CN114100362A - 一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法。本发明以嗜碱藻类为吸收剂,通过富营养化水体培养嗜碱藻类得到碱性溶液,利用该碱性溶液吸收工业烟气中的二氧化碳,同时向溶液中滴加废弃镁盐溶液,反应生成藻类碳酸盐沉淀,从而实现二氧化碳的矿物封存。本发明利用自然环境中广泛存在的嗜碱藻类和富营养化水体为原料,实现了低成本的二氧化碳封存,方法简单,安全环保,且易于实行,具有大规模应用的潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的工艺,属于环境保护技术领域。
背景技术
为应对日益严峻的气候变化问题,世界各国开始作出碳中和的承诺。截至目前,全世界已有85个国家提出碳中和目标,其中29个国家明确了碳中和时间表。
我国于2020年9月22日宣布了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”的目标。2021年7月16日,全国碳排放权交易体系正式启动。这一系列举措,使得碳中和技术继续成为环境、能源、化学、经济学(碳交易、碳市场等)等领域的研究热点。碳达峰目标的实现,可以通过限制各企业的CO2排放量及碳交易来实现。但是要实现碳中和目标,就必须依靠各式各样的碳封存技术。因此,研发具有自主知识产权的高效低能耗新型碳封存技术就显得尤为必要。
目前已有的二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)技术中,CO2矿物封存是最安全、有效的碳封存技术,微藻固碳是最环保、低成本的生物固碳技术。在众多碳封存技术中,这两项技术是研究较为成熟且较易推广使用的技术。然而,这两项技术在实际应用时却面临巨大的挑战。
CO2矿物封存过程中阳离子的提取和碱性物质的消耗使得经济成本成为技术发展最大的制约因素。经过前人探索,用于CO2矿物封存的阳离子可以采用卤片等废弃物作为原料,这极大降低了阳离子提取的成本,但是碱性物质的消耗主要来源于NH3或NaOH的使用,这仍旧使得CO2矿物封存的成本远高于其他技术,且NH3或NaOH的使用可能会带来一定的环境影响。
微藻广泛存在于自然界各水体中,特别是富营养化水体中,对极端环境具有较强的耐受性,是一类易获取且廉价的固碳生物。微藻固碳技术取决于微藻的光合作用能力,目前已有大量研究对微藻光合固碳能力做出评价及技术改进。研究表明,微藻吸收CO2固然有其潜在优势,但单纯依靠藻类吸收CO2的效率却并不高,已有的实验数据表明,微藻吸收CO2的效率一般为20%~30%。另一方面,现有的研究成果集中于微藻固碳后用于生产油脂或生物燃料,这些技术可以在一定程度上实现减碳,却并不能实现碳封存,因为藻类在死亡分解或燃烧过程中会将原本固定的CO2再次释放到大气中,且微藻细胞油脂产率与CO2的固定通常呈反比的关系,导致微藻在将CO2转化为生物质的过程中难以有效的发挥微藻的高生物油脂产量特点,这不仅局限了微藻制备生物柴油的发展,也在一定程度上限制了整个微藻固碳技术的应用。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术存在的不足之处,提供一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,该方法能够提高微藻固碳的效率,并且成本低。
技术方案
一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,包括以下步骤:
(1)将嗜碱藻种接种到采用0.45微米滤膜过滤后的富营养化水体中,培养至pH值上升为10-11.5时,将得到的藻液加入到反应釜中;
(2)往藻液中通入含CO2的工业烟气,持续搅拌,直至藻液的pH值下降为8-10;
(3)往藻液中滴加镁盐溶液并持续搅拌,待反应溶液的pH降至7.0以下时,停止反应,过滤,得到藻类碳酸盐沉淀。
步骤(1)中,所述富营养化水体取自于自然界水体。
进一步,步骤(1)中,所述嗜碱藻种为铜绿微囊藻、水华微囊藻或聚球藻中的一种或几种。
