CN103316583B - 一种利用水华藻固定co2的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用水华藻固定CO2的方法，将密闭半密闭环境中含有CO2的气体通入水华藻溶液中，加入一定量的钙离子溶液，利用水华藻的生物钙化作用，促进水体中的Ca2+和CO3 2-结合生成CaCO3沉淀，从而固定气体中的CO2。本发明提供的利用水华藻固定CO2的方法可以降低气体中CO2的含量，实现CO2的永久固定；并且水华藻在形成水化时，对水体，水中的生物以及人类危害很大，利用水华藻固定CO2可以实现废物利用；同时水华藻光合作用还会吸收CO2增加去除率。本发明提出的固定CO2的方法操作简单、成本低廉，具有良好的环境意义。
Description
技术领域
本发明属于CO2固定技术领域，具体涉及一种利用水华藻固定CO2的方法，适用于潜艇、飞行器、空间站等密闭空间，以及高铁、空调列车等半密闭空间内的CO2的去除。
背景技术
二氧化碳是人体的代谢产物，成人呼出量约为15L/h。一般情况下，室内二氧化碳的浓度为0.04%，适于人们呼吸，当空间中的二氧化碳增加到0.1%时，人体开始感觉不适，在二氧化碳浓度达到3-4％时，人呼吸加深，会出现头疼、耳鸣、血压增加等症状，当浓度达到5%时，呼吸仅能维持30min。在潜艇、飞行器、空间站、高铁、空调列车、地铁等密闭、半密闭空间中，人体排出的二氧化碳会累积起来，降低工作人员的工作效率和能力，甚至危害生命健康。因此降低这类空间中二氧化碳的浓度是一项很必要的工作。
生物钙化现象是自然界普遍存在的一种现象，如天然水体中存在的层叠石，石灰华等矿物，以及导致一些水体颜色变白的whiting现象。钙化的生物也有很多种，如一些细菌，真核微藻，不同种类的蓝藻等。
水华藻是各种水体中常见的浮游性蓝藻，具有蓝藻的一些共同性质。比如它是一种光和自养的原核微生物，生存范围很广，可以漂浮生活在各种水体中，对营养条件的要求也很低，而且作为容易进行基因重组，快速进行定位诱变，基因插入，基因替换和切除等。水华藻在营养条件充足时会大量繁殖，形成水华，使水体污染，鱼虾死亡，水道堵塞，严重影响水体生态系统的健康发展，降低水资源的利用效能，对人类的生产和生活造成严重的影响。除此之外，水华藻毒素也会严重影响水体的质量，危害人类的健康。近年来，我国众多湖泊水体（太湖，滇池等）水华发生频率很高，引起了人们的高度重视。对于如何减轻水华藻造成的危害，现阶段主要有两种处理方式，一种是治理，降低藻细胞量；另一种是利用，以水华藻为原料提取或制备一些有价值的物质，如提取游离氨基酸、藻蓝蛋白、多糖，制备复混肥，超临界水气化制取氢气等。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用水华藻的生物钙化作用固定密闭、半密闭空间中的CO2的方法。该方法是将密闭、半密闭空间中含有CO2的气体通入到生长有水华藻的水体中，利用水华藻的生理、生化作用固定气体中的CO2，从而达到减少空气中CO2含量的目的。
本发明提出的一种利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法，具体包括以下几个步骤：
第一步：水华藻的分离、培养和驯化获得单一种类水华藻对数生长期的水华藻细胞液。
从发生水华的水域采集大量生长的浮游藻类，用消毒的纱布过滤。将藻类稀释为藻液，用吸管将藻液滴在载玻片上，在显微镜下观察载玻片上的藻液，如果一滴藻液内含有两种及以上藻细胞则继续进行稀释，若是只有同种藻类细胞时，则用吸管将藻液冲入灭菌之后的BG11液体培养基中培养。
水华藻在使用之前要用接近于生物钙化水体状态的培养基进行驯化，使水华藻适应生物钙化的水体，减少钙化固定CO2所需的时间。
水华藻的培养和驯化在培养箱中，培养条件为：温度20-25℃，光照度3000-5000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气。测定水华藻的生长状况，获得对数生长期的水华藻细胞液。
第二步：水华藻生物钙化固定二氧化碳。
向水华藻细胞液中加入含有Ca2+溶液形成混合液，持续光照（光照度3000-5000lx），混合液中pH值为7.5～9，温度为20～25℃。
