微生物作用对煤组分及结构的影响规律研究

微生物作用对煤组分及结构的影响规律研究摘 要 微生物增产煤层气作为煤层气研究重点，以被研究者们大量研究，但对微生物作用后生物甲烷以及煤层组分结构的研究并不是很广泛，为了更加深入的研究，亟需形成微生物与煤层作用过程前后代谢产物及煤组分和结构检测评价方法，为微生物增产煤层气技术研究提供技术支持。因此本论文采用气相色谱与标准曲线法，对微生物代谢产物进行处理分析；采用傅立叶变换红外光谱法分析了微生物作用前后煤组分的变化；X射线衍射等方法对微生物作用前后煤结构变化进行检测分析。从三个方面开展微生物增产煤层气研究，以进一步探索微生物对煤组分和结构的影响。结果表明，煤在微生物作用后产生以甲烷为主的生物气，生物甲烷代谢促使煤中大分子的官能团或侧链脱落，从而致使C含量降低，孔隙率增大，实现了生物增透。关键词：生物成因煤层气；煤组分；煤结构；孔隙率AbstractMicrobial yield CBM as a research priorities in CBM, its has been studied by a varity of researchers, but the study of biogenic methane after action of microorganisms and the study of coal seam component structure is not very wide, in order to more in-depth research , urgent need for the formation of evaluation and detect methods that metabolites and coal composition and structure cross-reference of microorganisms and seam, for provide technical support for Microbial yield CBM technology. Therefore, this paper adopt gas chromatography，standard calibration curve method，fourier transform infrared spectrometry，x-ray diffraction method and other methods to carry out three studies of Microbial yield CBM. To further explore the impact of microbial for coal composition and structure. The results showed that, after the microorganisms coal will produce the biogas of methane-based. Biomethane metabolic urge coal macromolecular functional group or a side chain off, content of C decreased, and the porosity increases achieved biological antireflection. Keywords：biogenic coal-bed methane;coal composition;coal structure；porosity目 录第1章 前言11.1微生物增产煤层气概述11.2国内外煤层气研究及开采利用概况21.2.1国内概况21.2.2国外概况31.3微生物增产煤层气机理31.3.1微生物与煤作用过程中相关微生物群落及其功能41.3.2 微生物对煤组分和结构的影响51.4本论文的研究背景及研究内容6第2章 实验方法72.1生物甲烷代谢检测72.2生物气对煤样组分影响的检测82.2.1 煤样元素分析82.2.2 煤样官能团分析112.3微生物对煤样结构影响的检测122.3.1 煤样微晶结构的X射线衍射分析122.3.2 煤样孔隙率分析13第3章 结果与讨论153.1生物甲烷代谢检测分析153.2微生物对煤组分的影响规律分析183.2.1微生物对煤元素的影响规律分析193.2.2微生物对煤官能团的影响规律分析203.3微生物对煤结构的影响规律分析233.3.1微生物对煤孔隙率的影响规律分析243.3.2微生物对煤微晶结构的影响规律分析24第4章 结论26致谢27参考文献28第1章 前言第1章 前言煤层气（coal bed methane,CBM），即为gas也就是我们生活中的瓦斯，一般吸附或者游离在煤层中，是煤的伴生矿产资源。它以甲烷为主要成分，是一种自生自储的非常规天然气。