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...     

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.     

高碳与光调控对微藻捕集CO2的影响机制

微藻捕集烟气CO₂是一种环境友好的、可持续发展的碳减排技术。微藻通过光合作用固定CO₂,光是驱动光合作用的原初能量,CO₂是支撑光合作用的物质基础,通过调控光源和碳源可以最直接有效地促进CO₂的捕集。然而,由于微藻对光谱吸收具有选择性、不同生命阶段对光谱吸收具有差异性,盲目的归一化调控策略将收效甚微。本文简述了几种可以提高微藻固碳效率的光调控策略,从宏观上分析了光质对微藻捕集CO₂效率的影响,从微观上分析了碳代谢途径对光质调控的响应机制,并提出在深入剖析微藻生命周期光需求的条件下,结合实际情况和目标产物实施个性化、定制化的光调控策略。提高微藻在高碳环境下的固碳效率是微藻捕集CO₂技术的首要问题,本文分析了高浓度CO₂诱导下细胞内环境的维稳机制,从CO₂传输过程和光合作用质能转化途径上深入探讨了高浓度CO₂对微藻固碳的影响机制,为从代谢和分子水平刺激碳捕集过程,提高固碳效率提供了理论依据和重要参考。     

富氧燃烧烟气压缩净化及高浓度CO2制备工艺研究

富氧燃烧技术是目前最有可能大规模推广和商业应用的碳捕集与封存技术之一,其中,烟气压缩净化及CO₂提纯对于整个富氧燃烧系统至关重要。然而,目前研究多聚焦于富氧燃烧后烟气压缩净化的工艺验证,而对烟气压缩纯化各单元运行特性的研究仍不深入,特别是烟气压缩净化过程杂质污染组分的迁移转化、系统运行参数与污染物脱除效率的关联仍不明确。且现有研究对净化后烟气的深度提纯及高浓度CO₂制备的关注也相对较少,直接关系到富氧燃烧系统运行经济性。因此,针对富氧燃烧烟气净化及CO₂提纯需求,系统探究了富氧燃烧烟气压缩纯化过程SO₂、NO_x吸收脱除以及CO₂深度提纯等各子系统的运行特性,其中SO₂与NO_x脱除采用压缩-酸液吸收,CO₂深度提纯采用低温精馏。结果表明:通过烟气净化可实现SO₂脱除效率达100%,NO脱除效率达99%,同时实现纯度为99.99%的食品级液态CO₂制备。烟气净化过程中,气相反应占据主导,提高压力可缩短反应时间;当SO₂吸收塔运行压力超过0.8 MPa时,SO₂脱除效率可达100%;当NO吸收塔运行压力超过3.0 MPa时,NO排放浓度可达超低排放标准。CO₂提纯过程中,提高压力会降低液体CO₂纯度。SO₂吸收塔运行压力为1.6 MPa、NO吸收塔运行压力为3.0 MPa、CO₂提纯塔运行压力为3.8 MPa时,系统整体功耗最低,为0.37 MJ/kg。     

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...     

燃煤烟气中SO2对氨法脱碳的影响

利用湿壁塔实验台对燃煤烟气中SO₂对氨水溶液［1%～7%(质量）］吸收CO₂的影响进行了实验研究,具体分析了不同反应温度（20～80℃）和CO₂体积分数（5%～20%）条件下,CO₂传质通量及传质系数随SO₂浓度和SO₂负载量的变化规律。结果表明, SO₂浓度由0增至11428 mg·m^-3,CO₂传质通量及传质系数均有一半左右降幅,而SO₂负载量［0.1～0.4 mol SO₂·（mol NH₃）^-1］的增加,同样导致CO₂传质通量及传质系数明显减小。氨水浓度及反应温度增加可有效提高CO₂传质通量和传质系数,相对降低SO₂对CO₂传质的影响。CO₂浓度的增加可明显提高其传质通量,但是CO₂的传质系数有所降低。     

胺基CO2固体吸附剂脱碳特性及SO2的影响

燃煤电厂烟气中存在的微量SO₂对胺基CO₂固体吸附剂的碳酸化反应及循环特性有不利影响。利用固定床反应器,针对采用溶胶凝胶法制备的胺基CO₂固体吸附剂的碳酸化特性及其在含SO₂气氛下的失效规律进行了实验研究,并结合红外光谱、有机元素分析、BET等测试手段,研究其失效机理。结果表明,所制备的胺基CO₂固体吸附剂在反应温度50℃时具有较好的碳酸化反应特性和循环特性。当反应气氛中存在SO₂时,由于生成了不可再生的亚硫酸/硫酸盐类物质而导致胺基活性位损失,孔隙结构发生变化,影响了吸附剂的脱碳性能,但适当提高反应温度可提高吸附剂的碳酸化反应竞争性。     