向上述混合液中通入含有CO2的气体，当混合液的pH值低于8时，钙化过程结束。
所述混合液中Ca2+浓度大于100mg/L。一般选取含有Ca2+溶液为氯化钙溶液或硝酸钙等。
所述的混合液中还可以加入水和碳酸氢钠等组分。
第三步：溶液回收利用。
钙化过程结束后，将上述的水华藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca2+和水华藻细胞，形成新的水华藻细胞液，返回第二步，再次钙化利用。
本发明的优点在于：
（1）本发明提供的是一种利用生物钙化作用固定CO2的方法，操作简便，成本低廉；
（2）本发明提供的是一种利用水华藻固定CO2的方法，所用的水华藻来源广泛，易于获得；利用水华藻固定密闭、半密闭环境中的CO2可以防止微环境中CO2浓度过高，降低对其中工作人员的危害；同时水华藻在生物钙化的过程中会进行光合作用，吸收利用CO2，增加CO2的去除率；
（3）本发明提供的是一种利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法，可以实现对CO2 的永久固定和封存。
附图说明
图1：本发明中测量得到的加入水华藻细胞液与空白溶液的pH值随时间的变化；
图2：本发明中加入水华藻细胞的溶液与空白溶液的过饱和指数SI值随时间的变化；
图3：本发明中得到的加入水华藻细胞的溶液中碳酸钙晶体在扫描电子显微镜下的形貌图（放大倍数1000倍）；
图4：本发明中得到的碳酸钙晶体的能谱分析图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的利用水华藻固定CO2的方法，具体操作步骤如下：
第一步：水华藻的分离、培养和驯化。
从发生水华的水域采集大量生长的浮游藻类，用消毒的纱布过滤。将藻类稀释，用吸管将稀释的藻液滴在载玻片上，在显微镜下观察载玻片上的藻液，如果一滴藻液内含有两种及以上藻细胞则继续进行稀释，若是只有同种藻类细胞时，则用吸管将藻液冲入灭菌之后的BG11液体培养基中培养。
水华藻在使用之前要用接近于生物钙化水体状态的培养基进行驯化，使水华藻适应生物钙化的水体，减少钙化固定CO2所需的时间。
水华藻的培养和驯化在培养箱中，培养条件为：温度20-25℃，光照度为3000-5000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气。测定水华藻的生长状况，获得对数期的水华藻细胞液。
第二步：水华藻生物钙化固定二氧化碳。
水华藻生物钙化在平底玻璃瓶中进行。平底玻璃瓶有两个口在瓶壁下部，一个为气体通入口，一个为实验结束时溶液排出口。另外平底玻璃瓶顶部设置相应的测试取样口，持续测定溶液pH值的变化，取样测定溶液中离子浓度变化及空间气体中CO2的含量。
钙化过程在持续光照（光照度为3000-5000lx）的条件下进行，持续光照使水华藻一直处于光合作用的状态，持续的光合作用会使溶液一直处于碱性条件下。
向平底玻璃瓶中加入水华藻细胞液和一定浓度的Ca2+溶液形成混合液，混合液中Ca2+浓度大于100mg/L，为碳酸钙沉淀形成提供较高饱和度，促进钙化过程，缩短钙化时间。混合液的初始pH值大约为7.5-9，有利于钙化作用的进行。
将含有二氧化碳的气体（CO2的质量浓度为0.04%-4%）用空气泵持续通入到上述的混合液中。当混合液的pH值低于8时，钙化过程结束。
所述钙化过程温度保持在20-25℃，此温度条件为人类适宜的生活温度，在此温度下，水华藻细胞生长状态良好。
所述钙化过程中持续不断的搅拌所述混合液，使混合液中的Ca2+离子和CO2气体分布均匀，并充分接触。
第三步：溶液回收利用。
钙化过程结束后，将上述的水华藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca2+和水华藻细胞，返回第二步，再次钙化利用。