因为煤层气洁净、能源性质优质，近一二十年在国际上迅速崛起。我国是煤炭资源大国,煤层气储量非常丰富，位居世界第三。采煤的同时会有煤层气的排放，每年在采煤期间排放的煤层气在130亿立方米以上。合理抽取排放的煤层气理论上可以达到35亿立方米左右，除掉现在已经利用的部分，每年仍然有30亿立方米左右的剩余煤层气，加上地面钻井开采出来的50亿立方米煤层气，可以利用的总量达到了80亿立方米，折合约标煤1000万吨。如过将这些煤层气用来发电，每年可发电将近300亿千瓦时，这个数字是非常可观的。在我国，煤储量在1000亿m3以上的矿区有：晋城、离柳、韩城、阳泉、淮南、盘江、淮北等。储量在一百至数百亿立方米的矿区更是丰富。在当今能源紧缺和环境污染严重的前提下，煤层气作为一类非常规天然气，越来越受到人们的重视。煤层气产业的发展，能够改善能源供给结构，有效缓解化石能源供应不足的能源危机。传统观点认为煤层甲烷多由高温热解产生，但是根据甲烷的同位素特征来判断，世界很多地方（包括我国鄂尔多斯、淮南等地）的煤层气多属生物成因或者生物和热成因混合。矿井中，煤层气的来源主要有四种：（1）从采落下来的煤中释放；（2）从采掘工作面煤壁内释放（3）煤巷两帮及顶底板释放；（4）从采空区及围岩煤壁释放。 1.1 微生物增产煤层气概述MECoM即微生物增产煤层气，该项技术在很多国家都进行过生产试验，基于在煤层中注入多种菌群和不同营养物质，使得煤层中甲烷气的含量增加，同时储层的渗透性在微生物的运动下得到增强，使得煤矿开采更加便利。在大量研究者多年努力研究下，可以证明一点，那就是微生物菌群确实能够将煤转化为甲烷。 在看到成功实验的情况下，世界上许多产煤大国纷纷加入到煤层气开发利用当中，美国最早实现了煤层气的大规模商业化开发。我国煤层气的井下抽采和地面开采利用也非常活跃，煤层气产量逐年增大。目前中国及国外采取增产煤层气的技术主要有: 水力压裂改造技术、煤中多元气体驱替技术、定向羽状水平钻井技术等。1.2 国内外煤层气研究及开采利用概况世界上一些主要产煤国家自20 世纪70 年代以来,纷纷涉足微生物增产煤层气领域,目前， 美国，加拿大，澳大利亚、俄罗斯和中国等国家，是世界上开展煤层气勘探开发的主要国家。其中美国是在商业化勘探开发中最成功的案例,取得了卓越的成就。一举成为全球煤层气产量最高的国家。煤层气研究领域的主要方面包括微生物增产煤层气的理论途径及国内外开采利用方面等，而针对微生物降解煤的途径等研究主要建立在实验室模拟产气过程。1.2.1 国内概况国内研究学者对微生物对煤的生物降解研究关注较多，并在该方面的研究中硕果累累。其中，林海课题组采集了厌氧污泥中的产甲烷菌群，并以煤为营养物质，让煤提供碳元素，驯化了采集的菌群。他们经过实验证实产甲烷菌群可以利用复杂有机物降解后的产甲烷底物（在1.3中会详细介绍）产生理想的煤层气气体甲烷 1-2。苏现波课题组则对微生物降解煤产甲烷过程，进行了一系列关于影响微生物甲烷生成因素的模拟实验研究。他们发现煤的生物甲烷生成受到盐度、pH 和氧化还原电位的影响3-4。此外，苏现波课题组的研究证实了，微生物作用后的煤中C 含量减少，H 和O 的含量增加5。另外，王爱宽等人从褐煤中采集得到了厌氧微生物菌群，模拟生物气生成实验，实验证实采集的菌群能够降解褐煤产生甲烷6-8。在我国煤层气开采利用在2005年逐步进入到了大规模商业化中。早在新中国成立初期我国对于煤炭开采瓦斯开发还处于抽放阶段，这一阶段一直延续到20世纪90年代末，这表明在很长的一段时间中，我国对于煤矿产资源的开发利用一直处于科技化落后，产业化不完善，商业化不健全，环境保护不具备的情况下。之后，在20世纪90年代初至2005年这期间，开始开发探索地表煤层气。但近日，云集着大大小小几百家煤矿的煤城鄂尔多斯，正面临着一半煤矿停产的空前的焦虑。关于煤矿市场的趋势，值得大家关注。1.2.2国外概况国外研究学者相比于国内实验室模拟实验，则着眼于将微生物实际应用于微生物增产煤层气产业当中。Green 等人研究了粉河盆地煤层气田，他们研究发现，产甲烷速率随着温度的升高而提高；培养液pH 降低也有效产提高了甲烷速率；同时颗粒煤粒粒径越小，产甲烷速率越高9。Harris等也研究了粉河盆地，另外增加了Fort Yukon 地区的煤样讲解产微生物实验对比，他们得出结论，煤中的有效产甲烷底物和不同微生物菌群之间是存在竞争的，同时产甲烷底物和微生物菌群是煤层产甲烷的两大影响因素10。粉河盆地被很多科学家所热爱，nal等也来这里采集了产甲烷菌群，他们区别于上两位研究团队，主要针对8 种微量元素(Fe、Ni、Co、Mo、Zn、Mn、B和Cu)对产甲烷的影响。他们发现适当微量元素能够促进煤层气产出甲烷11。Fallgren等证实了，特殊营养物质可以激活本来存在在褐煤中的多种微生物，从而自行产生甲烷气体12。Gupta 等采集了矿井水中的微生物群落；同时分析了影响矿井水中微生物降解煤的因素，得出最适合微生物降解的pH值、煤粒度和微生物生长存活温度13。