微藻空氣凈化系統(tǒng)

李靜　盧彥興　王琳　劉敏勝

摘要：該技術(shù)是利用微藻光合作用，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣對(duì)空氣進(jìn)行凈化。本文介紹的是以板式光生物反應(yīng)器為依托的微藻光合作用系統(tǒng)，該系統(tǒng)制成隔斷水晶墻適合室內(nèi)應(yīng)用，水晶墻式光生物反應(yīng)器相當(dāng)于一面“會(huì)呼吸的墻”，起到了室內(nèi)空氣凈化的效果。

關(guān)鍵詞：空氣凈化；微藻；光合作用

近些年，隨著污染物排放的增多，我國(guó)許多城市的空氣質(zhì)量狀況普遍不佳，霧霾天氣的增多、PM2.5和PMIO的頻繁爆表使得霧霾已經(jīng)被國(guó)家減災(zāi)辦、民政部納入自然災(zāi)害范圍之中。面對(duì)霧霾天氣人們只能在戶(hù)內(nèi)活動(dòng)，為了保證室內(nèi)的空氣質(zhì)量，空氣凈化器成為都市人的新寵，目前市面上大多數(shù)空氣凈化器都采用過(guò)濾的方式減少空氣中的顆粒狀污染物，沒(méi)有真正改變室內(nèi)的含氧量。本文介紹的微藻空氣凈化系統(tǒng)，既可以降低空氣中的污染物又可以降低二氧化碳提高氧氣濃度，同時(shí)還有加濕的作用。

1基本原理

1.1微藻生物吸碳技術(shù)

利用微藻通過(guò)光合作用快速吸收二氧化碳釋放氧氣，富氧空氣攜帶水蒸汽擴(kuò)散到空氣中，增加濕度，改善空氣質(zhì)量的技術(shù)。

1.2光合作用（Photosynthesis）

藻類(lèi)利用葉綠素在可見(jiàn)光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣的生化過(guò)程。

光合作用的實(shí)質(zhì)是把CO₂和H₂O轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物和把光能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學(xué)能再轉(zhuǎn)變成有機(jī)物中的穩(wěn)定的化學(xué)能。

CO₂+H₂O（光照、酶、葉綠體）==（CH₂O）+O₂

2技術(shù)路線(xiàn)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1技術(shù)路線(xiàn)

微藻在光生物反應(yīng)器中利用光合作用吸收二氧化碳和反應(yīng)器中培養(yǎng)液內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，把二氧化碳中的碳轉(zhuǎn)化成自身生物質(zhì)，釋放出氧氣，改善環(huán)境質(zhì)量，經(jīng)過(guò)微藻轉(zhuǎn)化后的氣體中的二氧化碳基本上被固定在微藻體內(nèi)，可以大量積累生物質(zhì)，并且這些生物質(zhì)中含有大量的油脂、淀粉、多糖等有用的物質(zhì)，微藻吸收二氧化碳生長(zhǎng)到一定階段后，可以進(jìn)行收集，完成整個(gè)過(guò)程的空氣凈化和二氧化碳吸收，以及碳固定的環(huán)保過(guò)程。產(chǎn)生的藻體可用于室內(nèi)花草的培養(yǎng)，觀賞魚(yú)的餌料等，如果應(yīng)用螺旋藻還可作為保健品直接食用。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微藻空氣凈化系統(tǒng)采用屏風(fēng)式的微藻光合作用裝置。裝置包含微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)、布?xì)庀到y(tǒng)和底部進(jìn)氣系統(tǒng)三部分。微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)是一個(gè)平板式光生物反應(yīng)器，反應(yīng)器被分隔成若干隔間，每個(gè)隔間的頂部和底部相連通，增加隔間更有利于氣體傳輸，增加氣體轉(zhuǎn)化時(shí)間，隔間的頂部留有空氣排出的出口；布?xì)庀到y(tǒng)由布?xì)夤芙M成，連接進(jìn)氣系統(tǒng)與養(yǎng)殖系統(tǒng)，布?xì)夤軓倪M(jìn)氣系統(tǒng)把空氣引入，均勻地傳輸?shù)金B(yǎng)殖系統(tǒng)的各個(gè)隔間中；進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣泵及除塵裝置組成。

