胡自明,夏 奡,黃 云,廖 強(qiáng),付 乾,朱 恂

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光生物反應(yīng)器內(nèi)CO2傳輸與微藻固碳性能強(qiáng)化

胡自明1,2,3,夏 奡1,2*,黃 云1,2,廖 強(qiáng)1,2*,付 乾1,2,朱 恂1,2

(1.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400030；2.重慶大學(xué)工程熱物理研究所,能源與動(dòng)力工程學(xué)院,重慶 400030；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610021)

CO2氣體可為微藻光合作用提供必需的碳源,CO2在藻液中的混合、溶解及傳輸特性顯著影響了微藻的生長(zhǎng)固碳.在微藻光生物反應(yīng)器中,氣泡在藻液中的生長(zhǎng)、脫離、聚并、上升等動(dòng)力學(xué)行為主要由氣體分布器決定.本文以氣體分布器為研究對(duì)象,研究在不同孔徑及孔間距下對(duì)15%(/) CO2氣體在懸浮液中的氣泡行為、CO2溶解與混合特性以及對(duì)微藻生長(zhǎng)固碳的影響.結(jié)果表明:氣泡上升速度隨氣體分布器孔徑及孔間距的減小而減小,導(dǎo)致CO2氣泡在藻液中停留時(shí)間增加,強(qiáng)化了CO2溶解傳輸,CO2體積傳質(zhì)系數(shù)提高了143%,混合時(shí)間降低了24%,最終使微藻生物質(zhì)濃度提高18.8%,固碳速率提高23.2%.

氣體分布器；孔尺寸；氣泡；CO2傳遞；微藻

CO2是微藻進(jìn)行光合作用的主要碳源,廢水中含有微藻生長(zhǎng)所需的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素,因而微藻可通過(guò)生物固碳緩解溫室效應(yīng)并凈化污水[1-3].微藻細(xì)胞通過(guò)利用CO2和光能進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物并釋放氧氣實(shí)現(xiàn)光合固碳[4].微藻懸浮式培養(yǎng)常用的反應(yīng)器分為開(kāi)放式反應(yīng)器與封閉式反應(yīng)器,可以通過(guò)對(duì)光、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、供碳方式等各方面進(jìn)行調(diào)控,提高微藻的生長(zhǎng)以及固碳效率[5-6].在光生物反應(yīng)器中,一定濃度的CO2氣體通過(guò)氣體分布器產(chǎn)生氣泡進(jìn)入到微藻懸浮液中,提供微藻生長(zhǎng)所需碳源,靜止的懸浮液由于氣泡的上升運(yùn)動(dòng)而形成剪切力驅(qū)動(dòng)藻液循環(huán)流動(dòng).在氣泡的上升過(guò)程中,CO2分子先后穿過(guò)氣膜和液膜,從氣泡內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入藻液中并溶解, 接著被游離的藻細(xì)胞所捕獲,通過(guò)光合作用產(chǎn)生有機(jī)物實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2的固定[7].由于藻細(xì)胞會(huì)吸附在氣液相界面上,這種氣泡攜帶現(xiàn)象會(huì)影響著微藻在反應(yīng)器內(nèi)的分布,進(jìn)而影響微藻生長(zhǎng)[8].因此,光生物反應(yīng)器內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)特性同時(shí)影響著CO2的傳遞過(guò)程與微藻的分布狀況,進(jìn)而影響微藻的光合固碳.