国外在煤层气开采利用上，仅有美国、加拿大、澳大利亚三个国家进入到工业化规模生产，像德国、英国等国家因地理因素、矿产资源等原因仍旧处于基础研究阶段，矿产资源丰富的俄罗斯也处于基础研究阶段，煤层气开发进展很缓慢。1.3微生物增产煤层气机理微生物增产煤层气是指微生物注入煤层，与煤层作用降解煤层，从而将煤转化为甲烷气。煤是复杂碳水化合物，包含C、N、O、S等元素。因为煤具有以上特性且是以芳香族和木质素衍生的杂环大分子化合物，所以它能为微生物生长提供优渥环境和微生物作用产甲烷过程中所需要的营养物质。因此，煤是非常好的产甲烷本源。目前，国际上普遍采用微生物降解复杂有机物产甲烷的代谢模型。该模型将煤的生物降解产甲烷过程分为三个步骤，（1）第一步：复杂有机物（本文中即为华北油田提供煤样）首先被发酵、分解，成为脂肪酸、有机酸、醇类等化合物；（2）然后脂肪酸、有机酸、醇类等这些物质作为中间代谢产物被进一步降解，形成产甲烷底物，如CO2、H2、-COOH等，为后一步做准备，到此复杂有机物已降解成简单有机物；（3）最后产甲烷菌利用上一步产生的底物产出甲烷（图1-1）。图1-1 煤的生物降解过程及中间产物由此可以看出，由单一微生物不可能实现煤的厌氧生物降解，没得生物降解需要不同代谢功能的多种微生物菌群相互配合共同完成。1.3.1微生物与煤作用过程中相关微生物群落及其功能微生物与煤反应，使煤转化成甲烷的过程需要1.3中解释的3个步骤，期中包含了很多转化过程。从图1-1中可以看出降解煤产生甲烷需要多种多样的微生物互相配合完成。进而得出，产甲烷菌不能直接分解复杂有机物，它只能以CO2、H2、-COOH等作为底物作用生成甲烷。依据产甲烷过程的物质转换模型和LUCA Technologies公司的专利，得到下图（图1-2）：图1-2产甲烷过程的物质转化模型 细菌、真菌首先参与，使煤溶解和分解。这些微生物将复杂有机质降解为有机酸、芳香烃等中间产物，再进一步降解为脂肪酸，如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等，另外还有CO2和苯等二次中间产物的产生。在产甲烷菌作用前还需要产氢气菌产乙酸菌把脂肪酸和乙醇等降解为-COOH和C02、H2。最后，产甲烷菌直接利用-COOH和C02、H2产生甲烷。1.3.2 微生物对煤组分和结构的影响微生物将煤作为碳源，利用其中的有机物及营养物质，代谢产生甲烷。代谢过程中不仅增加了煤层气资源量，同时还扩增了煤体的孔裂隙，进而煤样总比孔容增加。由于煤的部分降解, 煤样大孔孔容及所占比率显著增加，小孔和微孔孔容有所减少，总孔容、平均孔径和孔隙率也相应增加，而空比表面积有所下降，这些改变的优越性就在于，煤样的孔隙间连通性增强了。这一情况提高了煤层的渗透性，从而有利于煤层气的脱附，煤层气的解吸更加便利。以上改变基于微生物作用在煤中大分子结构上，使官能团和侧链脱落，苯环打开，并在断裂处引入杂原子官能团如羟基和氨基，芳香环含量减少从而煤中C含量减少，含氧官能团增加,含氧官能团吸附使得煤中O含量增加,煤的C/O增高，羟基(氨基)含量大大增加。对于微晶结构，芳香核层间距增大,芳香层数减小，煤的晶化程度降低（即分子结构由紧密排列变的相对松散）。1.4本论文的研究背景及研究内容通过查阅大量文献了解到，国内外学者已经对微生物作用于煤后对煤的影响做了大量研究，关于煤层气成因的定义以及煤层气形成途径也有了广泛研究，微生物增产煤层气技术在世界范围也受到广泛关注。关于次生生物气的宏观研究也不少，集中在细菌的富集培养等方面，但是其形成机理的微观研究还不够深入，研究面还不够广泛。在微生物对煤组分和结构的影响方面，已有大量结果证实，微生物在把煤转化为甲烷的同时，改善了煤的孔隙结构，有利于煤层气的解吸和运移产出，对煤层气开发有着重要意义。本课题主要探讨华北油田中微生物对煤组分和结构的影响，着重从微生物代谢产物分析和煤组分和结构分析三个方面开展微生物作用于煤对煤的影响研究，以进一步探索微生物对煤组分和结构的影响。在课题中为了明确微生物与煤作用前后样品中气体种类和含量的变化情况，采用气相色谱法和标准曲线法对微生物与煤作用前后气体进行定性定量分析；为了明确微生物对煤组分的作用，采用煤样燃烧反应法、半微量凯氏法和差减法分析微生物作用前后煤样品中碳、氢、氧、氮元素含量的变化情况，并采用傅里叶变换红外光谱法分析微生物作用前后煤样品官能团类型的变化情况；为了明确微生物对煤结构的影响，采用X射线衍射法检测分析微生物作用前后煤的微晶结构的变化情况，以及孔隙率检测分析法检测微生物作用前后煤样孔隙率的变化。通过以上实验，分析总结出华北油田地区微生物对煤组分及结构的影响规律。