进一步,步骤(1)中,所述培养条件为:光照强度为1000-3000lux,光暗时间比为12h:12h,培养温度为20-30℃。
进一步,步骤(2)中,所述含CO2的工业烟气的通入速率为0.5-10ml/min。
进一步,步骤(3)中,所述镁盐来自于盐湖钾盐生产过程中产生的镁盐废弃物。
进一步,步骤(3)中,所述镁盐溶液中镁离子浓度为0.01-0.50mol/L,镁盐溶液滴加速率为0.1-10ml/min。
进一步,步骤(3)中,所述过滤得到的滤液浓缩后作为镁盐溶液继续使用。
本发明利用富营养化水体培养嗜碱藻种,通过嗜碱藻种吸收含CO2的工业烟气,与废弃镁盐溶液反应形成藻类碳酸盐沉淀,以实现CO2矿物封存与微藻固碳技术的优势互补。嗜碱藻种与CO2、废弃镁盐溶液反应机理为:
5Mg2++4CO2+10OH-→Mg5(CO3)4(OH)2·4(H2O)↓
5Mg2++4CO2+10OH-+H2O→Mg5(CO3)4(OH)2·5(H2O)↓
上述沉淀过程类似于自然界中形成的藻席,具有极强的可操作性。藻细胞在生长过程通过光合作用形成碱性环境以吸收工业烟气中的CO2,在藻细胞及其胞外聚合物的诱导下,镁离子打破水分子牢笼与碳酸根结合形成镁碳酸盐沉淀。
本发明的有益效果:本发明提供了一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,与现有的固碳技术相比,具有以下优点:
1)藻细胞在生长过程中通过光合作用形成碱性环境,为CO2矿物封存提供廉价的碱性物质来源。
2)藻细胞与镁碳酸盐共沉淀,既保证了CO2矿物封存的实现,又确保了藻细胞在死亡后不会进一步降解释放CO2,提高了微藻固碳的净封存效率。
3)将CO2矿物封存与微藻固碳技术的优势互补,降低矿物封存成本、提高微藻固碳效率。
4)本发明方法的工艺操作性强、安全环保、具有大规模应用的潜力。
附图说明
图1为实施例1得到的藻类碳酸盐沉淀的扫描电镜图;
图2为实施例2得到的藻类碳酸盐沉淀的扫描电镜图;
图3为实施例3得到的藻类碳酸盐沉淀的扫描电镜图;
图4为实施例1-3得到的藻类碳酸盐沉淀的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步说明本发明的技术方案。
需要说明的是:为了便于说明本发明,下述三个实施例中的镁盐溶液均由同一母液稀释得到,该母液由察尔汗盐湖钾盐生产过程的废弃镁盐(纯度95.43%以上的MgCl·6H2O)溶解得到,其主要离子成分见表1;另外,实施例中所用的富营养化水体均采集自太湖梅梁湾水域的富营养化水体。但均不限于此。
表1废弃镁盐母液中主要成分
实施例1
一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,包括以下步骤:
(1)取购买自中国科学院淡水藻种库的聚球藻FACHB-805,接种到采用0.45微米滤膜过滤后的富营养化水体中,在25℃、2000lux、光暗时间比12h:12h的条件下,培养20天,培养后的藻液pH上升至11.2,将藻液加入到反应釜中;
(2)往藻液中通入CO2体积分数为10%的工业烟气,烟气通入速率为1ml/min,并以300rpm的速率持续搅拌,直至藻液的pH值下降为9.0;
(3)往藻液中滴加镁离子浓度为0.02mol/L的镁盐溶液,其滴加速率为5ml/min,持续搅拌,待反应溶液的pH降至7.0以下时,停止反应,过滤,得到藻类碳酸盐沉淀和滤液,将滤液浓缩后作为镁盐溶液继续使用。
通过红外线气体分析仪测定,反应后废气中CO2体积分数为4.7%,计算得固碳效率为53%。
实施例1得到的藻类碳酸盐沉淀的扫描电镜图见图1,可以看出聚球藻生物膜与镁碳酸盐矿物在空间上紧密交织,共同沉淀。
实施例2
一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,包括以下步骤:
(1)取购买自中国科学院淡水藻种库的铜绿微囊藻FACHB-927,接种到采用0.45微米滤膜过滤后的富营养化水体中,在25℃、2000lux、光暗时间比12h:12h的条件下,培养20天,培养后的藻液pH上升至11.3,将藻液加入到反应釜中;