为了验证本发明提出的利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法的效果，在实验室内进行模拟实验，测定实验过程中钙离子浓度的变化，以及利用扫描电子显微镜对细胞进行观察， 利用能谱仪对得到的晶体进行成分分析，直接反应钙化情况。结果表明，本发明提出的利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法可以有效的促进溶液中的Ca2+和CO3 2-结合，形成碳酸钙沉淀，达到CO2的去除效果。
实施例1：
本实施例中提供一种利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法，具体包括以下几个步骤：
第一步：水华藻的分离、培养和驯化。
从发生水华的水域采集大量生长的浮游藻类，用消毒的纱布过滤。将藻类稀释，用吸管将稀释的藻液滴在载玻片上，在显微镜下观察载玻片上的藻液，如果一滴藻液内含有两种及以上藻细胞则继续进行稀释，若是只有同种藻类细胞时，则用吸管将藻液冲入灭菌之后的BG11液体培养基中培养。
水华藻在使用之前要用接近于生物钙化水体状态的培养基进行驯化，驯化水华藻的培养基为贫营养的液体培养基，成分为：5.9mg/L Ca(NO3)2·4H2O,46.7mg/L NaNO3,4.1mg/LK2HPO4·3H2O,2.5mg/L MgSO4·7H2O,168mg/L NaHCO3,11.45mg/L Na-EDTA（乙二胺四乙酸二钠）,3mg/L FeSO4·7H2O,248μg/L H3BO3,135μg/L MnSO4·H2O,7.2μg/L(NH4)6Mo7O24·4H2O,23.2g/L ZnSO4·7H2O,12μg/L Co(NO3)2·6H2O,10.4μg/L CuSO4·5H2O。
水华藻的培养和驯化在培养箱中，培养条件为：温度22℃，光照度3000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气。测定水华藻的生长状况，获得对数生长期的水华藻细胞液。
第二步：水华藻生物钙化固定CO2。
持续光照条件下（光照度3000lx），取第一步中处于对数生长期的水华藻细胞液加入到平底玻璃瓶中（容积为1.2L），稀释，使藻细胞浓度为每毫升藻液中含有1×108个藻细胞。向藻细胞液加入的NaHCO3溶液，一定浓度的CaCl2溶液，使藻细胞液中钙离子浓度为150mg/L，保持溶液的温度在22℃左右。向此溶液中持续通入含有CO2的气体（CO2的质量浓度为0.6%），气体流速为30ml/min。气体来源于N2，O2，CO2气瓶配气，搅拌器转速为60rpm，持续进行100h，过程中全程测量溶液的pH值。
第三步：溶液回收利用。
钙化过程结束后，将上述的水华藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca2+和水华藻细胞，返回第二步，再次钙化利用。
在固定过程中设置了没有加入水华藻的空白对比实验，其他条件相同。
得到以下结果：
加入水华藻细胞的溶液pH值会有一个明显的增加过程，这个变化明显大于空白溶液的变化（图1）。加入水华藻细胞的溶液则在溶液平衡后pH值开始逐渐上升，在第36小时左 右达到最大值，为10.24左右，之后开始缓慢下降，第80小时后溶液的pH值开始低于空白溶液的pH值。
实施例2：
本实施例中提供一种利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法，具体包括以下几个步骤：
水华藻分离、培养和驯化后，将处于对数生长期的水华藻细胞液加入到平底玻璃瓶中（容积为1.2L），使水华藻的藻细胞浓度为每毫升藻液中含有1×105个藻细胞。持续光照条件（光照度4000lx）下，向藻细胞液加入NaHCO3溶液，一定浓度的CaCl2溶液，使藻细胞液中钙离子浓度为190mg/L，保持溶液的温度在20℃左右，溶液pH值为7.5～9。向此溶液中持续通入含有CO2的气体（CO2的质量浓度为0.4%），气体流速为30ml/min，搅拌器转速为60rpm。过程持续进行100h。
钙化过程结束后，将上述的水华藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca2+和水华藻细胞，再次钙化利用。