37第2章 实验方法第2章 实验方法本课题主要采用气相色谱法和标准曲线法检测微生物作用前后生物甲烷代谢情况，对代谢气体进行定性和定量分析；采用燃烧法、半微量凯氏法和差减法检测煤样组分中元素的变化情况；采用傅立叶变换红外光谱法对煤样组分中官能团进行检测分析；在煤样结构检测中采用了X射线衍射法、孔隙率测量法等技术进行了微生物对煤结构影响的检测。2.1生物甲烷代谢检测本次实验采用的仪器为GAS CHROMATOGRAPH 450-GC，实验仪器如图2-1：图2-1 GAS CHROMATOGRAPH 450-GC在实验开始前，需将氦气瓶打开，使实验在氦气氛围中进行。实验步骤如下：（1） 准备200L进样针，并用去离子水检查进样针是否有堵塞现象；（2） 取样：将进样针迅速插入气相进样口中，利用进样针吸取微生物与煤作用后的气体，将气体储存保管于密闭储气袋中；（3） 激活软件，设置气相色谱条件参数，炉箱最低温度设置为50摄氏度；（4） 待炉箱升温完成，指示灯由红色变为绿色，先注入空气（进气80s）进行检测作为基样；（5） 运行27min，等待炉箱温度降为初始的50摄氏度（大约23min），其他参数指示灯再次转绿，可进行下一个气样进样检测； （6） 轻摇样品袋，然后用进样针吸取200L气体（约进样80s）；将所有样品进行步骤56，实验过程中需记录好每组样品类别名称，确保数据与气样没有混杂；（7） 最后将标准气罐中的气样注入仪器，实验方法与上述样品一样；（8） 从三个通道的结果中选取要测气体（二氧化碳、甲烷、乙烷、氢气、氮气）的峰面积数据；从上述实验中得出标准气样和微生物代谢后气体中二氧化碳、甲烷、乙烷、氢气、氮气的峰面积，标准气样卡中记录二氧化碳、甲烷、氢气以及氮气的百分含量，根据公式（2-1）可计算出微生物代谢后气样中各气体含量。2.2生物气对煤样组分影响的检测本次实验中，煤样组分分析包含两部分，分别为元素分析和官能团分析。2.2.1 煤样元素分析（1）实验原理有机物和无机物是煤的两个组成部分。有机物由碳、氢、氧、氮等元素组成；无机物则主要是矿物质和水。其中碳、氢、氧元素占了有机物的大部分，总和约为 95以上。虽同为有机物的重要组成元素，氮含量相对于碳氢氧来说非常少一般在 0.33，变化范围不大。煤中的碳元素组成了煤大分子的骨架结构，是产生热量的主要元素。煤中碳含量决定着煤的煤化程度，碳含量越高煤化程度越大。氢化学反应性最强，是组成结构单元的骨架，与碳含量相反，氢含量随煤化程度的升高含量减少，但氢元素发热量是最大的。煤的性质会受氧元素总量和形态的直接影响，随着煤变质程度的升高氧含量降低。煤中的氮元素通常为有机氮，主要是由成煤植物中的蛋白质转换而来，含量一般约为0.51.5%。因此，测定煤岩中各元素的含量可以准确的对煤岩的煤化程度和等级进行分类，明确煤岩的性质和成分。采用煤的燃烧反应来测定煤中碳、氢元素的含量。反应过程中由于煤样中还存在其他杂元素需要去除。其中S和Cl在三节炉中用PbCrO4和银丝卷消除，在二节炉中用AgMnO4热解产物消除。另外氮对碳测定的干扰，采用粒状MnO。采用半微量凯氏法测定煤中氮元素的含量。由于燃烧过程中有氧气的参与，所以无法直接测量氧的含量，因此采用总量减去碳、氢、氮元素的含量计算得到氧含量。（2）实验步骤1、碳、氢含量的测定采用煤的燃烧反应来测定煤中碳、氢元素的含量。称取一定量煤样在氧气流中燃烧，测量吸收剂所吸收的H2O及CO2的重量，就可以计算出煤中碳和氢的含量。所用的碳、氢测定仪结构如图2-2，主要包括三个主要部分，分别为净化系统、燃烧装置和吸收系统。图2-2 碳氢测定仪组装图图中编号1-17分别为：鹅头洗气瓶、气体干燥塔、流量计、橡皮帽、铜丝卷、-燃烧舟、燃烧管、氧化铜、铬酸铅、银丝卷、吸水U形管、除氮U形管、吸二氧化碳U形管、保护用U形管、气泡计、保温套管及三节电炉。（1）使第一、二节炉紧靠，炉温控制在80010，第三节炉温控制在60010；（2）在预先灼烧过的燃烧舟中称取空气干燥煤样0.2g，再在煤样上铺一层三氧化二铬；（3）称量吸收系统、安装，通入氧气，流量120 mL/min 。（4）关闭U形管的出口端，打开橡皮塞，取出铜丝卷，并非常快速地放入燃烧舟，燃烧舟的前端要恰好停在第一节炉口，把刚才取出的铜丝卷放在后面，塞紧橡皮塞，这时候可以打开U形管。 1 min后推动第炉子，要让燃烧舟的一半都在炉子里。过2 min后，再次推动炉子，这次要让燃烧舟全部在炉子里。再过2 min，继续推动炉子使燃烧舟停在炉子中心。这时要保温18 min ，之后把第炉子移回原位。2 min 后，停止实验。这时拆下吸收系统放在天平上称量。（5）分析结果的计算： (2-1) (2-2)2、氮含量的测定称取一定量的煤样，将其与催化剂和硫酸混合，之后进行加热让其分解，这样煤中的氮元素将变成H5NO4S。加入过量的NaOH溶液，反应会释放出NH3气体，将NH3用HBO溶液吸收，再用HSO滴定。根据用去的HSO量则可计算出煤中氮的含量。（1）称取空气干燥煤样0.25 g，放入50 mL的开氏瓶中，加入催化剂3 g和浓硫酸6mL混合。