污泥生物接种对煤体气体吸附与孔隙结构改造的实验研究：提升煤层气回收与CO2封存潜力的新策略

本研究针对低阶煤（亚烟煤和褐煤）甲烷产能低、CO2封存效率不足的问题，通过污泥生物接种技术开展煤体孔隙结构与气体吸附特性改造研究。实验证实生物处理使亚烟煤CH4和CO2吸附量分别提升40%和53%，褐煤提升42%和24%，孔隙体积与表面积显著增加。该成果为微生物增强煤层气（MECBM）回收及碳封存提供了创新技术路径。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，如何高效开发非常规天然气资源成为关键课题。煤层气（CBM）作为清洁能源，其开采效率受限于煤体吸附特性与孔隙结构。传统物理化学改造方法存在成本高、环境风险大等问题，而微生物增强煤层气（MECBM）技术通过仿生改造煤基质展现出独特优势。然而，现有研究多聚焦产气菌群优化，对生物处理引发的煤体结构-功能协同演变机制认识不足。

美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队在《Fuel Processing Technology》发表论文，首次系统评估了污泥生物接种对亚烟煤和褐煤气体吸附特性及孔隙结构的改造效应。研究通过CH₄/CO₂吸附实验结合N₂吸附-脱附分析，证实生物处理可显著提升煤体储气能力，并揭示微生物主要通过扩大介孔-大孔体积（>10 nm）实现这一过程。该成果为废弃煤矿资源化利用提供了"生物改造-产能提升-碳封存"三位一体的解决方案。

关键技术方法包括：1）采用Penn State煤库标准样品（亚烟煤来自Rosebud煤层，褐煤来自Richland County煤层）；2）构建含污泥（5 mL）、地层水（40 mL）和乙醇（20 mol）的批量反应器进行120天生物转化；3）高压吸附系统（3000 psi）测定CH₄（1000 psi）和CO₂（750 psi）吸附等温线；4）BJH法分析77K N₂吸附数据量化孔隙分布；5）Langmuir模型拟合绝对吸附量。

3.1 CH₄吸附
生物处理后亚烟煤CH₄吸附量达22.5 mL/g（提升40%），褐煤达8.5 mL/g（提升42%）。Langmuir体积（V_L）分析显示亚烟煤保持更高吸附潜力（38.4 vs 7.7 mL/g），但褐煤经处理后吸附亲和力（P_L）降幅更显著（646.4 vs 742.9 psi），表明微生物对低阶煤表面改性更有效。

3.2 CO₂吸附
CO₂吸附提升幅度更大（亚烟煤21%，褐煤15%），其分子尺寸优势（0.33 nm vs CH₄ 0.38 nm）使其更易进入新生孔隙。等温线呈现I型（微孔填充）与IV型（介孔多层吸附）复合特征，证实生物处理创造了多尺度孔隙系统。

3.3 N₂吸附
孔隙分布显示亚烟煤大孔（>50 nm）体积增加35%，褐煤介孔（10-100 nm）占比从56%升至61%。微生物通过降解有机质和EPS（胞外聚合物）分泌，将封闭孔转化为开放孔道，比表面积最高提升8.60E-4 cm³/g。

3.4 统计分析
ANOVA验证所有吸附增强具有统计学意义（p<0.0001），F值最高达15,860.3（CO₂-亚烟煤），证实数据可靠性。

这项研究创新性地揭示了污泥微生物通过"表面生物膜形成-孔隙网络重构-官能团修饰"三重机制改造煤体特性。实际应用中，该技术可使废弃煤矿转变为"碳中性"能源生产基地：以Montana褐煤为例，经生物改造后其CO₂/CH₄吸附比优化至3.8，兼具能源产出与碳封存效益。研究团队建议未来重点探索：1）原位生物反应器设计；2）微生物群落-孔隙演化耦合规律；3）经济性评估。该成果为实现《巴黎协定》1.5℃目标提供了可规模化的负排放技术路径。