微藻光合减排燃煤电厂烟气CO2及资源化利用研究进展

微藻光合作用固定燃煤发电厂烟气CO₂及其生物质能源化资源化利用已成为低碳循环的核心技术,是实现我国“双碳”目标有效途径之一。然而烟气中CO₂浓度高(相对自然界藻类生长的空气氛围),且存在易溶酸性气体,如SO₂等,对微藻光合生长及碳转化过程是极大挑战,造成我国微藻捕集烟气CO₂的工程应用非常有限。为促进微藻固定烟气CO₂发展,针对烟气高浓度CO₂和含SO₂等酸性气体的特点,从耐受烟气氛围的高效藻种构建、微藻对高浓度碳的代谢及转化过程调控再到烟气中高浓度CO₂在光生物反应器中的传输及转化过程进行全面综述。小球藻是最有望实现微藻生物固定烟气CO₂的藻种。通过筛选和驯化等方式,小球藻可适应烟气的高碳浓度和一定浓度下酸性气体的胁迫,并保持较高固碳速率。烟气在光生物反应器内溶解传输及引起多相流动是影响微藻固碳性能的关键,强化反应器内的CO₂传输并抑制SO₂酸性...     

微藻固碳光合作用强化策略及展望

随着工业技术的飞速发展和化石能源的大量使用,CO₂排放量逐年增加,其引起的全球变暖是全球环境和经济领域最关注的话题之一。CO₂捕集利用与封存技术(CCUS)是我国实现碳达峰、碳中和目标的关键技术,对我国减少CO₂排放、构建生态文明具有重大意义。微藻具有生长速度快、对极端环境适应性强、生产成本低等优点,其介导的CCUS技术能吸收固定CO₂并将其转化为高附加值产品。该过程中微藻种类对确定CO₂固定效率和生物质产量起至关重要的作用。目前许多综述性研究都集中在利用微藻进行碳捕集、利用和储存方面,鲜见关于提高微藻碳捕集效率的最新策略相关综述。基于微藻固碳技术的发展现状,系统讨论了微藻的光合作用和固碳机理。回顾了微藻菌株固定CO₂最新进展,重点关注用于燃煤烟气的微藻改良和改进。全面总结了提高微藻光合效率的最新趋势和策略。随机诱变、适应性实验室进化和基因工程等几种修饰和改良微藻菌株的策略可用于产生理想的藻种。其中,基因工程不仅可截断集光复合体(LHC)的天线尺寸来提高光...     

吸收-微藻法固定燃气电厂低浓度CO2同步产油技术研究进展

燃气电厂利用稳定、清洁的化石能源发电,在“双碳”背景下发电过程产生的低浓度CO₂的捕集和资源化利用,对于实现碳中和至关重要。针对低浓度CO₂捕集难度大、脱附费用高的问题,利用CO₂吸收液同步培养微藻产油提供了一种实现低浓度CO₂捕集与资源化利用于一体的新途径。具有高CO₂捕集能力和同时快速培养微藻能力的吸收液是溶液设计和配制的决定性因素。本文总结了现有吸收液的应用现状,梳理出复合吸收液耦合微藻营养调控的碳捕集发展前景,其中吸收液的碱度和盐度对微藻同化CO₂具有显著影响。讨论了在不同温度和光照的工艺条件对微藻生物转化CO₂的影响,阐述了CO₂气体以微孔鼓泡和气升导流的方式通入反应器对CO₂捕集和微藻生长的不同效果。从促进微藻吸收CO₂同步产油的角度,介绍了藻种诱变驯化和基因改造以提升环境适应性同时增强脂质生产的研究进展,最后通过经济分析展望了规模化应用吸收-微藻法的经济可...     

分批补加NH4HCO3对化学吸收-微藻转化耦合系统的影响

碳捕集及资源化利用对缓解全球变暖、冰川融化等环境问题具有重要意义,是实现碳中和的有效途径之一。传统的化学吸收法捕集CO₂能耗高,而微藻生物固定CO₂时,由于CO₂在培养基中溶解度低,导致CO₂逃逸,造成固碳效率低及CO₂二次排放。化学吸收与微藻固碳耦合系统具有潜在的降低再生能耗及提升一体化CO₂资源化利用优势。采用氨水作为化学吸收剂,充分吸收CO₂后生成的NH₄HCO₃部分替代传统微藻培养过程中的氮源NaNO₃,为降低高浓度NH₄⁺-N对螺旋藻的毒性,进一步降低耦合系统的氮源成本,采用分批补加NH₄HCO₃的形式优化氮源组成。结果表明,分批补加NH₄HCO₃可在不影响螺旋藻生长的情况下,降低NaNO₃总需求量,促进脂质...     

