一种用于直接空气捕集CO2的微藻-碳酸酐酶双面复合膜固碳系统技术方案

一种用于直接空气捕集CO2的微藻

【技术实现步骤摘要】
一种用于直接空气捕集CO2的微藻
‑
碳酸酐酶双面复合膜固碳系统


[0001]本专利技术属于微藻固碳
，涉及膜接触式微藻生物培养反应器，特别涉及一种用于直接空气捕集CO2的微藻
‑
碳酸酐酶双面复合膜固碳系统。

技术介绍

[0002]对空气中CO2进行捕集并大力发展直接空气捕集与封存技术的前景十分可观。在DACCS和BECCS技术中，微藻作为光合作用速率较高的微生物之一，具有固碳速率快、占地面积小、清洁无污染等优势，同时可作为第三代生物能源的生产平台，近年来被认为是具有发展前景的高效固碳途径之一。但微藻用于直接空气CO2捕集时，由于CO2浓度较低(约为0.04％)，而适宜大部分微藻藻种生长的CO2浓度约为5％
‑
20％之间，因此直接空气捕集时微藻光合作用的速率低，CO2在水中的溶解度和转化为碳酸氢根的效率均难以满足高速固碳的需求。因此，要想提升微藻直接空气捕集CO2的效率，对CO2的富集和传质效率的提升是研究的重点。
[0003]现有的技术中，对膜光生物反应器的应用主要将膜用于气体分散器或曝气器，采用中空纤维的膜结构为反应器提供细小的气泡和更高的CO2传质效率，且多用于电厂烟气或污水处理中的固碳和脱氮，其特点在于溶液中的CO2浓度高，更有利于微藻的光合作用。然而，由于空气中CO2浓度低，采用传统中空纤维膜结构的固碳效率低。

