無煙煤厭氧代謝產物對其納米孔隙的影響

張攀攀，郭紅光，段凱鑫，陳 超，梁衛國

(1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024; 2.原位改性采礦教育部重點實驗室 太原理工大學，山西 太原 030024; 3.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

我國煤層氣儲量豐富，但儲層孔裂隙發育差、滲透性低等特點，給煤層氣開采帶來了巨大的挑戰[1-3]。為實現煤層氣的高效開采，國內大量學者進行了相關研究[4-7]，并提出了多種改善煤儲層孔隙發育、增透技術[8-12]，極大促進了我國煤層氣的開發。

然而，我國煤層氣抽采率仍有提高空間，急需加大相關技術研究力度。1999年，SCOTT提出微生物增產煤層氣技術，并認為對煤進行微生物厭氧降解后，伴隨著新的生物甲烷的合成，煤體滲透性得到顯著改善[13]。國內外學者通過現場和實驗室模擬實驗，已證實了煤層原位微生物能夠降解煤產甲烷，同時對生物成氣過程形成了初步認識。認為，煤的生物厭氧降解過程，首先通過微生物的水解作用使得煤中部分官能團或共價鍵斷裂，產生易于生物降解的簡單分子，例如單環芳烴、多環芳烴、單芳羧酸、長鏈烷烴、長鏈脂肪酸以及酮和醇等[14-15];隨后通過微生物的發酵作用將簡單分子進一步分解為短鏈揮發性脂肪酸、CO2和H2等小分子化合物[16-17];最后在氫營養型產甲烷菌[18]、甲基營養型產甲烷菌[19]或乙酸發酵型產甲烷菌[20]作用下合成生物甲烷。

此外，微生物厭氧降解產甲烷還會對煤孔裂隙發育產生影響，尤其是煤中甲烷吸附和擴散最主要的場所—納米孔隙[21]。截至目前，僅有少數學者開展了相關研究。WANG等[22]發現生物降解后，淮北煙煤的微孔孔隙率升高。PANDEY等[23-24]的研究表明，煙煤生物降解后，產生了新的孔隙，比表面積增加，氣體擴散速率增強。郭紅玉[25]、夏大平[26]等對長焰煤、氣煤和焦煤進行生物降解實驗，發現降解殘煤孔裂隙增加，連通性增強，孔隙結構進一步改善。然而，也有部分學者得到相反的結果。ZHANG等[27]對次煙煤進行生物厭氧降解，發現降解殘煤的中孔比表面積和孔容顯著降低。PANDEY等[28-29]對生物轉化后煤的變形行為進行了研究，結果表明生物降解后煤基質軟化，生物甲烷的解吸使煤基質收縮，儲層滲透率略微增加;但生物降解同時會引起煤體膨脹，使得儲層滲透率顯著降低。STEPHEN等[30]開展了煙煤型煤試件雙軸加壓條件下的生物降解實驗，結果表明隨著生物降解進行，煤滲透率不斷降低。由此，生物降解對煤孔隙的影響還沒有形成統一認識，而滲透率和孔隙發育降低的原因還未明晰。

已有研究表明去除煤中可溶有機小分子可改善煤孔隙結構。王飛[31]和張代鈞[32]等發現，經有機溶劑萃取后，煤中部分游離態或嵌入態的有機小分子化合物被溶解，萃余煤孔容和孔隙率明顯增加;JI[33]和LI[34]等研究表明，煤中可溶有機質的去除，使得部分閉孔打開，產生了新的微孔和中孔，殘煤擴散特性明顯增加。以上研究說明，去除煤中可溶有機質會產生明顯的擴孔與疏孔作用，也即煤中可溶有機質可能會堵塞孔隙，不利于煤體孔隙發育。而生物厭氧降解會產生大量中間代謝有機產物，降解殘煤孔隙降低很可能是這些厭氧代謝產物滯留于煤體中所導致的。

