本發(fā)明涉及復合材料合成及清潔能源生產(chǎn)，特別涉及一種驅動厭氧鐵呼吸耦合降碳的磁性復合電子介體材料的制備方法及其應用。

背景技術：

1、傳統(tǒng)蛋白質有機廢水(protein-containing?wastewater,pcow)甲烷化的高效運轉主要依賴于長碳鏈揮發(fā)酸向乙酸轉化的種間氫傳遞(interspcies?h2?transfer)機制，由于iht對外界不良環(huán)境具有高度敏感性，致使蛋白質有機廢水厭氧消化時存在明顯酸性積累并危害體系運轉。金屬導電材料對厭氧體系的介導效應來自于有機物礦化所驅動的異化金屬還原過程可實現(xiàn)電子的轉移并伴隨低價離子的釋放。異化金屬還原不僅能夠保證電子的高效、定向傳輸并且還原產(chǎn)生的低價金屬離子能夠刺激微生物酶活性。這一電子傳遞路徑的存在能夠減少厭氧微生物電子傳遞呼吸鏈的能耗并保證微生物種群間電子的高效性，實現(xiàn)強化pcow甲烷化的目的。

2、當下主流的金屬導電材料多為鐵基、錳基等單金屬基材料，為探究復合材料相較于單金屬基材料的優(yōu)異性，本方案提出通過制備成本低廉、生物兼容性好的雙金屬基材料以解決pcow厭氧發(fā)酵的酸性積累問題，驅動pcow厭氧降碳提質增效，從而為傳統(tǒng)的pcow厭氧處理提供新思路。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于此，本發(fā)明提出一種驅動厭氧鐵呼吸耦合降碳的磁性復合電子介體材料的制備方法及其應用，解決上述問題。

2、本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

3、一種驅動厭氧鐵呼吸耦合降碳的磁性復合電子介體材料的應用，包括以下(a)～(d)中的至少一種用途：

4、(a)在促進蛋白質有機廢水的scod降解中的應用；

5、(b)在促進蛋白質有機廢水厭氧消化產(chǎn)酸中的應用；

6、(c)在促進蛋白質有機廢水厭氧消化產(chǎn)甲烷中的應用；

7、(d)在促進蛋白質有機廢水厭氧消化微生物群落變化中的應用；

8、所述驅動厭氧鐵呼吸耦合降碳的磁性復合電子介體材料為鐵錳雙金屬基材料。

9、優(yōu)選的，所述鐵錳雙金屬基材料為mnfe2o4。

10、優(yōu)選的，所述mnfe2o4的添加量為200～800mg/g·vss。

11、優(yōu)選的，所述mnfe2o4的添加量為600mg/g·vss。

12、優(yōu)選的，所述mnfe2o4采用水熱共沉淀法合成。

13、優(yōu)選的，mnfe2o4的制備方法為：按mn/fe元素的摩爾比取錳鹽和鐵鹽，溶解于無氧去離子水中，與naoh溶液充分混合，所得混合液在80～90℃下加熱2～3h，自然冷卻至室溫，通過磁力分離收集黑色固體，并用去離子水洗至中性，然后將黑色固體先置于二甲基亞砜溶液在70～80℃的條件下分散，超聲處理，最后用蒸餾水和無水乙醇對mnfe2o4進行離心洗滌。

14、優(yōu)選的，所述錳鹽包括氯化錳水合物、硝酸錳水合物、硫酸錳水合物。

15、優(yōu)選的，所述鐵鹽包括氯化鐵水合物、硝酸鐵水合物、硫酸鐵水合物。

16、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

17、(1)通過向厭氧體系中投加mnfe2o4可以提高scod的降解和提高ch4的日產(chǎn)率，顯著強化厭氧消化過程。經(jīng)過90天消化過程，發(fā)現(xiàn)添加600mg/g·vss?mnfe2o4可促進scod降解和ch4日產(chǎn)量，降解率高達89.13％，甲烷日產(chǎn)量比對照組高40.53％，表現(xiàn)出最佳降解性能與資源回收最大化。