(2)往藻液中通入CO2体积分数为10%的工业烟气,烟气通入速率为3ml/min,并以300rpm的速率持续搅拌,直至藻液的pH值下降为9.5;
(3)往藻液中滴加镁离子浓度为0.1mol/L的镁盐溶液,其滴加速率为1ml/min,持续搅拌,待反应溶液的pH降至7.0以下时,停止反应,过滤,得到藻类碳酸盐沉淀和滤液,将滤液浓缩后作为镁盐溶液继续使用。
通过红外线气体分析仪测定,反应后废气中CO2体积分数为4.1%,计算得固碳效率为59%。
实施例2得到的藻类碳酸盐沉淀的扫描电镜图见图2,可看出聚球藻生物膜与镁碳酸盐矿物在空间上紧密交织,共同沉淀。
实施例3
一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,包括以下步骤:
(1)取购买自中国科学院淡水藻种库的水华微囊藻FACHB-1028,接种到采用0.45微米滤膜过滤后的富营养化水体中,在25℃、2000lux、光暗时间比12h:12h的条件下,培养20天,培养后的藻液pH上升至11.1,将藻液加入到反应釜中;
(2)往藻液中通入CO2体积分数为10%的工业烟气,烟气通入速率为8ml/min,并以300rpm的速率持续搅拌,直至藻液的pH值下降为8.5;
(3)往藻液中滴加镁离子浓度为0.2mol/L的镁盐溶液,其滴加速率为0.5ml/min,持续搅拌,待反应溶液的pH降至7.0以下时,停止反应,过滤,得到藻类碳酸盐沉淀和滤液,将滤液浓缩后作为镁盐溶液继续使用。
通过红外线气体分析仪测定,反应后废气中CO2体积分数为4.3%,计算得固碳效率为57%。
实施例3得到的藻类碳酸盐沉淀的扫描电镜图见图3。
实施例1-3得到的藻类碳酸盐沉淀的拉曼光谱图见图4,其中,a曲线为实施例1的藻类碳酸盐沉淀的拉曼光谱图,b曲线为实施例2的藻类碳酸盐沉淀的拉曼光谱图,c曲线为实施例3的藻类碳酸盐沉淀的拉曼光谱图,a、b、c曲线中,都可以看到水菱镁矿[Mg5(CO3)4(OH)2·4(H2O)]和球碳镁石[Mg5(CO3)4(OH)2·5(H2O)]的特征峰。
Claims (7)
1.一种利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将嗜碱藻种接种到采用0.45微米滤膜过滤后的富营养化水体中,培养至pH值上升为10-11.5时,将得到的藻液加入到反应釜中;
(2)往藻液中通入含CO2的工业烟气,持续搅拌,直至藻液的pH值下降为8-10;
(3)往藻液中滴加镁盐溶液并持续搅拌,待反应溶液的pH降至7.0以下时,停止反应,过滤,得到藻类碳酸盐沉淀。
2.如权利要求1所述利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述嗜碱藻种为铜绿微囊藻、水华微囊藻或聚球藻中的一种或几种。
3.如权利要求1所述利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,步骤(1)中,所述培养条件为:光照强度为1000-3000lux,光暗时间比为12h:12h,培养温度为20-30℃。
4.如权利要求1所述利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,步骤(2)中,所述含CO2的工业烟气的通入速率为0.5-10ml/min。
5.如权利要求1所述利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述镁盐来自于盐湖钾盐生产过程中产生的镁盐废弃物。
6.如权利要求1所述利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述镁盐溶液中镁离子浓度为0.01-0.50mol/L,镁盐溶液滴加速率为0.1-10ml/min。
7.如权利要求1至6任一项所述利用嗜碱藻类封存二氧化碳的方法,其特征在于,步骤(3)中,所述过滤得到的滤液浓缩后作为镁盐溶液继续使用。
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