作為產(chǎn)生氣泡的鼓氣裝置,氣體分布器的結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響氣泡生長(zhǎng)、脫離、聚并、上升等動(dòng)力學(xué)行為,進(jìn)而影響反應(yīng)器內(nèi)的液相的湍流混合與CO2傳遞過(guò)程[9].目前光生物反應(yīng)器中多采用由高溫煅燒而成的氧化鋁氣體分布器和水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用的礦砂氣泡石,但其表面結(jié)構(gòu)粗糙,容易滋生微生物,而且氣孔容易堵塞,加之孔隙度大小不一,出氣不均勻,亟待更高效的氣體分布器用于微藻培養(yǎng)中[10],使氣泡分布盡可能均勻以避免出現(xiàn)死區(qū)導(dǎo)致局部藻液沉降,同時(shí)要求生成氣泡上升過(guò)程剪切力不能過(guò)大而對(duì)藻細(xì)胞造成損傷.通過(guò)對(duì)布置在反應(yīng)器底部的布?xì)饪装宓慕Y(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化可以顯著降低氣泡對(duì)藻細(xì)胞的攜帶作用并提高微藻生物質(zhì)產(chǎn)量[9],但是全局鼓泡受限于特定的反應(yīng)器結(jié)構(gòu),在大尺寸微藻反應(yīng)器中應(yīng)用有局限性.射流震蕩氣泡發(fā)生器等新型氣體分布器可以顯著降低氣泡的直徑,進(jìn)而提高微藻生長(zhǎng)速率[11-13],然而對(duì)懸浮液中的氣泡行為、CO2溶解特性及藻細(xì)胞混合特性仍需要進(jìn)一步深入研究.

由于氣體分布器的結(jié)構(gòu)能顯著影響氣泡的浮升行為與反應(yīng)器的混合特性,進(jìn)而影響氣液傳質(zhì)、藻細(xì)胞分布與藻細(xì)胞對(duì)光能及碳源的利用[14],因此對(duì)光生物反應(yīng)器中氣體分布器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)微藻的生長(zhǎng)及固碳具有重要意義.本文以易于與反應(yīng)器組合的管式氣體分布器為研究對(duì)象,研究不同孔尺寸及間距的氣體分布器對(duì)15%(/)CO2氣體在懸浮液中的氣泡行為、CO2溶解與混合特性以及對(duì)微藻生長(zhǎng)固碳性能的影響,為微藻大規(guī)模培養(yǎng)中的氣體分布器設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo),提高微藻生物固碳和減排CO2效率.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,其主要由平板式光生物反應(yīng)器、氣體供應(yīng)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與測(cè)試系統(tǒng)組成.氣體供應(yīng)系統(tǒng)主要由N2和CO2氣瓶、壓力表、質(zhì)量流量計(jì)等組成.純CO2(99.99%)和N2完全混合得到濃度為15%的CO2氣體,經(jīng)氣體分布器進(jìn)入到裝有微藻懸浮液的平板式光生物反應(yīng)器中,形成氣泡流為微藻生長(zhǎng)提供碳源.微藻懸浮液的濃度由其光學(xué)密度OD680nm進(jìn)行表征,使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(TU1901,680nm波長(zhǎng)段)進(jìn)行測(cè)量.其中,平板式反應(yīng)器由有機(jī)玻璃板加工制作,其內(nèi)部空腔尺寸為160mm×40mm×240mm(長(zhǎng)×寬×高),實(shí)際工作體積為1.2L.管式氣體分布器由橡膠管(管長(zhǎng)160mm,外徑9mm,內(nèi)徑6mm)加工而成,出氣孔口單排等間距均勻分布在管壁上.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意 Fig.1 Schematic of the experimental system

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

1.2.1 氣泡動(dòng)力學(xué)行為 氣泡動(dòng)力學(xué)行為通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)獲得,該實(shí)驗(yàn)部分由冷光源、高速攝像儀以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)等構(gòu)成,高速攝影儀(Phantom V5.1)捕捉記錄氣泡的生長(zhǎng)、脫離及上升過(guò)程,拍攝幀率為1000fps,拍攝分辨率為1024pixels×720pixels,利用 Matlab軟件對(duì)得到的圖像進(jìn)行編程處理,首先將圖形處理為灰度圖,再按照Candy算子提取氣泡邊界從而得到氣泡的脫離直徑與上升速度等特征參數(shù)[15].氣泡的生成時(shí)間從連續(xù)拍攝3s的3000張照片中獲取.氣泡在溶液中的停留時(shí)間根據(jù)上升速度進(jìn)行折算.實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)選擇15個(gè)氣泡進(jìn)行特征參數(shù)的提取,取其算數(shù)平均值.