18、(2)在不同有機負荷條件的試驗中，進水scod濃度最高時，mnfe2o4的scod去除率基本維持在66％，相比于fe3o4組和mno2組提高了10.49％和15.26％。結合微生物群落結構和功能基因分析，發(fā)現(xiàn)磁性mnfe2o4的添加可以能夠富集acetoanaerobium、syntrophomonas和methanosaeta等優(yōu)勢種群，從而建立起以acetoanaerobium、syntrophomonas和methanosaeta為主導的互作機制。

19、(3)基于對運行效能以及微生物群落變化的研究，表明mnfe2o4中的fe元素可誘導異化鐵還原(dissimilatory?iron?reduction,dir)為主的鐵呼吸反應，并可與最終甲烷化形成“電”互營效應，具體機理如下：(1)dir型鐵呼吸菌屬(syntrophorhabdus芳烴互營桿菌)在氧化揮發(fā)性脂肪酸(volatile?fatty?acids,vfas)時產(chǎn)生電子與fe2+；(2)所產(chǎn)生的電子在mn元素的二次介導效應下高效轉導至最終電子受體(methanosaeta鬃毛甲烷菌)；(3)隨著鐵呼吸型vfas氧化反應的持續(xù)進行，最終構建形成以mnfe2o4介導驅動鐵呼吸耦合降碳的新型直接電子傳遞(direct?interspeices?electron?transfer,diet)模式。mnfe2o4的雙通道電子介導效應可從加速電子轉移，促進微生物凝聚，提升體系抗沖擊負荷能力以及甲烷化提質增效方面優(yōu)化pcow的降碳效能。

20、(4)mnfe2o4所特有磁性特征可進一步實現(xiàn)該材料的回收與二次循環(huán)利用，具有極好的工程應用潛力。

技術特征：

1.一種驅動厭氧鐵呼吸耦合降碳的磁性復合電子介體材料的應用，其特征在于，包括以下(a)～(d)中的至少一種用途：

2.根據(jù)權利要求1所述的應用，其特征在于，所述鐵錳雙金屬基材料為mnfe2o4。

3.根據(jù)權利要求2所述的應用，其特征在于，所述mnfe2o4的添加量為200～800mg/g·vss。

4.根據(jù)權利要求3所述的應用，其特征在于，所述mnfe2o4的添加量為600mg/g·vss。

5.根據(jù)權利要求2所述的應用，其特征在于，所述mnfe2o4采用水熱共沉淀法合成。

6.根據(jù)權利要求2所述的應用，其特征在于，mnfe2o4的制備方法為：按mn/fe元素的摩爾比取錳鹽和鐵鹽，溶解于無氧去離子水中，與naoh溶液充分混合，所得混合液在80～90℃下加熱2～3h，自然冷卻至室溫，通過磁力分離收集黑色固體，并用去離子水洗至中性，然后將黑色固體先置于二甲基亞砜溶液在70～80℃的條件下分散，超聲處理，最后用蒸餾水和無水乙醇對mnfe2o4進行離心洗滌。

7.根據(jù)權利要求6所述的應用，其特征在于，所述錳鹽包括氯化錳水合物、硝酸錳水合物、硫酸錳水合物。

8.根據(jù)權利要求6所述的應用，其特征在于，所述鐵鹽包括氯化鐵水合物、硝酸鐵水合物、硫酸鐵水合物。

技術總結
本發(fā)明提供了一種驅動厭氧鐵呼吸耦合降碳的磁性復合電子介體材料的制備方法及其應用。研究發(fā)現(xiàn)通過向厭氧體系中投加MnFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;可以提高SCOD的降解和提高CH<subgt;4</subgt;的日產(chǎn)率，顯著強化厭氧消化過程。此外，結合微生物群落結構和功能基因分析，表明可以在Acetoanaerobium、Syntrophomonas和Methanosaeta之間建立以VFAs氧化為電子匯的MnFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;介導的DIET，從而促進PCOW的分解。因此進一步說明了在厭氧消化工藝中適當補充MnFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;是實現(xiàn)蛋白質有機廢水處理工藝優(yōu)化的可行途徑。本發(fā)明中MnFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;采用水熱共沉淀法合成。

技術研發(fā)人員：王德欣,周欣瑋
受保護的技術使用者：海南大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/28