二氧化碳捕集技术研究进展

由于全球温室效应不断增强,全球温度上升引发冰川融化,使得海平面上升和海水酸化。二氧化碳(CO₂)是人为排放温室气体的主要组成部分,占比四分之三。随着碳中和碳达峰目标的提出,CO₂捕集与封存(CCS)技术作为具有前景的策略正在引起全球关注。本文介绍了燃料燃烧前、富氧燃烧和燃烧后烟气中CO₂捕集技术,以及吸收、吸附和膜分离等CO₂分离技术,提出固体吸附剂对CO₂进行吸附和分离是一种具有应用前景技术,从CO₂吸附剂方面展望二氧化碳捕集技术研究方向。     

CO2捕集及工业应用研究进展

碳捕集纯化技术中吸收剂和吸收工艺的开发以及二氧化碳(CO₂)的高效利用是该领域的研究热点。本文从CO₂捕集吸收剂、吸收工艺、工业应用及生产市场方面进行了详细综述和分析,总结了我国当前CO₂产业的发展情况和研究进展,探讨了CO₂吸收剂研制、工艺开发以及CO₂利用技术开发的发展方向,并对我国CO₂市场进行了展望。     

低能耗化学吸收碳捕集技术展望

低能耗的CO₂捕集技术对“碳减排”有重要意义。化学吸收法是工业常用的CO₂捕集方法,过程能耗高、成本高,限制了大规模的工业应用。近年来,随着新型吸收剂的开发和吸收解吸装置的设计,过程能耗有所降低,在我国已有多套碳捕集示范装置。然而进一步降低捕集能耗,节约捕集成本是实现“碳中和”的不变追求。本文基于溶剂化学吸收CO₂研究,提出以下化学吸收法的研究方向：开发广泛的相变吸收理论,构建吸收体系数据库,建立定量预测模型,以实现吸收体系的分子设计;强化气液传质,设计液相传热部件和气液分离空间,研发高效吸收解吸设备,以提升碳捕集效率;耦合化学吸收和矿化,实现原位CO₂吸收固定,提升过程经济性。通过化学吸收技术的系统研发,以期促进低能耗的碳捕集,助力祖国实现“碳中和”。     

盐水体系的二氧化碳-氢水合物结构和组分研究

水合物法二氧化碳(CO₂)捕集是实现“双碳”目标的高效技术之一。利用激光拉曼测量气体水合物结构和组成可以作为定性/定量分析水合物法CO₂分离捕集效率的基础。本研究利用激光拉曼测量了不同体系利用水合物法从CO₂/H₂混合气中分离捕集CO₂过程中水合物的微观结构和组成。研究结果表明，利用泡沫镍代替机械搅拌，促使H₂进入了水合物笼，从而降低了CO₂的分离效率。研究结果为进一步优化水合物法CO₂分离捕集工艺提供了科学依据。     

代谢工程改造微生物固定二氧化碳研究进展

微生物固定CO₂是实现CO₂资源化利用的有效策略之一,为固碳减排、节能生产与绿色合成提供了借鉴。然而,微生物在固定CO₂过程中存在底物利用效率低、能量需求量大、路径难优化等问题。为了解决这些问题,本文总结了6种天然CO₂固定途径与5种人工CO₂固定途径,并从自养微生物、异养微生物和人工微生物三个方面系统分析了代谢工程改造微生物固定CO₂合成化学品的最新进展。在自养微生物固定CO₂方面,采用的策略主要包括提高CO₂固定途径效率、开发能量捕集系统与调节碳代谢流分布;在异养微生物固定CO₂方面,常用的方法主要有强化羧化途径、重构CO₂固定途径与优化能量供给;在人工微生物固定CO₂方面,主要的研究思路是设计人工CO₂固定途径与构建人工CO₂固定微生物。最后,从CO₂固定的关键酶、途径和微生物...     