用石棉板盖住开氏瓶的球形部分放入铝加热体的孔中并放入温度计。接通电源，缓慢加热到350 ，保温，直到黑色颗粒消失不见，溶液变得透明没有杂质。（2）稀释溶液，移至准备好的洗净晾干的瓶中。要将原来的瓶子冲洗干净，把还有溶液的洗涤液液倒入转移的瓶子中。（3）准备一个锥形瓶，里面装25mL、3% HBO溶液和2滴混合指示剂用于蒸馏滴定。（4）进行蒸馏，当HBO溶液由紫色变成绿色停止蒸馏。（5）蒸馏完后，用HSO溶液滴定，让溶液绿再由绿色变成微红色停止。记录使用滴定的HSO的用量，求出煤中氮的含量。（6）分析结果的计算： (2-3)3、氧含量的计算 (2-4)当空气中干燥煤样中碳酸盐二氧化碳含量高于2%，则： (2-5)式中：Oad空气干燥煤样氧的含量，%。 St,ad按GB214测定空气干燥煤样的全硫含量，%。 Mad按GB212测定空气干燥煤样的水分含量，%。 Aad按GB212测定空气干燥煤样的灰分产率，%。 (CO2)ad按GB218测定)空气干燥煤岩中碳酸盐二氧化碳的含量(，%。4、结果换算根据公式将空气干燥基的碳、氢、氧、氮含量换算成干燥无灰基的含量： (2-6)当这空气干燥煤样中碳酸盐二氧化碳含量高于2%时，则： (2-7)式中X代表碳、氢、氧、氮元素含量，%。2.2.2 煤样官能团分析（1）实验原理由于分子会吸收一定波长范围内的红外光，并将光能转变为动能导致电子跃迁，化学键断裂。不同的分子吸收红外光谱的波长不同，反映出的吸收光谱也不同。根据分子结构的这个特点，煤中化学结构变化所反映出的红外光谱肯定是不一样的，据此可以根据红外光谱图上吸收带的分析，来了解煤中有机物的化学结构变化。（2）实验步骤本次实验采用Elmer Perkins公司生产的Frontier型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR Spectrometers)。扫描范围为400-4000 cm-1，扫描时间为13分钟。图2-3 傅里叶变换红外光谱仪（1） 初次筛分挑选一下煤样中细小的颗粒，对其进行称取；（2） 对样品进行研磨，研磨要充分，要让研磨后的样品摸上去细滑；（3） 称量KBr粉末，与煤样比例为1:180即可（混合研磨后粉体为灰白色）；（4） 将KBr与煤样粉体在研钵中混合，再研磨；（5） 进行压片，压制12min，使片体细薄，将其从压片器中取出，放入傅立叶红外光谱仪中；（6） 进行测试。2.3微生物对煤样结构影响的检测本论文分别从煤样微晶结构和煤样孔隙率对煤样结构进行了检测。2.3.1 煤样微晶结构的X射线衍射分析X 射线是电磁波，其波长与原子面间距数量级相当，当X射线照射晶体时，即显示出含有晶体结构信息的衍射线，衍射线在空间分布的方位和强度，可以用于晶体结构的分析和研究。布拉格(Bragg)方程：2d sin = n （2-1）根据上面公式2-1和有设置的仪器参数，可以计算出煤的d002，La和 Lc等微晶参数。（I）芳核层间间距 d002 (2-2)式(2-2)中， = 1.5405 ，为X射线的波长；002为(002)衍射峰所对应的衍射角。（III）芳核的堆积厚度Lc (2-3)式(2-3)中，Kc为常数，取值为 0.9；为X射线波长；002为(002)峰的峰位，002为(002)峰的半高宽。（IV）芳核的层片数Nc实验步骤如下：（1） 在玛瑙研钵中研磨煤样，注意不要混入杂质；（2） 将粉体压平整放在载玻片上，至于不会被碰落的地方；（3） 打开冷却水箱开关，按下“POWER ON”按钮开启仪器；（4） 打开计算机上的相关软件，启动测试程序；（5） 程序打开后，要先选择Connect链接仪器；（6） 设置电压和电流，再设置实验参数：起始角、结束角、扫描步长、每步时间、扫描速度、总测试时间；（7） 将刚才准备好的载玻片放入样品台上，要保证样品表面在测角仪中心轴上；（8） 关闭仪器门，开始测试。2.3.2 煤样孔隙率分析（1）利用甲苯、酒精对煤样品进行清洗，再烘干干燥；（2）对KM批次煤样（长方体）测量其长宽高，对ZM批次煤样（圆柱形）测量其直径与高，多次测量取平均值，本次实验测量3次；（3）对干燥后的煤样进行抽真空处理，之后测量煤样质量，同样采取多次测量取平均值；（3）将抽真空后的煤样注入去离子水，致使饱和，测量注水后质量，多次测量取平均值；（4）利用孔隙率测量公式，计算得出煤样孔隙率。第3章 结果与讨论第3章 结果与讨论3.1生物甲烷代谢检测分析生物甲烷代谢分析共进行了两组实验，气样均由华北油田提供，实验采用气相色谱法和标准曲线法对华北油田提供的第一批13个气样以及第二批5个气样进行了生物气种类和含量分析。