為更好地研究厭氧代謝產物對煤孔隙發育的影響，需要打斷厭氧發酵過程的進行，尤其是甲烷生成的最后一步，使得中間產物無法被進一步代謝而在培養液和煤中積累。目前普遍采用添加產甲烷抑制劑2-溴乙烷磺酸鈉(BES)來抑制生物甲烷的生成。ZHANG等[35]研究表明添加BES后，對照組中生物甲烷生成完全被抑制，且其發酵液中總有機碳含量遠高于生物甲烷正常生成的實驗組。OREM等[36]發現BES能有效抑制生物甲烷產生，同時還發現部分正構烷烴和長鏈揮發性脂肪酸在降解液中出現。已有研究說明，利用BES能夠阻止甲烷生成，導致中間產物的積累。但利用添加BES來研究厭氧代謝產物在煤中滯留效應的研究鮮見報道。

已有研究多關注于長焰煤、弱黏煤、氣煤以及焦煤的生物轉化對煤體結構、孔隙等的影響[22,25-26]，較少研究無煙煤生物轉化引起的孔隙發育變化。沁水盆地作為我國煤層氣開發熱點區域，煤層氣儲量極為豐富，且是我國典型的無煙煤產區。已有研究表明，沁水盆地無煙煤可被原位菌群降解進行生物甲烷的合成[15,37]。同時，實驗室前期研究發現[38]，真菌在煤厭氧降解過程，尤其是煤分子斷裂階段發揮重要作用，且沁水盆地煤層氣井產出水中富集馴化得到的原位真菌與產甲烷菌混合菌群能夠協同進行生物甲烷的合成。

因此，筆者選用山西沁水盆地寺河礦無煙煤作為底物，以寺河礦煤層氣井產出水中富集并馴化獲得的原位真菌與產甲烷菌混合菌群為菌源，開展微生物厭氧降解煤產甲烷實驗。采用添加產甲烷抑制劑2-溴乙烷磺酸鈉溶液(BES)，以促進生物降解過程中可溶性代謝有機質的積累。通過分析煤中有機質組成和孔隙參數的變化，研究生物厭氧降解中間代謝產物在煤中的滯留情況，以及對煤納米孔隙的影響。

1 實驗部分

1.1 煤樣采集及理化性質分析

實驗所用煤樣為無煙煤，取自沁水盆地寺河礦3號煤層，煤樣自井下采出后密封保存運回實驗室，破碎后取60～80目(0.18～0.25 mm)顆粒，并在45 ℃下干燥6 h密封保存待后續實驗使用，原煤的工業分析和元素分析分別按照國家標準GB/T 30732—2014和GB/T 31391—2015 進行，結果見表1。

表1 原煤的工業分析和元素分析結果Table 1 Results of industrial analysis and elemental analysis in raw coal %

1.2 生物產氣實驗

實驗所用菌種由沁水盆地煤層氣井產出水經過富集得到，在實驗室條件下馴化培養獲得的原位真菌與產甲烷菌混合菌群。在500 mL厭氧瓶中，以10 g煤為底物，加入230 mL水、30 mL基礎培養液、30 mL菌液、6 mL半胱氨酸、1.5 mL微量元素和1.5 mL維生素，各營養液具體配比同文獻[39]。

由于本實驗主要研究原位真菌與產甲烷古菌協同作用下對無煙煤的降解，故在反應體系中加入抗生素，其由300 μL物質的量為0.1 mmol的氨芐青霉素和300 μL物質的量為0.2 mmol的鏈霉素組成。設置實驗組和對照組兩組降解實驗，每組3個平行。實驗組降解體系中加入2 mL,10 mmol的BES[35-36]，促進厭氧降解中間產物的積累。對照組降解體系除未添加BES外，其他均與實驗組相同。

所有實驗在35 ℃下進行恒溫培養，每隔7 d進行厭氧瓶頂空甲烷含量檢測直至產氣結束。分別采集實驗組和對照組反應初始階段(第0天)和反應停止階段(第35天)的降解液，供后續液相有機物成分測定;產氣結束后，收集殘煤并在45 ℃下干燥至恒重，用于后續孔隙參數測定和有機溶劑萃取。

