20 / 2021-06-24 11:05:11

碳量子点对厌氧消化中腐殖酸的屏蔽效果和机理

碳量子点,厌氧消化,腐殖酸

腐殖酸（HA）已被证明会抑制有机物的厌氧消化，找到一种合适的屏蔽腐殖酸的方法至关重要。前人主要通过添加金属离子、酶、以及物理化学法来屏蔽腐殖酸，但效果欠佳。这里，我们开发了一种新的屏蔽腐殖酸的方法，即用碳量子点作为屏蔽剂，研究其对厌氧消化中腐殖酸的屏蔽效果及机理。首先，考察了不同浓度HA对厌氧消化的影响；其次，分别以柠檬酸钠和对苯二胺为前驱体，制备碳量子点（柠檬酸钠-CDs、对苯二胺-CDs），研究其对厌氧中腐殖酸的作用效果；最后，通过红外表征、XPS表征、TEM分析、紫外分析等，分析碳量子点的屏蔽机理。结果显示，当加入1 g/L的HA后，最大累计产甲烷量最低，为120.4 mL/g VS，相比于对照组来说，最大累计产甲烷量的效率下降了43.51%。与添加1 g/L HA的实验组相比，3.0 g/L柠檬酸钠-CDs的实验组最大累计产甲烷量提高了1.9倍；1 g/L 对苯二胺-CDs的最大累计甲烷产量增加了1.5倍，说明碳量子点可以起到屏蔽HA的作用。微生物分析表明，与不加HA的对照组相比，在加入1 g/L HA后，甲烷八叠球菌的相对丰度下降了28.55%，说明HA可以抑制产甲烷菌的生长，从而降低厌氧消化产甲烷的效率。与加入1 g/L HA的沼液相比，加入3.0 g/L 柠檬酸钠-CDs的实验组的甲烷八叠球菌科的相对丰度增加了87.49%；与不加HA的沼液相比，甲烷八叠球菌科的相对丰度增加了39.28%。甲烷八叠球菌科相对丰度的大大提高可以显著地促进乙醇的厌氧消化产甲烷过程，从而优化厌氧消化系统的性能。对厌氧消化前后HA的结构进行分析，酰胺官能团和脂肪族官能团呈现下降趋势，芳香族官能团呈现上升的趋势，推测HA中酰胺官能团或者脂肪族官能团可能首先被降解，这些小分子通过聚合过程连接到HA单元上，最终形成具有较高含量腐殖化的结构来抑制乙醇的厌氧消化过程；HA上的羰基（C=O）、羧基（-COOH）以及碳碳双键（C=C）在柠檬酸钠-CDs和HA的相互作用中起着关键作用。