1.2.2 溶解的CO2濃度 溶解CO2濃度采用溶解CO2傳感器(InPro5000i/120Mettler Toledo)在線測(cè)量.先將99.99%的氮?dú)馔ㄈ爰兯蛞欢舛鹊奈⒃鍛腋∫褐?通氣0.5h以去除溶液中的溶解二氧化碳.再向反應(yīng)器中通入15%CO2的混合氣,維持溶液溫度為25℃,在線測(cè)量60min內(nèi)反應(yīng)器中溶解的CO2濃度的變化,每30s記錄一次數(shù)據(jù).

1.2.3 體積傳質(zhì)系數(shù) CO2氣體的體積傳質(zhì)系數(shù)是表征CO2傳質(zhì)能力的重要參數(shù),其物理意義為氣體通過(guò)氣液相界面進(jìn)入氣相或者液相的擴(kuò)散速率,可根據(jù)文獻(xiàn)中的氣液傳質(zhì)方程計(jì)算得到[16].

1.2.4 混合時(shí)間 混合時(shí)間是表征反應(yīng)器宏觀混合程度的主要參數(shù),混合氣經(jīng)氣體分布器在光生物反應(yīng)器中形成氣泡流,帶動(dòng)溶液循環(huán)流動(dòng),影響著反應(yīng)器內(nèi)的湍流混合狀態(tài).其定義為注入示蹤劑后,溶液濃度達(dá)到最終穩(wěn)定濃度值95%的時(shí)間[17].其測(cè)量方法為在通氣條件下,在反應(yīng)器的一側(cè)加入鹽酸(12%,/)調(diào)節(jié)水溶液的pH值(到3.1±0.1),在另一側(cè)加入堿性示蹤劑(每1L的溶液中加入0.12mL的濃度為4mol/L的氫氧化鈉).加入示蹤劑后開(kāi)始計(jì)時(shí),記錄pH值達(dá)到最終穩(wěn)定值的95%時(shí)所需的時(shí)間,即為溶液的混合時(shí)間.

1.2.5 微藻培養(yǎng) 實(shí)驗(yàn)中使用的藻種為普通小球藻(,FACHB-31),采用改進(jìn)版的BG11(Blue-Green Medium)培養(yǎng)基[18].

使用平行排布的熒光燈作為微藻生長(zhǎng)的光源,并進(jìn)行24h連續(xù)光照,其光照強(qiáng)度采用輻照計(jì)(FZ-A)進(jìn)行測(cè)量,實(shí)驗(yàn)中微藻生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度均為120 μmol/(m2·s),CO2混合氣濃度和通氣流量由氣體質(zhì)量流量計(jì)(FMA-2606A, Omega, Switzerland) 進(jìn)行控制,其CO2濃度為15%,通氣流量為120mL/min,通氣率(air volume/culture volume/min)為0.1vvm,運(yùn)行溫度由人工恒溫室控制在25°C.初始接種時(shí),光生物反應(yīng)器內(nèi)微藻濃度為0.10g/L.

微藻生物質(zhì)濃度測(cè)量時(shí)取10mL藻液,在離心機(jī)(GL-21M)8000r/min的轉(zhuǎn)速下離心10min,去掉上清液,將收獲的藻泥置于真空干燥箱(DZF-602) 105℃下烘干24h至恒重,采用分析天平(BP114,sartorius)測(cè)得生物質(zhì)濃度.

藻細(xì)胞的總有機(jī)碳(TOC)濃度測(cè)量時(shí)取1mL藻液,用去離子水稀釋一定倍率后采用TOC分析儀(Multi N/C 3000analyzer,Analytikjena)進(jìn)行測(cè)量.

微藻懸浮液的溶解CO2濃度、溶解氧濃度(DO)分別由溶解CO2傳感器(InPro5000i/120Mettler Toledo),溶氧儀(Seven2Go pro,Mettler Toledo)直接在藻液中進(jìn)行在線測(cè)量.

1.3 微藻生長(zhǎng)及固碳評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.3.1 生物質(zhì)產(chǎn)率 生物質(zhì)產(chǎn)率[g/(L·d)]定義為微藻平均每天的生物質(zhì)濃度的變化量,反映了微藻的生長(zhǎng)狀況,其計(jì)算公式如下[7]:

式中:D為在第d的微藻生物質(zhì)濃度(g/L),0為初始時(shí)刻微藻生物質(zhì)濃度(g/L).