1.3 有機溶劑萃取

利用0.7 μm濾膜對降解液進行過濾，收集濾液并加入氯化鈉攪拌至飽和;隨后以二氯甲烷為有機溶劑，分別在酸、堿和中性條件下萃取3次，合并萃取液。

準確稱取3 g原煤或降解殘煤置于50 mL燒杯中，加入30 mL二氯甲烷。在室溫下通過磁力攪拌器以500 r/min的速度持續攪拌萃取1 h;然后利用高速離心機以4 000 r/min的速度離心20 min，離心完成收集上層萃取液，按此過程重復萃取3次，合并萃取液。

1.4 有機物成分測定

萃取液中加入足量無水硫酸鈉，低溫密封靜置12 h。通過旋蒸和氮吹將萃取液進一步濃縮至0.5～1.0 mL，置于棕色進樣瓶中低溫密封保存。

本實驗中有機物測定采用美國Aglient Technologies公司生產的 7890B-5977B型氣相色譜-質譜聯用儀。色譜柱為HP-INNOWax(30 m×250 m×0.25 m)。測定條件為:載氣為99.999%的高純氦氣，載氣流速為30 mL/min;初始溫度60 ℃，保持3 min，先以20 ℃/min的速度升至150 ℃，隨后以5 ℃/min的速度上升到230 ℃，保持5 min。

1.5 孔隙參數測定

利用Micromeritics ASAP2020物理吸附儀對原煤、實驗組和對照組殘煤進行低溫液氮等溫吸附實驗。測試前在105 ℃下抽真空處理，直至測試環境壓力達到0.25 Pa。隨后在77 K下測量不同相對壓力下的吸附和脫附等溫線。文中采用2015年國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)提出的納米孔隙孔徑劃分[40]:微孔(<2 nm)、中孔(2～50 nm)和大孔(>50 nm)。

2 結果與討論

2.1 產氣分析

無煙煤厭氧降解產氣結果如圖1所示，實驗組幾乎沒有檢測到甲烷生成，說明加入產甲烷抑制劑BES顯著抑制生物甲烷產生。而對照組中檢測到大量甲烷產生，在0～3 d有短暫的滯后期，可能是由于在厭氧降解反應初期，可供產甲烷菌利用的小分子底物較少，導致甲烷產量增加較慢;隨后進入快速增長期直到第14天，隨著產甲烷菌可利用的小分子增加，甲烷產量快速增加;之后兩周甲烷產量增速降低進入緩慢增長期;最終進入產氣停止期，生物甲烷產量趨于穩定，每克煤最高甲烷產量為112.98 μmol。

圖1 實驗組和對照組產甲烷變化曲線Fig.1 Results of methane production in experimental group and control group

2.2 孔隙結構分析

2.2.1生物降解對煤孔隙類型的影響

利用低溫氮氣吸附對原煤、實驗組和對照組降解殘煤進行孔隙結構測試，吸附-脫附等溫線如圖2所示。

原煤、實驗組和對照組降解殘煤都在相對壓力0.4～0.8內觀察到很小的吸附回線。根據IUPAC對吸附回線與吸附等溫線的分類結果可知[40]，實驗所得吸附回線類型屬于H4型，且其吸附分支由Ⅰ和Ⅱ型吸附等溫線復合而成，說明所測煤樣中含有大量狹縫狀孔隙。各樣品的脫附分支在相對壓力為0.5時存在較小的拐點，說明樣品中存在少量墨水瓶形孔。在相對壓力大于0.8時，吸脫附曲線幾乎完全重合，并在相對壓力接近1時快速上升，表明樣品中存在部分單面開口的狹縫狀平行板孔。

生物厭氧降解對煤孔隙類型沒有顯著影響，降解后殘煤仍以狹縫狀半開裂隙孔為主，并存在少量的墨水瓶形孔。SONG等[41]指出孔隙的開放程度與吸附曲線的上升速率有關。從圖2中可以看出，生物降解后殘煤中孔的開放程度下降且實驗組殘煤降低更為顯著。同時，在總吸附量方面，實驗組殘煤減少38.1%，而對照組殘煤增加10.4%。

2.2.2生物降解對煤孔隙孔容和比表面積的影響

圖2 原煤、實驗組和對照組降解殘煤氮氣吸附脫附等溫線Fig.2 Nitrogen adsorption and desorption isotherm of raw coal, residual coal in experimental group and control group

