Enhancing Biohydrogen Production from Straw: Synergistic with Coal Gangue and Freeze- Thaw Pretreatment

ملخص تقني: تعزيز إنتاج الهيدروجين الحيوي من القش عبر المعالجة المسبقة التآزرية بالتجميد والذوبان وإضافة فحم الكول غانغ (النفايات الفحمية)

بيان المشكلة
يواجه الإنتاج واسع النطاق للهيدروجين الحيوي من قش المحاصيل قيوداً حالياً بسبب انخفاض كفاءة تحويل الهيدروجين. وتتمثل العقبة الرئيسية في البنية الفيزيائية والكيميائية المستعصية للقش، حيث يكون السليلوز والهيميسليلوز محاطين بإحكام باللجنين. هذا الحاجز يعيق وصول الميكروبات بشكل كبير، مما يؤدي إلى بطء معدلات التحلل المائي وإنتاج كميات غير مثالية من الهيدروجين. وبينما تعد المعالجة المسبقة ضرورية لتفكيك هذه البنية، فإن العديد من الطرق الحالية تتضمن كواشف كيميائية أو استهلاكاً عالياً للطاقة. علاوة على ذلك، لا يزال استغلال النفايات الصلبة الصناعية، وتحديداً "فحم الكول غانغ" (النفايات الفحمية)، غير مستغل بشكل كافٍ رغم إمكاناته كمصدر للعناصر الزهيدة المفيدة للتخمر اللاهوائي.

المنهجية
استخدمت هذه الدراسة نهجاً ذا شقين لتعزيز إنتاج الهيدروجين الحيوي من قش الذرة: المعاللة المسبقة الفيزيائية وإضافة مادة معدنية خارجية.

1. المادة الخام واللقاح: جُمع قش الذرة، وجُفف في الهواء، وطُحن إلى مسحوق بحجم ≤ 1 مم. تألف اللقاح من بكتيريا Clostridium guangxiense G1T (CICC 24070).
2. المعالجة المسبقة بالتجميد والذوبان: خضعت عينات القش لدورة تجميد وذوبان (تجميد عند -20 درجة مئوية لمدة 24 ساعة يليه ذوبان عند 25 درجة مئوية لمدة 12 ساعة) بنسبة صلب إلى سائل تبلغ 1:10. تم اختيار هذه الطريقة الفيزيائية لبساطتها وخلوها من النواتج الكيميائية الجانبية، مع الاستفادة من المناخات الباردة الطبيعية للتشغيل بـ "صفر طاقة".
3. إضافة فحم الكول غانغ: جرى طحن ونخل فحم الكول غانغ، المصدر من ساحة فحم في شنيانغ، إلى أحجام حبيبات مختلفة (10، 20، 40، 80، و100 مش). أُضيف الفحم إلى مفاعلات التخمر اللاهوائي التي تحتوي على القش المعالج مسبقاً بجرعات تتراوح من 0 إلى 70 جم/لتر.
4. التخمر والتحليل: أُجري التخمر اللاهوائي في زجاجات محكمة الإغلاق عند 37 درجة مئوية لمدة 48 ساعة. وشملت المعايير الرئيسية التي تم قياسها: عائد الهيدروجين، تركيزات الأحماض الدهنية المتطايرة (VFA)، الرقم الهيدروجيني (pH)، وجهد الأكسدة والاختزال (ORP). كما حُللت التغيرات الهيكلية والكيميائية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورير (FTIR).
5. التقييم البيئي: حسبت الدراسة مكافئات الفحم القياسية وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) بناءً على الهيدروجين المنتج، مع مقارنة النظام التآزري بمجموعات الضبط غير المعالجة.

النتائج الرئيسية

• تأثير المعالجة المسبقة بالتجميد والذوبان:

  • التفكك الهيكلي: أظهر تحليل SEM أن المعالجة المسبقة خلقت فجوات وفتتت البنية الشبيهة بالكتل للقش، مما كسر الحاجز الخارجي الكثيف. وأكد تحليل FTIR تكسر الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات بين السليلوز والهيميسليلوز واللجنين، إلى جانب الإزالة الجزئية لللجنين.
  • كفاءة التحلل المائي: أدت المعالجة المسبقة إلى زيادة إنتاج السكر المختزل بنسبة 66.96% والطلب الكيميائي الحيوي على الأكسجين المذاب (SCOD) بنسبة 68.94% مقارنة بالمجموعة الضابطة.
  • عائد الهيدروجين: أنتج القش المعالج مسبقاً 10.2 مل/جم من الهيدروجين، بزيادة قدرها 27.5% عن المجموعة الضابطة غير المعالجة. وأظهر مرق التخمر زيادة بنسبة 63.8% في إجمالي الأحماض الدهنية المتطايرة (VFAs)، مع استقرار نسب حمض الأسيتيك وحمض البوتيريك عند حوالي 70%.
  • ظروف النظام: خفضت المعالجة المسبقة جهد الأكسدة والاختزال النهائي إلى -280 ميلي فولت (مقابل -230 ميلي فولت في المجموعة الضابطة)، مما خلق بيئة أكثر ملاءمة لأنظمة نزع الهيدروجين.

