多機能性複合材を活用した畜産系廃棄物の高度嫌気性消化技術開発

利用多功能复合材料开发畜禽粪便先进厌氧消化技术

基本信息

批准号：
22KF0140
负责人：
藤井学
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KF0140/
关键词：
嫌気性消化バイオガス畜産系廃棄物バイオ炭

项目摘要

家畜糞尿などの有機性廃棄物の嫌気性消化において、バイオガスの生産（水素やメタンガスの生成を促進するとともに基質の分解や新興汚染物質の除去などを向上させることは技術上重要な課題である。本研究では、嫌気性消化においてバイオ炭や活性炭、グラフェンを含むカーボン材料を活用することで、上述の処理向上・効率化を図る。研究初年度では、特に粉末活性炭、多層カーボンナノチューブ、グラフェンに着目し、バイオガス生成やその基礎となる嫌気性微生物群に及ぼす影響について調べた。電子顕微鏡やフーリエ変換赤外分光法によりカーボン材料の物性分析も併せて実施した。結果の一例を示すと、グラフェン30mg/Lや粉末活性炭100mg /Lの添加系において、メタン生成量がそれぞれ約28％および約27％の改善を示した。上述のカーボン材料が特に高い濃度の場合は生成量が下がったことから、カーボン材料が有する導電性により微生物間の電子伝達が促進される一方で、カーボン材料が潜在的に有する毒性の影響も示唆された。さらに、嫌気性消化プロセスに関わる微生物叢解析では、共起ネットワーク解析を実施し、バイオガスの生産性向上に寄与すると考えられる微生物叢の抽出を行った。以上のカーボン材料に加え、畜産系廃棄物由来のバイオ炭をニッケルフェライト粒子で修飾した新たな機能複合材の開発準備にも着手した。上記の合成プロセスでは、水熱温度や粒子添加量などの反応条件を制御することで、導電率、表面積など物性の異なるバイオ炭の精製を試みる。

在畜禽粪便等有机废物的厌氧消化中，提高沼气产量（促进氢气和甲烷气体的产生，以及基质分解和新兴污染物的去除）是一项重要的技术挑战。通过在厌氧消化中利用生物炭、活性炭和石墨烯等碳材料来提高上述处理和效率。在研究的第一年，我们重点研究了粉末活性炭、多壁碳纳米管和石墨烯，并利用电子显微镜和傅里叶变换红外光谱研究了碳对沼气生产和底层厌氧微生物的影响的一个例子。结果是石墨烯含量为 30 毫克/升，粉末活性炭含量为 100 毫克。 /L添加体系中，甲烷产生量分别提高了约28%和约27%。当上述碳材料的浓度特别高时，甲烷产生量减少，表明碳材料的电导率。虽然碳材料促进了微生物之间的电子转移，但也有人认为碳材料可能具有潜在的毒性作用。此外，与厌氧消化过程相关的微生物菌群分析揭示了共生网络。我们进行了分析并提取了被认为有助于提高沼气生产率的微生物菌群。除了上述碳材料之外，我们还创建了一种新的功能性复合材料，其中用镍铁氧体颗粒对源自牲畜废物的生物炭进行了改性。生物炭材料的开发也已开始。上述合成过程试图通过控制水热温度和颗粒添加量等反应条件来纯化具有不同物理性质（例如电导率和表面积）的生物炭。