西安建大云斯寧教授Chem Eng J：雜原子摻雜構建表面官能團提升厭氧發酵系統的性能
【引言】
作為一種有機廢棄生物質再生利用的有效手段，厭氧發酵技術受到了廣泛關注。已有的研究表明：在厭氧發酵系統中引入炭材料功能促進劑，可以有效的提升厭氧發酵系統的性能。此外，在碳材料表面構造表面官能團，可以改變碳材料的導電性、親水性、疏水性、電化學性能、催化性能等。因此，設計和開發具有豐富表面官能團的厭氧發酵功能促進劑，提升厭氧發酵的產甲烷性能，對規模化厭氧發酵系統實現廢棄物資源化綜合利用有重大的意義。
【成果簡介】
近期，西安建筑科技大學云斯寧教授（通訊作者）新能源材料研究團隊在國際期刊Chemical Engineering Journal（期刊縮寫Chem Eng J）上在線發表題為“A strategy for understanding the enhanced anaerobic co-digestion via dual-heteroatom doped bio-based carbon and its functional groups（2021,425,130473）”的論文，報道了雜原子摻雜生物炭（NP-BC和NS-BC）作為促進劑，對牛糞和蘆薈厭氧共發酵系統的性能提升。論文采用N、S、P等雜原子摻雜，在生物炭表面構建了豐富的表面官能團。研究結果表明：相比于對照組（240.32 mL/g VS、45.63%和36.38%），含O（C-O和O-C=O）、含N（pyrrolic-N、pyridinic-N、graphite-N和oxidation-N）、含P（P-OH和O-P-O）和含S（S=O）官能團（NP-BC和NS-BC）的共發酵系統，其累計沼氣產量（526.77 mL/g VS和489.19 mL/g VS）、甲烷含量（66.48%和65.50%）、TCOD去除率（80.19%和73.58%）均得到了大幅度的提升。此外，發酵系統產生的沼渣也獲得了優異的熱穩定性（質量損失：44.64%和45.28%），作為生物有機復合肥的組成，表現出了潛在的應用價值（總養分含量：4.72%和4.88%）。
作者也提出了一種策略，從表面官能團的角度，解釋了雜原子摻雜生物炭促進劑對增強厭氧共發酵產甲烷的作用機理。一方面，含O、N和P官能團的引入促進了生物炭的電子交換能力（Electron exchange capacity，EEC），增強了產乙酸菌和產甲烷菌之間的電子轉移，促進厭氧發酵中有機物的降解和甲烷的產生；另一方面，含N、P和S官能團的引入增強了生物炭促進劑對CO2的吸附，加速了共發酵系統中CO2的消耗，促進CO2向CH4的轉化。
【圖文導讀】
圖1 ?（a）BC、（b）NP-BC和（c）NS-BC樣品的FTIR光譜。（d）雜原子摻雜生物炭的官能團類型。
圖2 雜原子摻雜生物炭厭氧共發酵系統的（a-c）日產氣量和（d-f）累積產氣量。
圖3 雜原子摻雜生物炭促進劑發酵系統的（a）CH4和（b）CO2含量，（c-d）厭氧發酵系統的總產氣量。
圖4 雜原子摻雜生物炭促進劑的電子交換能力（EEC）。EEC包括電子供給能力electron donating capacity (EDC)和電子接收能力electron accepting capacity (EAC)。
圖5 （a）雜原子摻雜生物炭提升厭氧發酵產甲烷的途徑；（b）表面官能團增強生物炭電子交換能力的示意圖。
【總結】
這項工作采用多種雜原子摻雜，在生物炭表面構造了含O、N、P、S豐富的表面官能團，作為功能促進劑，應用于厭氧發酵系統，改善了厭氧發酵環境，提升了厭氧發酵系統的綜合性能。有望從“沼氣清潔生產”、“廢棄物高效降解”和“沼渣肥料化利用”等三個方面提高厭氧發酵系統的整體性能，實現廢棄物（蘆薈廢棄物、糞便廢棄物、城市污泥廢棄物） “熱—電—肥聯產”的資源化的綜合利用。提出的表面氧化還原官能團增強厭氧發酵系統性能的策略，為開發高性能厭氧發酵促進劑提供了強有力的理論基礎和技術支持。
文獻鏈接：
Bingjie Li, Sining Yun*, Tian Xing, Kaijun Wang, Teng Ke, Jinhang An.?A strategy for understanding the enhanced anaerobic co-digestion via dual-heteroatom doped bio-based carbon and its functional groups, Chem. Eng. J., 2021, 425, 130473.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130473
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721020593?via%3Dihub
【作者簡介】
通訊作者-云斯寧：西安建筑科技大學，二級教授，博士生導師，陜西省“特支計劃”科技創新領軍人才，陜西省中青年科技創新領軍人才。2007年于西安交通大學獲博士學位，學位論文獲2007年度西安交通大學優秀博士論文(14/423)。2007年獲準國家留學基金委“西部地區人才培養特別項目”資助。2008-2009年在韓國Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT國家重點實驗室高級訪問研究。2015年8月訪問美國斯坦福大學、美國加州大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室。2016年8月英國里丁大學訪問交流。2016-2017年瑞士洛桑聯邦理工學院EPFL高級訪問交流。近年來主要從事無機非金屬能源材料高效和資源化利用研究。迄今以第一作者兼/或通訊作者在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy Environ Sci, Electrochem Energy Rev, Adv Mater, Adv Energy Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy, Appl Catal B-Environ, Angew Chem Int Edit, Renew Sust Energ Rev,?J Mater Chem A, Chem Eng J,?ChemSusChem, Carbon, J Power Sources, Bioresource Technol等國內外行業主流期刊上發表SCI論文120余篇。主編/參編專著9部，其中：主編外文專著2部；主編中文專著1部(2014獲中國石油和化學工業優秀出版物二等獎)；主編研究生教材1部；參編中國、法國、印度、瑞典、波蘭教授專著5部（之一下載量超過10萬余次）。擁有26項國家授權專利技術。
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