气样以状态（粉末或块状）、作用微生物，供给营养物以及处理方式为原则编号，经气相色谱法和标准曲线法检测，处理后得到以下数据（见表3-1及3-2）：表3-1 第一批气样生物气种类和百分含量分析结果序号12345组分甲烷乙烷氢气二氧化碳氮气单位V/V%V/V%V/V%V/V%V/V%FM1-177.7350.0370.1075.45916.662FM1-380.2860.0210.1263.86615.701FM1-483.1910.0310.1793.89712.702FM1-579.0260.0590.0386.39214.485KM1-179.7050.0382.5488.3509.359KM1-380.7380.0300.0264.13115.075KM1-473.5510.0330.0594.57718.780KM1-577.5560.0370.0746.92115.412KM1-687.7320.0330.0712.6749.490ZHS341-294.4640.0860.0260.6644.760ZHS341-386.9140.0790.0260.63912.3424B1-169.6700.0260.02814.95015.3264B1-285.0970.0550.0378.0446.767表3-2 第二批气样生物气种类和百分含量分析结果序号12345组分甲烷乙烷二氧化碳氮气氧气单位v/v%v/v%v/v%v/v%v/v%Z1-31694.04710.04220.46554.34011.1051ZHS34 2-193.48781.09840.58793.73341.0925ZHS34 2-291.56991.09630.56895.21741.5475ZSP2V95.08850.21720.41823.4140.8621Z1P-1V93.27410.71420.32524.491.1965（1）由表3-1及3-2可以看出，代谢产物生物气主要含有甲烷、乙烷、二氧化碳、氮气、氢气这5种气体；（2）由表3-1看出第一批气样中所测得的氢气含量极少，而氧气含量太低以至于无法检测出来，在第二批气样中氧气虽然测量出数据，但从数据结果中可以看出，氧气在生物气中所占比率是非常小的。选取表3-1中的部分数据进行处理，得样品生物气种类百分含量分析图，如下：FM1-1 FM1-3 KM1-1KM1-3 ZHS34 1-2 ZHS34 1-34B1-1 4B1-2图3-1生物气种类含量关系图图3-1可以说明：（1）生物气主要由甲烷、二氧化碳、氮气、乙烷、氢气组成，其中甲烷气体的百分含量远大于其他组分，约占77%94%，CO2含量和N2含量其次，但根据本次实验数据无法判定这两种气体中哪个含量更高。（2）微生物代谢把煤转化为以甲烷为主的生物气。为了进一步说明影响微生物代谢煤产甲烷百分含量不同的因素，设置了两大组对比实验：（1） 将FM组及KM组作为一组对比试验，其中，FM组煤样为粉末状，KM组为块状煤，其它处理方式，微生物培养条件完全一致；（2） 将KM、ZHS34及4B作为一组对比试验，其中唯一变量是培养过程中营养液浓度，其中，4B采用一倍浓度的营养液，KM采用两倍浓度培养液，ZHS34采用三倍浓度的营养液。实验结果如图3-2所示：图3-2 气样中微生物产生的甲烷百分含量图图3-2可以说明：（1）其它因素一致的条件下，微生物代谢产甲烷百分含量受煤的粒径度影响，FM组粉末状煤样经微生物代谢后产生的甲烷含量大于KM组块状煤样；（2）其它因素一致的条件下，微生物代谢产甲烷百分含量受营养液浓度的影响，三倍浓度营养液下煤样经微生物代谢后产生的甲烷含量最，ZHS34组样品甲烷含量达到90.69%，两倍浓度培养液次之，最少的为一倍浓度营养液下的微生物代谢产物分析量，4B组样品只有77.38%；（3）综上：微生物代谢产甲烷含量受煤的粒径度和营养液浓度影响，粒径度越小，营养液浓度越高，微生物代谢产甲烷含量越大。3.2微生物对煤组分的影响规律分析本论文对煤样反映前后组分中的元素及官能团变化进行分析，主要采用煤样燃烧反应法、半微量凯氏方法、差减法及红外光谱法。对华北油田提供的8个煤样（2个长方形煤样、5个碎煤样、1个无规则块煤）进行元素分析和官能团分析。3.2.1微生物对煤元素的影响规律分析对8个样品进行元素分析，其中一组为微生物代谢前数据，另7组为微生物代谢后数据，分析结果见表3-3。其中晋城煤样是微生物作用前的参照数据。表3-3 煤样元素分析样品名N/%C/%H/%S/%Before0.074574.08362.46760.5804After10.079240.48982.47030.5865After20.095638.15192.43120After30.358154.59044.39830.4910After40.344864.25724.469260.5706After50.669059.32684.24200.5631After60.190760.79953.61670.3905After70.080436.12854.00690.3349从表3-3中可以分析看出，煤样中的元素以C元素为主。