微藻固定转化烟气CO2强化技术

全球气候变暖和能源危机是21世纪影响人类生存发展的重要问题。微藻由于具有利用太阳能、固定CO2并转化为油脂等产物的能力以及环境适应性强、光合效率高、繁殖快等优势,微藻固碳技术有望成为缓解温室效应和能源危机的有效方法之一,但是该技术目前仍存在去除烟气CO2转化油脂效率低的问题。本文分析了微藻固碳过程中碳传递转化途径,介绍了强化微藻固定与转化烟气CO2的技术研究,包括微藻固碳与转化油脂的生物强化、微藻固定CO2的反应器强化、微藻固定与转化CO2技术的耦合,重点讨论了强化微藻固碳与转化的生物技术和膜技术研究现状及存在问题。最后指出微藻固碳的生物技术、膜技术及其他多技术的耦合有望进一步提升烟气CO2的高效固定与转化,是强化微藻固定转化烟气CO2的重要研究方向。     

燃煤烟气中细颗粒物与共存气态组分对膜吸收CO2的影响

由于燃煤烟气中细颗粒物和气态污染物难以完全脱除,同时经湿法脱硫后烟气中水汽接近饱和状态,因此,有必要揭示细颗粒物及共存气态组分对膜吸收CO₂的影响。采用燃煤热态试验装置,考察了燃煤烟气中细颗粒物、SO₂、水汽对膜吸收CO₂性能的影响,并进行了实际燃煤湿法脱硫净烟气环境下的膜吸收CO₂试验。结果表明:细颗粒物随烟气通过膜组件后,部分细颗粒物可被膜截留,沉积于膜表面,导致膜吸收CO₂效率下降,其影响程度随细颗粒物浓度的降低而减弱,与细颗粒物物性有一定关系,通过有效降低烟气中细颗粒物浓度,可显著延长膜的稳定运行时间;SO₂的存在会与CO₂产生竞争吸收现象,但因烟气中SO₂含量远低于CO₂,对CO₂吸收效率影响不明显;对于水汽,只需在运行一段时间后对膜组件作气体干燥反吹,可基本维持膜组件的稳定运行。     

微藻生物固碳法在煤电碳减排应用的研究进展

概述了煤电碳排放及烟气碳减排技术发展现状,从藻种选育、光反应器开发、产业化模式探索三方面阐述了微藻固碳技术的研究进展,分析对比了平板式、管式、垂直柱式光生物反应器的工程化应用的适用性,进一步探讨了耦合烟气减排、污水处理、微藻能源和藻体大宗产品的微藻商业化减排模式,展望微藻固碳在煤电减排工程化应用中广阔的前景。     

小球藻吸收固定CO_2的研究

为研究小球藻吸收转化CO2的适宜条件,提高小球藻对CO2的利用率及生物转化量,在同一光照条件下,建立了光生物反应器培养小球藻的光衰减模型,研究通气速率、入口CO2的体积分数、初始pH、藻液接种质量分数等因素对小球藻固碳效果的影响。结果表明:光衰减系数与藻细胞浓度呈线性关系,小球藻光衰减模型为I=I0exp[-(0.104 9+0.336 5OD685)L],当通气速率为200 mL/min,入口CO2体积分数为10%,初始pH为9.0,初始藻液质量分数为0.1时,小球藻生长速率、生物量产率、固碳率及叶绿素含量均较高。结果对微藻固碳效率及机制研究有重要的参考价值。     

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...     