采用DFT理論計算總孔容，BET理論計算比表面積。低溫液氮孔容和比表面積測試結果見表2。生物厭氧降解后，對照組殘煤總孔容與比表面積分別降低36.59%和3.43%;實驗組降解殘煤總孔容與比表面積降低更為顯著，分別為76.42%和7.99%。

表2 低溫液氮孔容和比表面積測試結果Table 2 Results of pore volume and specific surface area by low-temperature nitrogen adsorption

2.2.3生物降解對煤孔徑分布的影響

利用DFT理論計算得到原煤、實驗組和對照組殘煤的孔徑分布曲線，如圖3所示。從圖3看出，原煤和降解殘煤主要為多峰結構，小于10 nm的孔隙占主導地位，與文獻對無煙煤的孔隙檢測結果一致[42-44]。生物厭氧降解后，實驗組和對照組殘煤的孔徑分布曲線均明顯低于原煤，且實驗組殘煤最低，與上文生物降解后總孔容與比表面積的結果趨勢一致。降解殘煤與原煤孔徑分布趨勢總體相似，但生物厭氧降解殘煤的各孔徑孔隙含量均明顯低于原煤。結合表2可以看出，實驗組和對照組殘煤的微孔孔容分別降低46.15%和15.38%，而中孔降低更為顯著，分別降低80.00%和39.09%。

2.2.4生物降解對煤孔隙分形維數的影響

圖3 原煤、實驗組和對照組殘煤的孔徑分布曲線Fig.3 Pore size distribution of raw coal,residual coal in experimental group and control group

煤的孔隙結構具有非均質性和各向異性，具有明顯的分形特征。通過分形維數D可以對煤內表面的粗糙程度進行量化表征，其值通常介于2～3。分形維數D越接近3，表明煤樣內表面越粗糙，孔隙結構越復雜。本文分別采用D1(<2 nm)、D2(2～10 nm)以及D3(>10 nm)來分段描述煤的分形特征。分形維數D通過Frenkel-Halsey-Hill模型(FHH)[41,45]來計算得到

其中，V為吸附體積;V0為單層吸附體積;C為常數;A為斜率;P0為飽和蒸氣壓;P為平衡壓力;分形維數D=A+3。

原煤和降解殘煤基于FHH模型的分形維數計算結果如圖4所示。相關系數介于0.97～0.99，說明原煤及降解殘煤納米孔隙均具有極為明顯的分形特征。圖5為原煤和降解殘煤各段分形維數結果。分形維數介于2.44～2.96，實驗組與對照組殘煤分形維數D1和D2均明顯增加;添加BES后，分形維數D1和D2增加更為顯著，分別增加9.93%和9.62%。而分形維數D3在降解前后變化較小，其原因可能是原煤和降解殘煤均主要由<10 nm的孔隙組成(圖3)。結合分形理論可知，生物厭氧降解增加了無煙煤孔隙內表面粗糙程度和孔隙結構復雜程度;添加BES后，殘煤孔隙結構的粗糙程度和復雜程度進一步增加。

圖4 基于FHH模型的分形維數計算結果Fig.4 Results of fractal dimension based on FHH model

圖5 原煤、實驗組和對照組殘煤的分形維數Fig.5 Fractal dimension of raw coal,residual coal in experimental group and control group

2.3 有機物組成分析

2.3.1降解液GC/MS分析

生物厭氧降解前后培養液GC/MS結果如圖6所示，其中有機物峰面積與相對含量結果列于表3。實驗組和對照組降解液在初始階段的有機物組成相同，主要為酚類(相對含量分別為48.82%，53.25%)、雜環酮類(25.84%，38.85%)以及脂肪酸(25.34%，7.90%)。產氣結束后，實驗組和對照組的降解液中除檢測到酚類化合物(14.38%，30.83%)以外，還檢測到新出現的苯乙酸(11.60%，20.21%)、正十六烷酸(7.80%，25.45%)、以及少量酯類化合物(1.83%，9.34%)。在其他學者的煤降解實驗中同樣檢測到了這些物質[16,36,46-47]。而在實驗組中，還檢測到短鏈揮發性脂肪酸，如乙酸和丁酸(相對含量分別為9.27%和5.16%);總含量為37.39%的長鏈脂肪烴，如二十烷(0.81%)、二十一烷(3.12%)、二十二烷(7.57%)、二十三烷(10.67%)、二十四烷(9.24%)以及三十一烷(5.98%)。已有研究表明短鏈揮發性脂肪酸和長鏈脂肪烴是與煤生物產氣過程密切相關的中間代謝產物[48-49]。這說明，加入產甲烷抑制劑BES打斷甲烷的生成，使得長鏈脂肪烴和短鏈揮發性脂肪酸無法被進一步降解，從而在實驗組降解液中大量積累。