1.3.2 固碳速率 固碳速率[g/(L·d)]定義為單位時(shí)間內(nèi)單位體積的微藻懸浮液的固定CO2量,其計(jì)算公式為[19]:

式中:C為藻細(xì)胞中的碳含量(%,/),其值一般為0.507;CO2和C分別為CO2和碳的相對(duì)分子質(zhì)量.

2 結(jié)果與討論

2.1 孔徑對(duì)氣泡行為及CO2溶解和混合特性的影響

通過(guò)對(duì)微藻懸浮液中氣泡行為進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn),獲得了氣體分布器的出氣孔徑對(duì)不同濃度微藻懸浮液中氣泡的脫離直徑、生成時(shí)間和上升速度的影響.實(shí)驗(yàn)選用孔間距為10mm的不同孔徑的氣體分布器進(jìn)行比較.由圖2(a),2(b)可知,隨孔徑的增加,氣泡的脫離直徑與生成時(shí)間也隨之增加,這是由于孔徑越大,氣液相接觸線較長(zhǎng),氣泡所受表面張力越大,氣泡脫離所需的浮升力越大,因而氣泡的脫離體積較大[20],生成時(shí)間也越長(zhǎng).由于在微藻懸浮液中氣泡所受表面張力小于純水中,且濃度越高表面張力系數(shù)越低[15],加之氣泡表面富集大量的微藻細(xì)胞對(duì)CO2氣泡的消耗,加速了CO2的跨膜傳遞與氣泡的收縮,因而氣泡脫離直徑隨藻液濃度的增加而降低,氣泡生成時(shí)間也具有類似規(guī)律.

圖2(c),2(d)是孔徑對(duì)氣泡上升速度變化的影響,由于孔徑越大氣泡的脫離直徑越大,氣泡所受的浮升力也越大,因而孔徑越大氣泡的上升速度與加速度越大,氣泡在溶液中的停留時(shí)間則越小.另外在微藻懸浮液中,由于藻細(xì)胞在氣泡表面的吸附增加了氣泡的密度,并且藻液的粘度大于純水中,這使得氣泡的上升所受的相間曳力更大,因而氣泡上升速度隨藻液濃度的增加而降低.

基于上述氣泡行為的研究,對(duì)氣體分布器孔徑對(duì)15%CO2氣體在微藻懸浮液(OD680nm=1)與純水(OD680nm=0)中的溶解特性進(jìn)行了比較.由圖3(a)可知,氣體分布器的孔徑越小,CO2擴(kuò)散速率越快,溶解所需時(shí)間越短,溶解效率也越高.這是由于孔徑越小,氣泡的脫離直徑越小,相同流量下的氣液相界面接觸面積越大,加之氣泡的上升速度越小,相同培養(yǎng)液深度下氣泡在溶液中的停留時(shí)間越長(zhǎng),促進(jìn)了CO2從氣相到液相的傳質(zhì).由于微藻細(xì)胞對(duì)CO2的消耗以及溶液性質(zhì)的不同,這使得相同時(shí)間內(nèi)在微藻懸浮液中的溶解CO2濃度反而要小于在純水中.

圖2 氣體分布器中出氣孔徑對(duì)不同濃度微藻懸浮液中氣泡的(a)脫離直徑, (b)生成時(shí)間, (c,d)上升速度的影響

含CO2氣泡在微藻懸浮液中不僅僅是提供微藻生長(zhǎng)所需碳源,氣液兩相流動(dòng)對(duì)液相的湍流混合會(huì)影響著CO2傳遞特性,進(jìn)而影響著微藻的生長(zhǎng)及固碳特性.因而CO2的溶解以及微藻懸浮液的混合狀況是影響著微藻生長(zhǎng)的兩個(gè)重要因素.圖3(b)為孔徑對(duì)混合時(shí)間及體積傳質(zhì)系數(shù)的影響.由圖可知,在15%CO2的進(jìn)氣濃度和0.1vvm的通氣率下,當(dāng)孔徑從1.0mm減小到0.3mm,體積傳質(zhì)系數(shù)提高了68.8%,從0.0586min-1增加到0.0989min-1,混合時(shí)間降低了11.4%,從35s減小到31s.在鼓泡流中,氣泡與液相存在速度滑移,在剪切應(yīng)力作用下帶來(lái)一定程度的脈動(dòng)耗散,影響反應(yīng)器內(nèi)的湍流混合狀況[21].由此可見(jiàn),相同流量下小孔徑形成的多而小氣泡,不僅促進(jìn)CO2傳質(zhì)與溶解,也促進(jìn)了反應(yīng)器內(nèi)溶液的混合.