限碳背景下燃煤电厂对策分析与电化学催化还原技术进展

分析了目前CO₂减排的压力和趋势,以电化学催化还原为技术核心,结合燃煤排放特点,对电化学体系进行了优选,提出限碳背景下燃煤电厂的减排策略。在缓解日益严峻的CO₂减排和温室效应问题的同时,将大体量废弃的CO₂转化为具有利用价值的产品是碳捕集与利用的必由之路。对CO₂电化学催化还原技术的过程原理进行简要阐述,围绕电极、电解质、CO₂溶解性、反应器形式进行讨论,结合电化学催化还原技术特点和燃煤电厂结构特征,对大体量、低浓度CO₂电化学催化还原条件进行筛选,确定了以Cu基气体扩散电极-离子液体-连续式反应器为核心的基本电化学体系,进而提出燃煤电厂烟气中CO₂电化学催化还原对策,但在向实际应用转化过程中该技术仍面临非理想气源中杂质的影响、还原电流密度低引发的产物生成速率慢、电极寿命短、产物多样性伴随的分离及提纯难度大等障碍,为面向应用的技术发展指明了研究方向。     

原卟啉碳点的合成及其在光催化还原CO2/H2O制甲醇中的应用

CO₂资源化利用是当前能源与环境领域的研究热点,光催化还原CO₂作为一种绿色、温和的转化技术备受关注,其中提高光催化转化过程中光利用效率和降低载流子复合速率是促进CO₂光催化还原过程的关键。利用柠檬酸、乙二胺和原卟啉为原料,通过一步水热法制备原卟啉碳点,并考察了其光催化还原CO₂性能。研究表明,碳点为3.3 nm左右的球形颗粒,原卟啉以共价键的形式成功引入碳点中,并且碳点中保留了原卟啉结构中的共轭大π键的骨架,增强了碳点催化剂对400～500 nm的光的吸收,降低了光催化还原CO₂过程中的载流子复合速率。光催化还原CO₂性能测试表明,以含有质量分数为1%原卟啉的碳点作为光催化剂转化CO₂为CH₃OH的产率达到285.5μmol·g^-1·h^-1,是未添加原卟啉催化剂产率的2.16倍。     

富钙溶液中萃取与反应耦合强化CO2矿化过程

提出一种溶剂萃取与Ca²⁺碳酸化的耦合反应过程,以三丁胺为萃取剂将HCl从水相萃取到有机相,在固定CO₂的同时实现CaCl₂的碳酸化,副产碳酸钙与氯化铵。实验结果显示,超过98%的Ca²⁺在1400s内沉淀为碳酸钙,反应后有机相迅速与水相实现分层,并通过与氨水反应再生,三丁胺回收率约为98%。采用粒径分布与显微镜观察证明了Ca²⁺沉淀过程发生在油包水结构中。以15%浓度的CO₂作为碳源,反应时间为2700 s时,Ca²⁺沉淀率达到98.31%,显示该工艺将高成本的CO₂捕集过程和封存过程集成,可处理低浓度烟气中的CO₂。过程无须CO₂捕集费用以及热量输入,同时副产碳酸钙和氯化铵产品,有望缓解常规CO₂捕集封存技术高成本的难题。     

富氧燃烧烟气净化工艺研究进展

随着工业的快速发展,化石燃料消耗与日俱增,造成了大量温室气体CO₂的排放,全球气候变化形势不容乐观。为了减少CO₂排放,需要对高浓度CO₂进行捕获、利用与封存,而富氧燃烧技术能有效实现碳捕集,是目前最具潜力的碳减排技术之一。富氧燃烧过程中,SO_x、NO_x、Hg等污染物以及惰性气体的存在不利于碳的捕集与封存。烟气中各成分浓度会对管道运输、地质储存和提高采收率(EOR)产生影响,介绍了烟气中CO₂及各种杂质浓度的不同标准,系统综述了国内外脱硫、脱硝、脱汞和惰性气体脱除以及联合脱除技术的研究进展。脱硫部分除介绍传统脱硫技术外,重点描述了富氧燃烧烟气中CO₂气氛对SO_x脱除的影响以及加压条件下SO₂的转化与去除。发现CO₂气氛下SO₂的吸收速率相比N2气氛有所降低,且SO₂吸收过程中临界pH发生变化。脱硝部分重点描述了氧化吸收法脱硝技术以及加压条件下NO的氧化机理,并对高压下NO的氧化动力学进行阐述。随着压力的增加,NO氧化速率常数呈先下降后上升的趋势,且证明了反应器压力对液体夹带率的影响比较显著。总结了Hg脱除技术中不同烟气成分对Hg氧化的影响,HCl与Cl2起到了明显的促进作用。对活性炭进行改性,增加孔结构比表面积以及吸附剂表面的活性位点,提高Hg的脱除效率。介绍了惰性气体的净化技术,主要采用变压吸附方法来吸附和解吸附,降低了CO₂气流中惰性气体去除的成本,实现一部分惰性气体再次循环回到锅炉中,提高CO₂的捕获。重点讨论了在烟气压缩液化系统中的联合脱除技术,有效利用压缩过程条件将SO_x、NO_x、Hg分别以硫酸、硝酸、Hg(NO₃)₂形式协同去除,随着压力的增加,SO_x与NO_x去除效率提高,有利于SO₄^-2、NO₃^-、HADS和HAMS(N-S化合物)的生成,同时也导致了N2O生成量增多。证明了Hg与NO₂是气相反应,提出了高压下NO₂与Hg反应产物的不确定性。简单介绍了低温碳捕集技术,有潜力取代洗涤器和其他烟气处理方法,但目前还缺乏可行性的研究。未来需对不同压力下NO氧化速率常数的变化趋势进行解释,高压下NO_x与SO_x联合脱除的产物以及NO₂与Hg的反应产物进行分析。     