表3 GC/MS結果中有機物匯總Table 3 Summary of organic detected in GC/MS

續 表

圖6 反應前后培養液中萃取物的總離子流色譜Fig.6 Total ion chromatogram of the extract in culture solution before and after biodegradation

2.3.2原煤及降解殘煤萃取物GC/MS分析

為了研究生物厭氧降解對煤中可溶有機質組成的影響，利用二氯甲烷對原煤、實驗組以及對照組殘煤進行了有機溶劑萃取。煤中可溶有機質組成及含量的變化如圖7所示。與原煤相比，降解殘煤中芳香族含氧衍生物和雜環有機物含量明顯增加。芳香族含氧衍生物在實驗組殘煤中的含量最高為55.75%，其中43.54%為新產生;對照組殘煤中含量為33.84%，其中新產生了16.55%。實驗組和對照組殘煤雜環有機物含量分別為18.12%和29.50%，分別新產生了14.10%和25.16%，而原煤中雜環有機物含量僅為6.81%。脂肪烴在實驗組和對照組殘煤中含量分別為12.19%和26.37%，遠低于原煤中的53.69%。同時，脂肪族含氧衍生物含量較原煤略微降低，分別為13.94%和10.30%，但降解殘煤中新產生的脂肪族含氧衍生物占比較高，含量分別為11.46%和6.89%。整體而言，實驗組和對照組殘煤中新產生的可溶有機質總相對含量分別為69.10%和48.59%，生物厭氧降解對煤中可溶有機質的組成產生了重要影響。

圖7 原煤及降解殘煤中可溶有機質含量變化Fig.7 Content changes of soluble organic matter in raw coal and residual coal

原煤、實驗組和對照組殘煤萃取物的總離子流色譜圖如圖8所示。在原煤和降解殘煤中均檢測到大量C14～C19的脂肪烴，以及部分雜環酮和酚類化合物。原煤的萃取結果與季淮君[50]對無煙煤萃取結果基本相同，但文中原煤萃取物中芳香烴含量較低，僅檢測到極少量的1-甲基萘，相對含量僅為1.62%，可能是萃取劑與萃取方式的不同引起的差異。從圖8可知，殘煤中脂肪烴種類和豐度與原煤相近，而圖7中卻發現，殘煤脂肪烴含量明顯降低。這可能是因為，生物厭氧降解后大量新產生的可溶有機質在殘煤中滯留，使得殘煤中可溶有機質總量顯著增加，從而導致原本豐度變化較小脂肪烴，相對含量卻明顯降低。基于此，在后續相關性分析中并未對脂肪烴含量與孔隙參數進行相關性分析。

圖8 原煤、實驗組和對照組殘煤的固相萃取物總離子流色譜Fig.8 Total ion chromatogram of extract from raw coal,residual coal in experimental group and control group

與原煤相比，實驗組殘煤特有的新產生可溶有機質主要為對甲酚。陳林勇等[15]在寺河礦無煙煤厭氧降解過程中同樣檢測到豐度較高的對甲酚，且隨著產氣進行其豐度不斷降低，這證明對甲酚是無煙煤生物降解的代謝中間產物。同時XU等[51]研究表明產甲烷抑制劑BES抑制生物甲烷產生的同時，還會使得產甲烷菌活性降低。而產甲烷菌活性降低會顯著減弱對甲酚的生物降解，對甲酚的積累又會抑制乙酸生成，使得除乙酸外的其他短鏈揮發性脂肪酸大量積累[52]，這可能是實驗中發現丁酸的積累的原因(圖6)。在實驗組殘煤和對照組殘煤中均檢測到新產生的苯乙酸和吲哚。在其他學者的生物厭氧降解產甲烷實驗中同樣檢測到這兩種物質的存在[36,46-47,53]。實驗組和對照組產氣結束后，檢測到豐度較高的苯乙酸(圖6)，但其他新產生的可溶有機質卻僅出現在降解殘煤中，說明生物厭氧降解所生成的部分可溶有機質會進入到降解液中，但還有很大一部分滯留在煤體內。煤對降解后新產生的可溶有機質具有顯著的滯留效應。

