 0.8502 0.5504 0.5610 0.1400 0. 1384stance by Partial Microbial Liquefaction of Untreated HardI转化率/% 2.41 8.0044.8642.30 84.5584.46注:表中编号含义与表S相同。中国煤化):251 -260.[2]Iation of coal by the由表5可以看到,在起始pH值较低的培养基THCN M H Goria Placenta [].中,几乎褐煤没有被利用1号或者只有少量被利用Applied and Environmental Microbial, 1982, 44(1):232号。在自然pH值的培养基中转化率为44.68%,~27.《洁净煤技术)2008年第14卷第2期煤质技术全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CAJ-CD 规范}执行优秀期刊-[3] 佟威,孙玉梅,韩威,等关于微生物溶煤作用几个影low rank coals [J]. Fuel Peoessing Technology, 2002,响因素的研究[J].煤炭转化,1996,19(3) :63 ~68.77(78):17 ~23.[4]袁红莉, 陈文新,本村真人褐煤风化过程中化学特性[7]石开仪,陶秀祥 ,尹苏东，等抚顺褐煤的微生物溶煤的变化[J].环境化学,1997,16(4):311 ~315.[J].中国矿业大学学报,2007 ,36(3) :339 ~342.[S] 杨金水，倪晋仁.褐煤的微生物洁净化技术研究 [8] 王龙贵,张明旭,殴泽深,等白腐真菌降解转化煤炭[J].洁净煤技术2005 ,1(3):69 -72. .的机理研究[J].煤炭科学技术, 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页)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欢迎订阅《洁净煤技术》杂志中国煤化工120元，fHCNMHG投稿信箱:jjmjs@ 263. net褐煤生物溶煤优化试验研究75