将上表中微生物作用前数据取以平均值与微生物作用前加以对比，如表3-4：表3-4 微生物作用前后元素含量样品名N/%C/%H/%S/%作用前0.0745281874.083602912.4676835540.580417752作用后0.25973253.392073.6621330.419551从表3-4中可以看出（1）微生物作用于煤后，煤中C元素有显著下降（从74.084%下降到53.392%，下降了20.692%）；S元素含量也有所降低，但下降幅度很小（从0.580%下降到0.420%，下降了0.16%）；（2）N、H含量增大（N含量从作用前的0.075%上升到0.260%上升了0.185%；H含量由作用前的2.468%上升到3.662%上升了1.194%）。 这表明，微生物代谢对煤中的C元素有降解作用。3.2.2微生物对煤官能团的影响规律分析由于煤是结构复杂的有机物,存在很多不同的分子，因此不同分子吸收了红外光，红外光谱中会显示出出现多个吸收峰, 由于化合物中基团振动方式太多，我们无法一一辨认，更不能解释图谱中出现的所有峰,所有选择般辨认光谱中的特征峰来确定样品物质的结构。依据前人研究成果,选取主要特征峰, 判断样品光谱中一些主要基团的特征吸收光谱是否存在 ,以对比生物甲烷代谢前、后特征峰所对应基团含量的变化特征。各吸收峰的归属列于表3-5：表3-5 煤样显微组分FTIR吸收峰归属从表3-5中可以看出，煤组分的显微结构的红外光谱主要存在三种类型吸收峰：（1）脂族结构的吸收峰，主要有720 cm-1、1380 cm-1、1460 cm-1、2849-2956 cm-1；（2）芳香结构吸收峰，主要有750 cm-1、810 cm-1、870cm-1、1600 cm-1及 3050 cm-1；（3）杂原子基团吸收峰，主要有950 cm-1、1084 cm-1、1112 cm-1、1182 cm-1、1243 cm-1、1321 cm-1、1680 cm-1、1700 cm-1、1745 cm-1及 3400 cm-1。对微生物处理前（晋城与安泽）后（FM3、FM5）的煤样测量红外光谱图，如下（图3-3）图3-3 煤样生物甲烷代谢前后FTIR谱由上图可看出，在750 cm-1、810 cm-1、1182 cm-1、1380 cm-1、1460 cm-1、1600 cm-1、2923 cm-1、2952 cm-1、3050 cm-1、3400 cm-1的吸收峰都有明显变化。将微生物处理前的晋城煤样与微生物作用后的FM3、FM5煤样作为一组数据进行分析，如图3-4：图3-4 煤样生物甲烷代谢前后FTIR谱图中黑色曲线为未进行微生物作用的晋城FTIR谱，FM3和FM5是微生物作用后的FTIR谱，由图3-4可以看出，无论微生物作用前后我们均可以清楚地看出主要存在以下几种吸收峰：（1）吸收峰位为810 cm-1，属于芳烃中CH面外变形振动；（2）吸收峰位为1182 cm-1，属于R-O-C伸缩振动；（3）吸收峰位为1380 cm-1，属于甲基对称弯曲振动；（4）吸收峰位为1460 cm-1，属于甲基、亚甲基变形振动；（5）吸收峰位为1600 cm-1，属于芳烃的C=C骨架振动；（5）吸收峰位为2923 cm-1和2956 cm-1，属于CH3、CH2的不对称伸缩振动；（6）吸收峰位为3050 cm-1，属于芳烃上的C-H伸缩振动；（7）吸收峰位为3400 cm-1，属于醇、酚、羧酸等的OH基及NH的伸缩振动。因此可以确定检测煤样中的主要官能团是苯环、甲基、亚甲基、羟基、氨基、羧基。图3-5 煤样生物甲烷代谢前后FTIR谱由图3-5可以看出:（1）750810（芳烃中CH面外变形振动）处和1460（甲基、亚甲基变形振动）吸收峰降低；3400（醇、酚、羧酸等的OH基及NH的伸缩振动）处吸收峰升高。（2）生物甲烷代谢后，煤中甲基、亚甲基含量和芳烃含量减少，羟基和氨基含量以及羧酸及羧酸盐等小分子含量增加。微生物降解煤主要体现在（1）作用后苯环打开，并在断开处引入羟基或者氨基，使羟基和氨基含量增加；（2）将甲基和亚甲基氧化成羧基、酚羟基等，与培养基中含有铵盐等矿物质结合，使得羧酸、羧酸盐的含量增加；（3）生物甲烷代谢促使煤中大分子的官能团或侧链脱落。总体来看，含C官能团减少，这也是煤中C元素降低的原因。与元素分析结论一致。3.3微生物对煤结构的影响规律分析此前不少研究者证明微生物可以转化硬煤产生甲烷，其中Bublitz, Fakoussa, Osipowicz,Monistrol 和Hofrichter 在此方面的贡献最为显著13-17 ; Downey 等则提出了煤层甲烷微生物开采的理念 18 ,但很少有人关注微生物作用前后结构的变化，至今该方面的研究远远不如微生物增产煤层气作用机理的研究。本论文针对华北油田提供煤样进行实验，对微生物作用后的煤样孔隙率，微晶结构进行分析，从而对微生物作用前后煤样结构进步一了解认识。