圖4 不同孔徑下氣體分布器通氣壓力隨氣體流量變化

由圖4可見(jiàn),隨著孔徑的減小,由于氣體分布器的流通面積減小,單個(gè)出氣孔的局部阻力增加,相同氣體流量下通氣壓力隨之增加.同樣的孔徑下,通氣壓力與氣體流量呈線性關(guān)系,而斜率則是由氣體分布器的結(jié)構(gòu)所決定的.

2.2 孔間距對(duì)氣泡行為及CO2溶解和混合特性的影響

基于上述研究,選取最佳孔徑=0.3mm,對(duì)氣體分布器的孔間距對(duì)不同濃度微藻懸浮液中氣泡的脫離直徑、生成時(shí)間和上升速度的影響進(jìn)行了研究.由圖5(a),5(b)可知,隨孔間距的增加,氣泡的脫離直徑隨之增加,而生成時(shí)間是先增加后減小的趨勢(shì).這是由于孔間距越大,出氣孔口數(shù)量越少,相同通氣量下單個(gè)出氣孔口的氣體流量增加,氣泡所受氣體動(dòng)量力作用增大,使氣泡生長(zhǎng)加快,氣泡體積增加,脫離直徑也隨之增加,同時(shí)由于氣泡生長(zhǎng)時(shí)間較短,隨著主氣泡的脫離,微小孔口出現(xiàn)許多微小的尾氣泡并迅速與主氣泡發(fā)生聚并,這種氣泡涌入現(xiàn)象[22]也造成了氣泡的脫離直徑變大.當(dāng)孔間距過(guò)小時(shí),單個(gè)出氣孔口的氣體流量較小,氣泡脫離直徑也較小,同時(shí)相鄰氣孔生成的氣泡會(huì)發(fā)生聚并,在發(fā)生聚并前兩氣泡各自獨(dú)立生長(zhǎng),一旦表面相互接觸,先是相互擠壓變形至液膜破裂,在2~3ms內(nèi)迅速脫離,因而相較于正常生長(zhǎng)氣泡,聚并氣泡的生長(zhǎng)時(shí)間更短,脫離直徑更小.

圖5(c),5(d)是孔間距對(duì)氣泡上升速度變化的影響,由于孔間距越大氣泡的脫離直徑越大,氣泡所受的浮升力也越大,因而孔間距越大氣泡的上升速度與加速度也越大,氣泡的停留時(shí)間越短.同時(shí)在藻液中氣泡的上升速度要小于在純水中.

圖6 氣體分布器的孔間距對(duì)(a)15%CO2溶解以及(b)混合時(shí)間及體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

基于上述氣泡行為的研究,將氣體分布器孔間距對(duì)15%CO2氣體在微藻懸浮液(OD680nm=1)與純水(OD680nm=0)中的溶解特性進(jìn)行了比較.由圖6(a)可知,當(dāng)孔徑為0.3mm孔間距為1.5mm時(shí),此時(shí)CO2擴(kuò)散速率最快,溶解所需時(shí)間最短,溶解效率也最高.這是由于氣體分布器的相鄰孔口由于孔間距過(guò)小以至于相鄰氣泡發(fā)生聚并,氣泡的脫離直徑最小,相同流量下的氣液相界面接觸面積最大,加之氣泡的上升速度最小,氣泡在溶液中的停留時(shí)間最長(zhǎng),促進(jìn)了CO2從氣相到液相的傳質(zhì).由于微藻細(xì)胞對(duì)CO2的消耗以及溶液性質(zhì)的不同,這使得相同時(shí)間內(nèi)在微藻懸浮液中的溶解CO2濃度反而要小于在純水中.