烟气胺法CO2捕集技术进展与未来发展趋势

全球气候变化是目前世界面临的严峻问题之一,CO₂等温室气体的过量排放是导致全球气候变暖的主要原因。碳捕集、利用和封存(CCUS)是现阶段解决全球气候变暖的必要手段,基于有机胺的化学吸收法因捕集效率高、烟气适应性好,成为目前燃煤燃气电厂捕集CO₂的关键技术路径。本文详细介绍了胺法CO₂捕集技术的基本原理及胺法CO₂捕集技术工艺流程,分析了新型吸收剂的开发、节能技术的优化等降低胺法CO₂捕集技术再生能耗和成本的关键手段。结合研究现状以及烟气胺法CO₂捕集需求,对其未来的发展趋势进行展望。     

化学吸收剂强化微藻固碳研究进展

微藻固碳可缓解因化石燃料燃烧所造成的全球性气候变化和能源危机而受到广泛关注,但固碳效率低是限制其广泛应用的主要障碍,目前,化学吸收剂强化微藻固碳技术逐渐兴起。本文从培养液环境特征和微藻固碳生理生化表型特征两方面对化学吸收剂强化微藻固碳研究进行梳理和总结,其中所涉及的调变参数包括：化学 吸收剂种类、添加量、添加方式、添加时期等。最后,评述了现有化学吸收剂强化微藻固碳技术存在的共性问 题——作用机制和设计原则不清,并就该问题从微观-介观-宏观3个层面提出解决路径。运用组学分析技术,探究化学吸收剂强化微藻固碳的调控机制和本质原因;结合“光化学-原位微量热”测试技术掌握化学吸收剂强化微藻固碳的共性途径及其变化规律;通过可视化实验方法阐明CO₂供应、溶解、传递和固定之间的平衡关系。实现化学吸收剂的精准调控,提高微藻固碳效率。     

普通小球藻固定模拟烟气中CO2的实验研究

大气中CO₂浓度增加造成的全球变暖已成为一个严峻的环境问题,利用微藻生物固碳法减排CO₂正成为研究热点.本文以普通小球藻(Chlorella vulgaris,FACHB-1227)为研究对象,采用SE无碳培养基,在沿程曝气型套管式光生物反应器中通入含不同体积分数CO₂(5%、10%、15%和20%)的模拟烟气培养小球藻,培养周期为17天,以细胞密度和平均固碳速率为检测指标,研究模拟烟气下普通小球藻生长情况及固碳能力.实验结果表明:当模拟烟气中CO₂体积分数为10%时,普通小球藻的细胞密度达到最大值8.76×10⁶cells/mL,相比于5%组、15%组和20%组分别提高了54.23%、66.86%和76.97%;其平均固碳速率达最大值30.18mg/(L·d),较5%组、15%组和20%组分别提高了57.27%、70.89%和81.91%.可见,在模拟烟气中CO₂体积分数为10%时,普通小球藻的生长情况和固碳性能最好.     

Cyanobacterial photo-driven mixotrophic metabolism and its advantages for biosynthesis

Cyanobacterium offers a promising chassis for phototrophic production of renewable chemicals. Although engineered cyanobacteria can achieve similar product carbon yields as heterotrophic microbial hosts, their production rate and titer under photoautotrophic conditions are 10 to 100 folds lower than those in fast growing E. coli. Cyanobacterial factories face three indomitable bottlenecks. First, photosynthesis has limited ATP and NADPH generation rates. Second, CO₂ fixation by ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO) has poor efficiency. Third, CO₂ mass transfer and light supply are deficient within large photobioreactors. On the other hand, cyanobacteria may employ organic substrates to promote phototrophic cell growth, N₂ fixation, and metabolite synthesis. The photo-fermentations show enhanced photosynthesis, while CO₂ loss from organic substrate degradation can be reused by the Calvin cycle. In addition, the plasticity of cyanobacterial pathways (e.g., oxidative pentose phosphate pathway and the TCA cycle) has been recently revealed to facilitate the catabolism. The use of cyanobacteria as “green E. coli” could be a promising route to develop robust photo-biorefineries.     