• تأثير إضافة فحم الكول غانغ:

  • تحسين حجم الجسيمات: زاد عائد الهيدروجين وتركيز الأحماض الدهنية المتطايرة في البداية ثم انخفض مع تناقص حجم الجسيمات. كان حجم الجسيمات الأمثل هو 80 مش. عند هذا الحجم، بلغ عائد الهيدروجين ذروته عند 11.9 مل/جم، وحافظ النظام على رقم هيدروجيني مستقر (4.75–5.00) وجهد أكسدة واختزال منخفض (-325 ميلي فولت).
  • تحسين الجرعة: زاد إنتاج الهيدروجين مع زيادة جرعة الفحم حتى 30 جم/لتر، ثم انخفض بعد ذلك. تم تحقيق أقصى عائد قدره 14.2 مل/جم عند جرعة 30 جم/لتر (80 مش)، مما يمثل زيادة بنسبة 31.5% عن المجموعة الضابطة.
  • الآلية: تعزو الدراسة هذا التعزيز إلى إطلاق الحديد (Fe III) والعناصر الزهيدة (النحاس، الزنك، النيكل) من الفحم، والتي تحفز نشاط الإنزيمات (مثل الفيريدوكسين، والهيدروجيناز) وتسهل نقل الإلكترونات. ومع ذلك، أدت الجرعات المفرطة (أكثر من 30 جم/لتر) إلى التكتل والسمية المحتملة، مما ثبط النمو الميكروبي.
  • تحول الأحماض الدهنية المتطايرة: أدت إضافة 30 جم/لتر من الفحم إلى زيادة نسبة حمض البوتيريك في إجمالي الأحماض الدهنية المتطايرة من 78% إلى 85%، مما يوفر تغذية أكثر فعالية للبكتيريا المنتجة للهيدروجين.

• الفوائد البيئية:

  • أدى التطبيق التآزري للمعالجة المسبقة بالتجميد والذوبان وإضافة 30 جم/لتر من فحم الكول غانغ إلى زيادة إجمالية في إنتاج الهيدروجين بنسبة 77.5% مقارنة بالقش غير المعالج.
  • لكل طن من القش المعالج مسبقاً، أنتج النظام 14.2 متر مكعب من الهيدروجين، مما حل محل حوالي 4.7 كجم من الفحم القياسي.
  • قلل هذا المسار من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بمقدار 8.98 كجم لكل طن من القش، أي انخفاض بنسبة 32.4% مقارنة بمجموعة الضبط.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذه الدراسة تقدم نموذجاً قابلاً للتطبيق لمعالجة "النفايات من النفايات" للمنتجات الثانوية الزراعية والصناعية. ومن خلال الجمع بين المعالجة المسبقة الفيزيائية منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة في استهلاك الطاقة (التجميد والذوبان) مع استخدام فحم الكول غانغ كمادة مضافة معدنية، يحقق البحث ما يلي:

1. تعزيز الكفاءة: دفعة كبيرة في عائد الهيدروجين الحيوي من خلال تحسين التوافر البيولوجي للمادة الخام وتحفيز التمثيل الغذائي الميكروبي.
2. التآزر البيئي: الحد المتزامن من انبعاثات الكربون وتثمين النفايات الصلبة (فحم الكول غانغ)، مما يساهم في أهداف خفض انبعاثات الكربون.
3. القابلية للتطبيق العملي: توفر الطريقة مساراً للمناطق ذات المناخات الباردة لاستخدام تقلبات درجات الحرارة الطبيعية للمعالجة المسبقة، مما يقلل التكاليف التشغيلية مع معالجة المخاطر البيئية لتكديس فحم الكول غانغ.

تخلص الورقة إلى أن هذا النهج يجسّر الفجوة بفعالية بين استغلال موارد النفايات وتوليد الطاقة النظيفة، مما يوفر طريقاً واعداً لإنتاج الهيدروجين الحيوي المستدام.