核誘變改良微藻減排燃煤煙氣中CO2的機理研究結(jié)題摘要

利用微藻生長捕集燃煤煙氣CO2對于我國節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟具有重要意義。野生型微藻難以大規(guī)模高效率地減排煙氣CO2，迫切需要對微藻進行種質(zhì)創(chuàng)新以提高減排煙氣CO2效率。本項目首次采用鈷60-γ射線對野生型小球藻進行核輻射誘變，篩檢選育出高效固碳的小球藻突變體，并利用煙氣高濃度CO2對小球藻進行梯度馴化，通過調(diào)控代謝通路和優(yōu)化生長條件提高了生長固碳速率，使小球藻的生物質(zhì)產(chǎn)量由1.1g/L顯著提高到5.4g/L?；驕y序表明：小球藻在高濃度15%CO2下碳酸酐酶幾乎為零，CO2不再通過傳統(tǒng)輸運形式（CO2→HCO3-→CO2）穿過細胞壁，而是在高濃度滲透壓下直接進入細胞內(nèi)部供給光合作用；同時控速光合作用的Rubisco酶活性顯著提高，催化光合作用有力促進了固定CO2反應(yīng)。本項目采用紫外光輔助雙氧水將煙氣污染物中NO污染物變害為寶，氧化為NO3-為微藻固定CO2補充氮源提高了微藻生長固碳速率。分析了煙氣粉塵及重金屬對微藻生長過程的影響機理，發(fā)現(xiàn)微藻吸附重金屬后導致外表面粗糙度增大，外表面積由0.10增大到0.92-1.98 m2/g，但是內(nèi)孔表面積由0.44減小到0.18m2/g。開發(fā)了閃光式跑道池和平板光合養(yǎng)藻反應(yīng)器，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和藻液流動條件強化了閃光效應(yīng)，增設(shè)擾流件使傳質(zhì)系數(shù)提高4.7%并且混合時間下降30.2%，優(yōu)化曝氣器減少氣泡生成時間使微藻生長固碳速率提高了29%?；谝陨涎芯砍晒卷椖恳寻l(fā)表22篇SCI和EI期刊論文，其中SCI論文21篇、EI論文1篇，申請公開發(fā)明專利4項，培養(yǎng)博士研究生6名(其中3名已畢業(yè))和碩士研究生4名(其中3名已畢業(yè))，參加國際學術(shù)會議5次(其中國外5次)。

通過核輻射誘變篩檢固碳性能優(yōu)異的突變藻種，利用微藻光合生長高效捕集燃煤煙氣中大量CO2，對于我國節(jié)能減排和低碳經(jīng)濟具有重要意義。由于電廠燃煤煙氣流量很大、CO2濃度高達15%、含有SO2/NOX/超細粉塵等污染物，故野生型微藻一般難以實現(xiàn)大規(guī)模高效率地減排如此大量CO2，迫切需要對微藻進行種質(zhì)創(chuàng)新以提高減排煙氣CO2效率。本項目提出采用γ射線對小球藻等典型藻種進行核輻射誘變，篩檢選育出固碳效率高、生長速率快、煙氣耐受性強的藻種突變體，通過基因測序揭示誘變藻種固碳酶基因改良的微觀機理。設(shè)計膜式光合生物反應(yīng)器促進誘變藻種的高密度快速生長，通過優(yōu)化調(diào)控促進誘變藻種固定大流量高濃度CO2的熱動力學反應(yīng)機制，揭示燃煤煙氣中SO2/NOX/超細粉塵等多種污染物對誘變藻種固碳反應(yīng)的影響控制原理。使誘變藻種適宜生長的CO2濃度提高到15%，并且使微藻固定燃煤煙氣中CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的效率提高100%。

開發(fā)經(jīng)濟、高效的燃煤煙氣CO2捕集技術(shù)是實現(xiàn)大規(guī)模減排CO2的根本途徑。功能化離子液體在吸收分離CO2和SO2方面有很多獨特的優(yōu)勢，是一種極具競爭潛力的燃煤煙氣凈化技術(shù)。然而，現(xiàn)有研究多研究常溫下離子液體對單一高濃度CO2或SO2的吸收分離，缺乏針對性的對燃煤煙氣工況下的酸性氣體的協(xié)同分離。同時，對離子液體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系尚不充分和深入，缺乏對這一過程的微觀機理和相互作用機制的深入了解。本申請項目擬針對此開展系統(tǒng)深入的研究，充分利用現(xiàn)代先進的分析手段，結(jié)合多學科交叉的知識理論，從離子的概念和層次出發(fā)，研究離子液體與傳統(tǒng)分子型的CO2和SO2吸收劑在宏觀和微觀特性上的差異及調(diào)控，探索離子液體與CO2和SO2的相互作用的規(guī)律與機理，包括熱力學、界面特性、擴散性能、吸收-解吸機理等，從分子水平揭示離子液體的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系及其定量關(guān)系，為具有高效、經(jīng)濟吸收能力的功能化離子液體的設(shè)計

燃煤汞污染是是威脅我國公眾健康和生態(tài)安全的重要環(huán)境問題。飛灰對燃煤煙氣中汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用，不同形態(tài)的汞物理化學性質(zhì)、環(huán)境影響和控制方法不同，因此闡明燃煤煙氣中汞在飛灰表面的非均相反應(yīng)機制至關(guān)重要。本項目針對我國典型煤種開展燃煤煙氣汞在飛灰表面的微觀非均相反應(yīng)機理及影響因素研究。分析飛灰的物理化學特征，通過量子化學計算和煙氣汞形態(tài)轉(zhuǎn)化機理實驗，確定飛灰中對煙氣汞形態(tài)轉(zhuǎn)化起關(guān)鍵作用的化學成分；開展飛灰吸附和氧化汞的模擬實驗，考察汞在飛灰表面非均相反應(yīng)的活性物種和中間產(chǎn)物，識別汞在飛灰表面上的吸附和化學反應(yīng)路徑，揭示煙氣中汞化學形態(tài)轉(zhuǎn)化的非均相反應(yīng)機制及不同煙氣成分對汞和飛灰非均相反應(yīng)的影響。通過本研究，有望在燃煤煙氣中汞的化學轉(zhuǎn)化機制方面取得新的認識和進展，提高對我國燃煤大氣汞排放和形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律的認識，為準確預測燃煤汞排放、研發(fā)新的燃煤汞污染控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。