Tween-80改性泡沫铁耦合空间磁场提升瓜蒌皮渣厌氧消化产甲烷效能与机理研究

《Renewable Energy》：Impact of Tween-80 modified foam iron combined with spatial magnetic field on methane production from medicinal herb residues in anaerobic digestion

本研究创新性地提出Tween-80改性泡沫铁（T80-FI）耦合空间磁场（SMF）强化瓜蒌皮渣（TKPR）厌氧消化（AD）产甲烷的新策略。通过实验优化获得最佳工艺条件（T80-FI 2.9 g/L、Tween-80 8.3 g/L、SMF 14.4 mT），使累积甲烷产量提升33.2%至642.3 mL/g VS。机理揭示该策略通过促进挥发性脂肪酸（VFA）生成、维持Fe2+/Fe3+动态平衡、增强细胞色素C及直接种间电子转移（DIET），显著优化了甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）与地杆菌目（Geobacterales）的代谢协同作用。

　　

Highlight

Material analysis

如图2a和b所示，经过Tween-80改性后，泡沫铁的接触角从92.7°降至44.1°，表明其表面亲水性显著增强。Tween-80分子通过范德华力和氢键吸附在泡沫铁表面，其疏水尾部锚定在金属表面，而亲水头部朝向水相。这种分子排列在泡沫铁表面形成了一个水合层，有效降低了界面能，从而提高了材料在厌氧消化（AD）体系中的分散性和生物可利用性。

Conclusion

T80-FI + SMF策略显著增强了瓜蒌皮渣（TKPR）厌氧消化（AD）的甲烷产量。通过实验优化，确定最佳条件为：改性泡沫铁投加量2.9 g/L，Tween-80改性浓度8.3 g/L，磁场强度14.4 mT。机理分析表明，在整个消化过程中，T80-FI + SMF实验组的挥发性脂肪酸（VFA）、铁离子和细胞色素C水平均显著高于对照组。动态的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原平衡得以维持，同时促进了甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）和地杆菌目（Geobacterales）之间的直接种间电子转移（DIET），最终实现了甲烷产量的快速提升和高峰值的出现。