空氣由泵導(dǎo)人氣體凈化器，通過(guò)除塵裝置后的氣體由布?xì)夤芫鶆虻財(cái)U(kuò)散到微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)的各個(gè)隔間中，微藻按一定比例接人到養(yǎng)殖系統(tǒng)的隔間中，空氣經(jīng)過(guò)微藻吸收利用后，其中的二氧化碳轉(zhuǎn)化成氧氣從微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)頂部的出口釋放出來(lái)。微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)部被分成若干隔間，有利于微藻混合和氣體吸收，每個(gè)隔間的頂部和底部連通有利于藻液的注入和排出。另外空氣凈化裝置還附有空氣質(zhì)量檢測(cè)器，傳感器檢測(cè)空氣質(zhì)量狀況（PM2.5污染物指標(biāo)）和室內(nèi)濕度，并通過(guò)顯示裝置顯示。

2.3系統(tǒng)優(yōu)化

微藻空氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和美觀改良，制成隔斷水晶墻適用于室內(nèi)使用，水晶墻式光生物反應(yīng)器相當(dāng)于一面“會(huì)呼吸的墻”（見(jiàn)圖1），由于它吸收的是二氧化碳，呼出的是氧氣，起到了室內(nèi)空氣凈化的效果，同時(shí)其外形簡(jiǎn)約、美觀、操作方便，又可作為裝飾品進(jìn)行使用。既節(jié)約了空間，同時(shí)又起到了美觀裝飾的效果，符合生態(tài)環(huán)保的健康理念。

3系統(tǒng)驗(yàn)證

通過(guò)水晶墻式微藻空氣凈化系統(tǒng)在室內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證，氣體泵將室內(nèi)空氣由管路輸送到凈化系統(tǒng)，氣體通過(guò)布?xì)夤芫鶆虻財(cái)U(kuò)散到微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)的隔斷中，該驗(yàn)證在40 m²的室內(nèi)進(jìn)行，采用螺旋藻進(jìn)行空氣凈化培養(yǎng)，養(yǎng)殖系統(tǒng)中加入培養(yǎng)基及一定比例的螺旋藻液，對(duì)比24 h室內(nèi)空氣的質(zhì)量變化。

結(jié)果顯示，室內(nèi)空氣得到了有效的凈化，灰塵等顆粒物明顯減少，顯示器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，空氣質(zhì)量由80變?yōu)?5，濕度由30變?yōu)?5，明顯反映出室內(nèi)的空氣質(zhì)量變化，反應(yīng)器也起到了凈化加濕的效果，雖然沒(méi)有顯示含氧量，但理論上氧氣與二氧化碳的比例會(huì)有所提高。同時(shí)經(jīng)過(guò)24 h的培養(yǎng)，藻液的顏色也有明顯加深，說(shuō)明生物質(zhì)含量增多，當(dāng)生物質(zhì)積累到一定量時(shí)進(jìn)行收獲，收獲的螺旋藻有較高的營(yíng)養(yǎng)保健功能，蛋白質(zhì)含量高達(dá)58.5%～71%，含有人體必需的8種氨基酸，礦物質(zhì)和維生素的含量也很豐富，螺旋藻可直接食用，或作為餌料喂魚(yú)、澆花等。

4理論分析

5應(yīng)用情景

室內(nèi)微藻空氣凈化系統(tǒng)可采用屏風(fēng)式、圍欄式等多種外形系統(tǒng)。在“2009中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)”和上海世博會(huì)“滬上生態(tài)家”展館進(jìn)行應(yīng)用展示的為屏風(fēng)式微藻空氣凈化系統(tǒng)，其材質(zhì)為玻璃，厚度5 cm，外部主體框架大小為2.4 m×0.2 m×1 m，占地面積為0.2 m²，垂直空間面積較大，為一面屏風(fēng)，應(yīng)用的微藻為螺旋藻（見(jiàn)圖2）。

6結(jié)論

微藻空氣凈化系統(tǒng)具有以下有益技術(shù)效果：第一，可以有效除去廢氣中的污染物，并且通過(guò)微藻吸收二氧化碳，同時(shí)釋放出氧氣，有利于人體健康，減少了環(huán)境的污染，緩解了二氧化碳產(chǎn)生的溫室效應(yīng)；第二，每天可吸收室內(nèi)原二氧化碳含量的22.85%，產(chǎn)生11.63g/d的氧氣；第三，此種空氣清潔方法不會(huì)給空氣帶來(lái)二次污染。