光、电催化CO2耦合有机化合物催化转化研究进展

CO₂资源化利用是降低CO₂排放,实现碳中和的重要方式。其中,CO₂与有机化合物耦合催化转化被认为是最有效的CO₂资源化路径之一。经典的热催化耦合反应由于反应条件较为剧烈,导致能耗较高且增加了碳排放,使其应用受到限制。研究表明,使用光、电催化CO₂与有机化合物耦合制备高附加值产品可直接利用清洁能源,不仅实现CO₂减排,促进可持续发展,还可获得碳酸酯及羧酸等高附加值化学品,创造更多经济价值。该类催化反应通常以有机分子活化为主,CO₂分子活化为辅,通过光或电活化底物分子,生成高能量的活性中间体,进而克服热力学障碍。从光、电催化的优势、反应效率和反应条件等方面综述近年来光、电催化CO₂与有机化合物耦合制备碳酸酯、羧酸等研究进展,详细讨论了针对不同类型有机化合物的活化策略以及各类反应的反应机理,最后提出了该领域当前仍面临的挑战并对未来进行展望。光催化多用于CO₂对C—O键、C—H键的插入,主要产物分...     

燃煤锅炉烟气中SO3生成的化学动力学模型和实验研究

燃煤锅炉烟气中SO₃能对锅炉设备、大气环境造成包括低温腐蚀、粘污和蓝烟等一系列的危害。因而,对烟气中SO₃主要影响因素及其影响规律的研究对于预测和控制烟气中SO₃浓度以满足不断增长的节能减排标准有重要意义。基于文献中的C/H/O/N/S化学动力学模型的优化、整合建立了化学动力学模型,对烟气中SO₃主要影响因素及其影响规律进行计算研究。还基于自主设计搭建了全混流反应器测量装置,对上述计算工况中的SO₃浓度进行测量。研究发现,烟气中SO₃浓度主要受SO₂、O₂和H₂O的浓度,以及温度和反应停留时间等影响。SO₃浓度受烟气中CO、NO的影响也较为显著,但是受CO₂的影响不大。另外,随着反应停留时间的增加,烟气中SO₃浓度先后经历了3个不同阶段：急剧增加,增长趋势逐渐减缓和逐渐减少。     

一种低能耗捕集CO2煤基甲醇和电力联产过程设计

传统的煤制甲醇过程所需合成气的氢碳比为2.1左右,而煤气化粗合成气氢碳比仅为0.7左右,因此需要将部分合成气进行变换来调节氢碳比。然而,变换气与未变换气混合后使得CO₂浓度降低,从而导致CO₂捕集能耗增加。提出了一种低能耗捕集CO₂煤基甲醇和电力联产过程。新联产过程中部分粗合成气首先经过变换,将CO转变为H₂和CO₂,CO₂浓度提高,在此时进行CO₂捕集可实现捕集能耗的降低。经CO₂捕集后,得到富H₂气体,富H₂气体分流后与另一部分煤气化粗合成气混合调节甲醇合成的氢碳比。对新的过程进行了建模、模拟与分析。结果表明相比传统的带CO₂捕集的煤制甲醇和IGCC发电过程,新的联产过程的能量节约率可达到16.5%,CO₂捕集能耗下降30.3%。     

高浓度SO2预转化工艺在1600 kt/a硫酸系统中的应用

介绍了预转化技术、SO₃循环工艺、等温转化工艺等高浓度SO₂转化技术特点。金川公司1 600 kt/a铜冶炼烟气制酸装置采用预转化+二转二吸制酸技术,干吸工序采用低温热回收技术,设计进转化器烟气φ（SO₂）为18%,总转化率为99.94%,蒸汽产量1.0t/t。