同时设置了没有加入水华藻细胞的空白对比实验，其它条件相同，过程中每隔一定的时间取样测定溶液的pH值，碱度，主要阳离子（Ca2+，Na+，Mg2+，K+）浓度，主要阴离子（Cl-，NO3 -，SO4 2-）浓度，并根据测得的数据，用软件Visual MINTEQ计算每一取样点碳酸钙的过饱和指数，得到如下结果：
加入水华藻细胞的溶液中钙离子浓度的下降速度较快，钙离子浓度的降低值远大于空白溶液，加入水华藻细胞的溶液中Ca2+的最大减少量达到了16%，所用时间仅有29小时。
通过软件Visual MINTEQ[version3.0]计算出溶液中碳酸钙的过饱和指数，如图2所示，对比发现加入水华藻细胞的溶液中碳酸钙的过饱和指数有明显的增加，最高可以达到2.9；而空白溶液的过饱和指数则变化不大，一直保持在0.2-0.3之间。
根据钙离子浓度的减少量，换算水华藻溶液去除二氧化碳的量。在实验条件下，1L190mg/L的Ca2+溶液在29h内钙化作用去除CO2的量为33.2mg。
实施例3：
本实施例中提供一种利用水华藻生物钙化作用固定CO2的方法，具体包括以下几个步骤：
将伪枝藻分离、培养和驯化后，把处于对数生长期的水华藻细胞液加入到平底玻璃瓶中（容积为1.2L），稀释，使水华藻藻细胞浓度为每毫升藻液中含有1×105个藻细胞。持续光照条件下（光照度5000lx），向藻细胞液加入一定浓度的NaHCO3溶液，一定浓度的CaCl2 溶液，使藻细胞液中钙离子浓度为150mg/L，保持溶液的温度在25℃左右，溶液起始pH值为7.5～9。向此溶液中持续通入含有CO2的气体（CO2的质量浓度为0.45%），气体流速为30ml/min，过程持续进行100h。
钙化过程结束后，将上述的水华藻细胞液排出，用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca2+和水华藻细胞，再次钙化利用。
同时设置了没有加入水华藻的空白对比试验，其他条件相同，过程中每隔一定时间取样过滤，测定滤膜上晶体的生长状态。
将滤膜上的样品前处理，用扫描电子显微镜观察，发现有晶体生成（图3中颜色较亮，有规则形状的结构）。加入水华藻细胞的溶液中生成的晶体比空白溶液中晶体的数量多，颗粒的粒径也大。同样使用能谱仪进行成分分析（图4），发现生成的晶体中钙含量很高，确实是碳酸钙晶体。
Claims (3)
1.一种利用水华藻固定CO2的方法，其特征在于：
第一步：水华藻的分离、培养和驯化，获得单一种类水华藻对数生长期的水华藻细胞液；所述的水华藻的培养和驯化在培养箱中进行，培养条件为：温度20-25℃，光照度3000-5000lx，光暗周期比为16h:8h，持续曝气；
第二步：水华藻生物钙化固定二氧化碳；
向水华藻细胞液中加入含有Ca2+的溶液形成混合液，持续光照，光照度为3000-5000lx；混合液中pH值为7.5～9，温度为20～25℃；所述的混合液中还加入了水、碳酸氢钠；
向上述混合液中通过含有CO2的气体，当混合液的pH值低于8时，钙化过程结束；
所述混合液中Ca2+浓度大于100mg/L；所述的含有二氧化碳的气体中CO2的质量浓度为0.04％～4％；
第三步：溶液回收利用；
钙化过程结束后，将上述的水华藻细胞液用0.22μm的滤膜过滤，过滤后的溶液继续加入Ca2+和水华藻细胞，返回第二步，再次钙化利用。
2.根据权利要求1所述的一种利用水华藻生物钙化固定CO2的方法，其特征在于：所述的含有Ca2+溶液为氯化钙溶液或硝酸钙溶液。
3.根据权利要求1所述的一种利用水华藻生物钙化固定CO2的方法的应用，其特征在于：持续光照条件下，光照度为3000-5000lx，测定水华藻的藻细胞浓度为每毫升藻细胞液中含有1×105～1×108个藻细胞；向藻细胞液加入NaHCO3溶液，然后向溶液中加入CaCl2溶液，使钙离子浓度为100mg/L以上，保持溶液的温度在20～25℃；向此溶液中持续通入含有CO2的气体，所述的含有二氧化碳的气体中CO2的质量浓度为0.04％～4％，气体流速为30ml/min；搅拌器转速为60rpm，持续进行100h，Ca2+的最大减少量达到了16％，而所用时间仅有29小时。
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