2.4 厭氧代謝產物對煤納米孔隙的作用

厭氧代謝產物在煤中的滯留積累，一方面改變了煤的可溶有機質組成，同時對煤孔隙發育產生了重要影響。為進一步明確厭氧代謝產物對煤納米孔隙的作用，對生物厭氧降解前后煤中可溶有機質含量和其對應的孔隙參數進行了相關性分析，結果如圖9所示。

圖9 可溶有機質含量與孔隙參數的相關性分析Fig.9 Results of correlation analysis between the content of soluble organic matters and pore parameters in coal

原煤、實驗組和對照組殘煤中芳香族含氧衍生物的相對含量與煤的總孔容和比表面積呈現顯著的負相關關系，相關系數均為0.99;而與煤的分形維數D1和D2呈極強的正相關關系，相關系數分別為0.94和0.98。雜環有機物與煤的總孔容、比表面積、以及分形維數D1和D2均呈相對較弱的相關關系，相關系數在0.54～0.85。同時也發現，煤中芳香族含氧衍生物與雜環有機物含量均與分形維數D3呈較弱的相關性，相關系數分別為0.67和0.13。因此，微生物代謝產生的可溶有機質，尤其是芳香族含氧衍生物在煤中的滯留積累是微生物厭氧降解影響煤孔隙發育的主要途徑。

綜上，厭氧降解過程中產生的有機物，尤其是芳香族含氧衍生物在降解殘煤中的滯留，導致殘煤孔隙表面粗糙程度和孔隙結構復雜程度增加。一方面，表面粗糙程度的增加會提供更多吸附位點，增加氣體吸附量;而另一方面，孔隙結構復雜程度的增加會使得孔隙表面毛細凝聚效應更為顯著，氣/液面張力變大，降低氣體吸附量[54]。當相對壓力小于0.3時(圖2)，煤中氣體吸附主要以微孔填充和單層吸附為主，降解殘煤中更粗糙的孔隙表面，使得添加BES降解后殘煤的吸附量最高，而原煤吸附量最低。而當相對壓力大于0.3時，伴隨多層吸附完成，毛細凝聚效應開始出現，降解殘煤中更復雜的孔隙結構，導致降解殘煤的吸附量降低，由此出現添加BES降解殘煤吸附量最低而原煤吸附量最高的現象。

3 結 論

(1)生物厭氧降解后，殘煤總孔容與比表面積明顯降低，同時分形維數D1(<2 nm)和D2(2～10 nm)明顯增加，殘煤孔隙表面粗糙程度和復雜程度增加。添加BES增強了微生物厭氧降解對煤孔隙的作用。

(2)與原煤相比，殘煤中芳香族含氧衍生物和雜環有機物含量增加，而脂肪烴含量降低。新產生的可溶有機質在實驗組和對照組殘煤中的相對含量分別高達69.10%和48.59%，主要為芳香族含氧衍生物、雜環有機物以及少量的脂肪族含氧衍生物。其中，實驗組殘煤可溶有機質主要為對甲酚(33.42%)，而對照組主要為吲哚(21.55%)。同時，除苯乙酸外其它新產生的可溶有機質均未在降解液中檢出，說明煤對降解后新產生的可溶有機質具有顯著的滯留效應。

(3)芳香族含氧衍生物含量與總孔容和比表面積呈極強負相關關系，與分形維數D1和D2呈顯著正相關關系，而雜環有機物含量與煤孔隙參數的相關性較弱。

(4)厭氧代謝產物在微生物降解對煤孔隙影響中發揮重要作用;微生物代謝產生的可溶有機質，尤其是芳香族含氧衍生物在煤中的滯留積累是微生物厭氧降解影響煤孔隙發育的主要途徑。