3.3.1微生物对煤孔隙率的影响规律分析KM为微生物作用前煤样，测量样品长宽高，以及质量差的数据如表3-5：表3-5 KM批次煤样长宽高及质量差数据表KM 1-3平均值KM 1-4平均值长（mm）98.2098.0698.298.1533339.7239.6839.7439.71333宽（mm）39.3639.1839.0239.1866719.5019.4619.4419.48高（mm）19.4419.6219.6219.5696.0896.0296.0496.04667M5.2567334.7236根据公式：可以计算出KM 1-3和KM1-4的孔隙率分别为6.98和6.35；ZM批次样品为微生物作用后煤样，数据处理与分析过程同上，最终总结为表3-6：表3-6 煤样孔隙率分析样品Before 1Before 2After 1After 2孔隙率（%）6.165.766.986.35从表3-6中，可以看出After组样品（微生物处理后）的平均孔隙率（平均孔隙率为6.665）大于Before组样品（微生物处理前）的平均空隙率5.47。说明微生物对煤的降解作用使煤样孔隙率增大，实现了生物增透。3.3.2微生物对煤微晶结构的影响规律分析如图3-5所示为煤样的XRD 图谱，本次实验采用软件MDI Jade5.0对实验结果进行分析,得出各煤样的微晶结构参数(表3-7)：图3-5 煤样XRD 图谱表 3-7 煤样的微晶结构参数样品标号晶面间距d002()晶格长度Lc()层片数Nc()ANZE3.355636.9312.0038FM33.356125.198.5069从表3-7可以得出：微生物代谢后，芳香层片数Nc 和晶格长度Lc降低，晶面间距变化不大。表明生物甲烷代谢降解煤,使煤大分子结构的空间排列无序化, 煤样的晶化程度相应降低。部分芳香环被打开,形成链状,并在空间形成立体结构。中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)第4章 结论通过对生物气代谢，微生物作用前后煤样组分和结构的实验分析，得到以下结论：（1）微生物代谢产甲烷后，产生含甲烷、乙烷、氢气、氮气、二氧化碳的生物气，其中以甲烷含量最高。微生物代谢可以增加煤层气的资源量；微生物代谢产甲烷的含量受煤的粒径度和营业液浓度影响，粒径度越小，营养液浓度越高，微生物代谢产甲烷含量越大。（2）微生物代谢煤产甲烷后，煤中C元素有显著下降；S元素含量有小幅降低；N、H含量增大。（3）煤样中的主要官能团是苯环、甲基、亚甲基、羟基、氨基、羧基。生物甲烷代谢后，煤中甲基、亚甲基含量和芳烃含量减少，羟基和氨基含量以及羧酸及羧酸盐等小分子含量增加（4）微生物对煤的降解作用使煤样孔隙率增大，实现了微生物增透。芳香层片数Nc 和晶格长度Lc降低，晶面间距变化不大，微生物代谢可以降解煤中大分子结构，加剧大分子空间排列不规则趋势。致谢感谢我的导师胡松青教授从选题开始一直对我的指导与教诲。胡老师根据我个人的能力与情况建议和指导我选择了这个课题，并在整个过程中从研究态度、汇报表现等多个方面严格要求我。这让我在整个学习研究过程中，不仅学会了专业知识，还体会到研究人的精神态度，更是磨练了自己的品性。在胡老师的严格要求下整个课题组的氛围非常好，定期进行汇报，一方面督促了我们研究进度，另一方面加强了我们与师兄师姐以及老师的交流，使得学习效果更佳。 在此我向胡老师表示诚挚的敬意和感谢。另外，感谢课题组的孙霜青及其他两位老师，他们勤勤恳恳，工作认真，对学生认真负责，在我学习过程中给予我很大的帮助。每次汇报都会来认真倾听并以他们多年来的经验和知识对我提出宝贵意见和与我探讨。 还要感谢徐建昌师兄在课题研究和论文完成中对我的帮助与指导，在此向徐建昌师兄表示感谢。同时，也要感谢课题组其他的同学，我们闲暇时光一起交流，虽然研究内容都不相同，但是让我或多或少对别的方向有了一些了解，是我们所有人让整个课题组的氛围积极向上充满趣味。最后感谢我的父母和四年来一直陪伴我的同学朋友，是他们让我觉得世界很美好，生活很快乐，我要继续努力变得更好。参考文献1 Lin H, Sui M, Wang H. Domestication of microbially enhanced coalbed methane microorganismJ. Journal of China Coal Society, 2012, 37(8): 1359-1363 (in Chinese)林海, 隋梦琪, 汪涵. 微生物增产煤层气菌种的驯化J. 煤炭学报, 2012, 37(8): 1359-13632 Wang H, Lin H, Dong Y, et al. Experiments on the gas production of brown coal degraded by exogenous methanogens J. Petro