圖6(b)為孔間距對(duì)混合時(shí)間及體積傳質(zhì)系數(shù)的影響.由圖6(b)可知,在15%CO2的進(jìn)氣濃度和0.1vvm的通氣率下,當(dāng)孔間距從10mm減小到1.5mm,體積傳質(zhì)系數(shù)提高了43.8%,從0.0989min-1增加到0.1422min-1,混合時(shí)間降低了13.9%,從31s減小到26.7s.通過(guò)對(duì)氣體分布器的孔間距進(jìn)行優(yōu)化,讓氣泡在獨(dú)立生長(zhǎng)完全之前發(fā)生聚并現(xiàn)象,較小的脫離直徑、較大的氣液接觸比表面積與較長(zhǎng)的停留時(shí)間促進(jìn)了CO2傳質(zhì)與溶解,且聚并氣泡脫離后的震蕩對(duì)氣液界面的擾動(dòng)增加了反應(yīng)器內(nèi)溶液的混合程度.

由圖7可見(jiàn),隨著孔間距的減小,開(kāi)孔數(shù)目的增多,氣體分布器的流通面積增加,相同通氣流量下通氣壓力隨之減小.同樣的孔間距下,通氣壓力與氣體流量呈線性關(guān)系.

圖7 不同孔間距下氣體分布器通氣壓力隨氣體流量的變化

2.3 氣體分布器結(jié)構(gòu)對(duì)微藻生長(zhǎng)及固碳的影響

由于氣體分布器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣泡的生長(zhǎng)、脫離及上升過(guò)程具有較大影響,進(jìn)而影響光生物反應(yīng)器內(nèi)的CO2傳遞與混合情況,并最終對(duì)微藻的生長(zhǎng)和固碳性能產(chǎn)生影響.因此,基于前述對(duì)氣泡行為以及CO2溶解與混合特性的研究,在入口濃度為15%,通氣率為0.1vvm通氣條件下,對(duì)兩種管式氣體分布器(優(yōu)化前的孔徑=1mm孔間距=10mm與優(yōu)化后的孔徑=0.3mm孔間距=1.5mm)在氣升式光生物反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行微藻的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn).圖8為2種結(jié)構(gòu)參數(shù)下對(duì)微藻生物質(zhì)濃度、藻細(xì)胞總有機(jī)碳濃度和懸浮液溶解CO2濃度、溶解氧濃度的影響.由圖8(a)可知,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)較優(yōu)化前的生物質(zhì)濃度提高了18.8%,從2.205g/L增加到2.619g/L,藻細(xì)胞總有機(jī)碳濃度提高了21.8%,從1120mg/L 增加到1364mg/L.由前述研究可知:氣泡脫離直徑(OD680nm=0)降低了55.6%,從3.11mm減小到1.38mm ;氣泡生成時(shí)間(OD680nm=0)降低了65.4%,從107ms減小到37ms;氣泡上升速度(OD680nm=0)降低了18.4%,從0.38m/s減小到0.31m/s;氣泡停留時(shí)間(OD680nm=0)延長(zhǎng)了22%,從而促進(jìn)CO2的傳遞,使體積傳質(zhì)系數(shù)提高了142.7%,從0.0586min-1增加到0.1422min-1.另外,聚并氣泡脫離后的震蕩對(duì)氣液界面的擾動(dòng)增加了反應(yīng)器內(nèi)溶液的混合程度,其混合時(shí)間降低了23.7%,從35s降低到26.7s,混合程度的增加提高了藻細(xì)胞的分布均勻性和光暗循環(huán)頻率[23],同時(shí)緩解了藻細(xì)胞的沉降,進(jìn)而促進(jìn)微藻生長(zhǎng).因此,使用優(yōu)化后的氣體分布器使微藻具有較高的生物質(zhì)產(chǎn)率0.546g/(L·d)與較高固碳速率1.015g/(L·d),相比于優(yōu)化前,分別提高了21.6%與23.2%,如表1所示.由圖8(b)可知,經(jīng)氣體分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,微藻懸浮液中的溶解CO2濃度較高,而溶解氧濃度大幅下降,即有利于反應(yīng)物CO2的溶解傳遞和生成物O2的析出,促進(jìn)了微藻光合作用正反應(yīng)的進(jìn)行.在培養(yǎng)第7d,溶解CO2濃度分別為163與145mg/L,溶氧濃度分別為5.12與2.87mg/L,這是由于較高的體積傳質(zhì)系數(shù)有利于藻液中的CO2溶解與氧解析[24].氣泡越小,混合越充分,氣液傳質(zhì)效果越好,CO2溶解能力越高,對(duì)溶解氧的去除能力越高,強(qiáng)化了CO2在藻液中的傳遞過(guò)程,并避免了過(guò)多的溶解氧累積對(duì)藻細(xì)胞光合作用及生長(zhǎng)的抑制作用[25].