技术实现思路

[0004]解决现有技术低浓度下CO2传质系数低、与微藻接触不充分等问题，本专利技术的目的在于提供一种用于直接空气捕集CO2的微藻
‑
碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，具有成本低、微藻收获方便、固碳效率高等特点，可有效捕集并固定空气中低浓度的CO2，提高空气CO2捕集的效率，对实现碳中和目标具有重要意义。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，包括用于装载微藻溶液的反应器，所述反应器的底部的至少一部分为透气的固定装置，所述反应器的顶部或侧壁的至少一部分为透光的壁面；所述固定装置上搭载双面复合膜，所述双面复合膜的上表面即微藻侧用于附着微藻颗粒，所述双面复合膜的下表面即空气侧附着碳酸酐酶。
[0007]在一个实施例中，所述固定装置为金属网，以支撑和固定所述双面复合膜，空气中的CO2气体通过金属网孔隙与双面复合膜接触，提供反应器所需的碳源。
[0008]在一个实施例中，所述双面复合膜为采用静电纺丝方法制成的高分子高孔隙率多孔纤维膜。
[0009]在一个实施例中，所述双面复合膜由PVDF和PVP通过静电纺丝方法制成，优选地，所述PVDF和PVP的质量比为1:2。
[0010]在一个实施例中，所述碳酸酐酶通过化学修饰方式附着在双面复合膜下表面的静
电纺丝纤维束中，改善膜表面的CO2吸附特性并促进CO2转换为HCO3‑
。
[0011]在一个实施例中，所述微藻颗粒基于重力作用均匀附着在双面复合膜的上表面，CO2和HCO3通过膜上的微孔结构与微藻颗粒接触，完成光合作用反应。
[0012]在一个实施例中，所述双面复合膜的上表面进行亲水性改性，在空气侧通过附着碳酸酐酶等催化材料促进CO2的吸收和转化，并通过在制膜液中混入PVP材料改善膜材料的通气率。
[0013]在一个实施例中，通过控制PVDF和PVP含量来改变膜表面亲疏水性，经过试验测试当PVP含量占多数时，材料呈现疏水性，当PVDF含量占多数时，材料呈现亲水性。
[0014]在一个实施例中，所述壁面为透明有机玻璃材料。
[0015]在一个实施例中，所述反应器采用自然对流供气的方式，空气中的CO2通过扩散的方式从固定装置和双面复合膜进入反应器。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0017](1)大幅提高了微藻直接空气捕集CO2的固碳速率。通过采用接触膜式光生物反应器，改善了原有CO2‑
溶液
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微藻细胞的气液固三相传递过程中的碳传输方式，变为了CO2和碳酸氢根离子直接在静电纺丝聚合物纤维膜上和微藻细胞进行接触，大大降低了CO2的传质系数。
[0018](2)优化了膜反应器高分子膜的制备工艺。采用静电纺丝法制备PVDF/PVP混合的静电纺丝复合膜具有透气性高、亲水性好的特点，可有效传输CO2和营养物离子并负载微藻在膜表面，优化碳源和藻种的接触情况。
[0019](3)提升了低浓度空气捕集条件下CO2的溶解度。通过碳酸酐酶辅助的方法，促进CO2催化转化效率，强化溶解和吸收过程；
[0020](4)提高微藻的采收效率。使用接触膜光生物反应器进行微藻固碳和培养，由于膜的附着效果，通过更换膜材料可以方便的实现微藻的收获和扩培，更具有实用价值。
附图说明
[0021]图1为直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统示意图。
[0022]图2为本专利技术中建立的双面复合膜结构附着碳酸酐酶和微藻的示意图。
[0023]图3为本专利技术实施例中建立的膜光生物反应器底面图。
[0024]图4为本专利技术实施例中微藻直接空气捕集CO2的双面复合膜固碳反应装置的运行系统图。
[0025]图5为本专利技术实施例中膜制备及系统性能测试流程图。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。
[0027]如图1所示，本专利技术为一种用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，包括反应器。该反应器用于装载微藻溶液1，为接触式光生物反应器。
[0028]为获取光源，反应器应该具有透光的壁面4，本专利技术中，反应器的顶部或侧壁的至少一部分为透光的壁面4，一般地，显然整个顶部和侧壁均为透光的壁面4更加合理。示例地，壁面4可采用透明有机玻璃材料，保证反应器的良好透光特性。
[0029]本专利技术中，在反应器的底部的全部或者其中一部分，采用了透气的固定装置2，固定装置2的面积可以根据需要设置，一般地，显然整个底部均为固定装置2更加合理。
[0030]本专利技术中，在固定装置2上搭载有双面复合膜3，双面复合膜3的上表面即微藻侧，用于附着微藻颗粒6，双面复合膜3的下表面即空气侧，则附着有碳酸酐酶5。碳酸酐酶5可催化空气中的低浓度CO2转化为HCO3‑
，之后供给至微藻溶液1中。
[0031]固定装置2设置在反应器底部的原因是利用微藻颗粒6的重力使其附着于双面复合膜3的上表面，因此，虽然本专利技术在理论上可以将固定装置2设置在任意一面，但是考虑到微藻溶液1的重力因素，设置在其它面并不特别合适。
[0032]由此，本专利技术实现了一种平板接触式光生物反应器，CO2在双面复合膜3内可以更好地与微藻颗粒6接触，提升传质系数，另一方面，碳酸酐酶5在促进CO2溶解吸收、提升空气中CO2的聚集特本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，其特征在于，包括用于装载微藻溶液(1)的反应器，所述反应器的底部的至少一部分为透气的固定装置(2)，所述反应器的顶部或侧壁的至少一部分为透光的壁面(4)；所述固定装置(2)上搭载双面复合膜(3)，所述双面复合膜(3)的上表面即微藻侧用于附着微藻颗粒(6)，所述双面复合膜(3)的下表面即空气侧附着碳酸酐酶(5)。2.根据权利要求1所述用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，其特征在于，所述固定装置(2)为金属网，以支撑和固定所述双面复合膜(3)，空气中的CO2气体通过金属网孔隙与双面复合膜(3)接触，提供反应器所需的碳源。3.根据权利要求1所述用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，其特征在于，所述双面复合膜(3)为采用静电纺丝方法制成的高分子多孔纤维膜。4.根据权利要求1所述用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，其特征在于，所述双面复合膜(3)由PVDF和PVP通过静电纺丝方法制成。5.根据权利要求4所述用于直接空气捕集CO2的微藻
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碳酸酐酶双面复合膜固碳系统，其特征在于，所述PVDF和PVP的质量比为1:2。6.根据权利要求3或4或5所述用于直接空气捕集...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明佳，李光梅，王睿龙，杨毅文，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：