Electrochemical CO2 mineralization for red mud treatment driven by hydrogen-cycled membrane electrolysis

CO₂ mineralization as a promising CO₂ mitigation strategy can employ industrial alkaline solid wastes to achieve net emission reduction of atmospheric CO₂. The red mud is a strong alkalinity waste residue produced from the aluminum industry by the Bayer process which has the potential for the industrial CO₂ large scale treatment. However, limited by complex components of red mud and harsh operating conditions, it is challenging to directly mineralize CO₂ using red mud to recover carbon and sodium resources and to produce mineralized products simultaneously with high economic value efficiently. Herein, we propose a novel electrochemical CO₂ mineralization strategy for red mud treatment driven by hydrogen-cycled membrane electrolysis, realizing mineralization of CO₂ efficiently and recovery of carbon and sodium resources with economic value. The system utilizes H₂ as the redox-active proton carrier to drive the cathode and anode to generate OH^- and H⁺ at low voltage, respectively. The H⁺ plays as a neutralizer for the alkalinity of red mud and the OH^- is used to mineralize CO₂ into generate high-purity NaHCO₃ product. We verify that the system can effectively recover carbon and sodium resources in red mud treatment process, which shows that the average electrolysis efficiency is 95.3% with high-purity (99.4%) NaHCO₃ product obtained. The low electrolysis voltage of 0.453 V is achieved at 10 mA·cm^-2 in this system indicates a potential low energy consumption industrial process. Further, we successfully demonstrate that this process has the ability of direct efficient mineralization of flue gas CO₂ (15% volume) without extra capturing, being a novel potential strategy for carbon neutralization.     

Methanation of carbon dioxide: an overview

Although being very challenging, utilization of carbon dioxide (CO₂) originating from production processes and flue gases of CO₂-intensive sectors has a great environmental and industrial potential due to improving the resource efficiency of industry as well as by contributing to the reduction of CO₂ emissions. As a renewable and environmentally friendly source of carbon, catalytic approaches for CO₂ fixation in the synthesis of chemicals offer the way to mitigate the increasing CO₂ buildup. Among the catalytic reactions, methanation of CO₂ is a particularly promising technique for producing energy carrier or chemical. This article focuses on recent developments in catalytic materials, novel reactors, and reaction mechanism for methanation of CO₂.     

基于微藻培养的沼液处理相关耦合技术进展

基于微藻培养的沼液处理相关耦合技术是近些年沼液资源化处理利用领域的研究热点。本文综述了沼液处理与CO₂固定耦合技术、沼液处理与高值生物质生产耦合技术、沼液处理与生态农业耦合技术等耦合技术的研究发展现状与优缺点，并指出了各耦合技术发展的关键问题，如沼液处理与CO₂固定耦合技术中高CO₂耐受性藻株选育与固碳影响机理研究问题、沼液处理与高值生物质生产耦合技术中低成本、低能耗高值生物质生产技术开发问题、沼液处理与生态农业耦合技术系统性评价体系缺乏问题等。最后，为促进耦合技术突破现有瓶颈，从微藻选育、微藻培养、沼液处理与沼气工程综合经济性4个角度提出相关的建议。     

高效可见光响应微生物/光电化学耦合人工光合作用系统

人工光合作用系统可以利用太阳能将二氧化碳转化为高附加值的化学产品,能够有效地解决人类面临的能源与环境问题,极具发展前景。然而,人工光合作用系统面临产物选择性差、过电位高、太阳能利用率低等重大挑战。本文提出了一种新型微生物/光电化学耦合人工光合作用系统,该系统由固碳产甲烷微生物阴极和复合光阳极组成,其中复合光阳极由TiO₂电极与硅太阳能电池串联组成。该耦合系统在仅输入太阳能且不施加外部偏压的条件下,可实现化学燃料甲烷的产生。甲烷产量高达（10.7±0.2） L·d^-1·m^-2,相比已有研究高出13倍,同时该耦合系统固碳产甲烷的法拉第效率高达98.5%±2.1%,远高于传统的人工光合作用系统。该新型人工光合作用系统的提出,为制取具有高附加值的化学产品和发展可再生能源提供了新的思路。