圖8 氣體分布器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì) (a)微藻生物質(zhì)濃度和有機(jī)碳濃度,(b)懸浮液溶解CO2濃度和溶解氧濃度的影響

表1 氣體分布器結(jié)構(gòu)對(duì)微藻生長(zhǎng)及固碳性能的評(píng)價(jià)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)氣體分布器的孔徑與孔間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,相鄰氣泡在獨(dú)立生長(zhǎng)完全前發(fā)生聚并,使氣泡脫離直徑減小了55.6%,生成時(shí)間降低了65.4%,上升速度下降了18.4%,停留時(shí)間增加了22%,使體積傳質(zhì)系數(shù)提高了142.7%.同時(shí)聚并氣泡脫離后的震蕩對(duì)氣液界面的擾動(dòng)增加了反應(yīng)器內(nèi)溶液的混合程度,混合時(shí)間降低了23.7%.由于較小的氣泡與較高的體積傳質(zhì)系數(shù)有利于CO2傳遞與氧解析,較高的混合程度有利于提高藻細(xì)胞的光暗循環(huán)和藻細(xì)胞分布均勻性,促進(jìn)了光合作用正反應(yīng)的進(jìn)行,因而在最終的微藻培養(yǎng)中使生物質(zhì)濃度提高了18.8%,固碳速率提高23.2%.由此可知,減小氣泡脫離直徑,延長(zhǎng)氣泡停留時(shí)間,提高反應(yīng)器內(nèi)混合程度是促進(jìn)CO2傳遞與微藻固碳的有效途徑.

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Enhancement of CO2transfer and carbon fixation by microalgae in photobioreactor.

HU Zi-Ming1,2,3, XIA Ao1,2*, HUANG Yun1,2, LIAO Qiang1,2*, FU Qian1,2, ZHU Xun1,2

(1.Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400030, China；2.Institute of Engineering Thermophysics, College of Energy and Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China；3.Southwest Electric Power Design Institute Co., Ltd., Chengdu 610021, China)., 2018,38(10)：3967~3974

Gaseous carbon dioxide can provide an essential carbon source during microalgal photosynthesis. Mixing, dissolution and transportation characteristics of carbon dioxide have significant impacts on the growth of microalgae. In a photobioreactor, the behaviors of carbon dioxide bubbles during growth, detachment, coalescence and rising are significantly affected by the gas distributor. In this study, the effects of orifice diameter and spacing of the gas distributor on 15% CO2bubble behaviors, dissolution and mixing characteristics of carbon dioxide as well as performances of microalgal growth and carbon dioxide fixation have been investigated. The rising velocity of bubble was reduced with decreasing orifice diameter and spacing, thereby increasing the retention time of carbon dioxide in microalgal suspension. As the parameters of gas distributor were optimized, the gas-liquid mass transfer coefficient was improved by 143%, the mixing time was reduced by 24%, the concentration of microalgae was increased by 18.8%, and the carbon dioxide fixation rate was enhanced by 23.2%.

gas distributor；orifice size；bubble；CO2transfer；microalgae

X172

A

1000-6923(2018)10-3967-08

胡自明(1994-),男,安徽馬鞍山人,重慶大學(xué)碩士研究生,主要從事微藻光生物反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及傳質(zhì)強(qiáng)化研究.發(fā)表論文1篇.

2018-03-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0601002);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51606020, 51561145013)

* 責(zé)任作者,夏 奡, 研究員, aoxia@cqu.edu.cn; 廖 強(qiáng), 教授, lqzx@cqu.edu.cn