技术领域
[0001] 本
发明属于
环境工程环境保护领域，更具体地说是涉及一种通过微生物诱导水体从空气中直接封存CO2的方法。
背景技术
[0002] 尽管为了应对全球暖化问题，
可再生能源的使用率和能源效率不断提高。全球二
氧化
碳排放量在经历了三年的停滞之后，在过去两年中大幅飙升，增长率分别为2％(2017)和2.7％(2018)。如果我们要在继续使用化石能源的同时，将本世纪末的气温上升控制在1.5℃，那么负排放技术(NETs)将是未来20到30年不可替代的应对措施，且这一观点只会进一步强化。目前估计，本世界末通过NETs技术去除空气中的CO2量约为100-1000Gt。鉴于美国最近颁布的碳税减免政策(地质封存一吨CO2补贴50美元，
回收利用一吨CO2补贴35美元)，这个庞大的数量可能预示着一个净产业的出现。
[0003] 传统的空气直接捕获(DAC)技术使用机械
增压方式鼓动空气穿过
碱性化学
吸附剂以捕获CO2，如中国
专利申请号：201811434214.4等，能耗高、
化学吸附剂用量大。CO2工业化固定过程中存在吸收剂逃逸、含盐
废水排放等问题，增加了工业应用的环保压
力。现有的DAC技术需配备高压或耐
腐蚀反应器，固定资产投资高，设备维护难度大。
[0004] 而传统CO2捕获也有通过加压方式注入地下，如中国专利申请号：201210497862.0等，但该过程中的加压、运输、监测会带来较高的经济成本与安全隐患。
发明内容
[0005] 为了解决上述问题，本发明提出一种通过微生物诱导水体从空气中直接封存CO2的方法，通过微生物诱导空气直接捕获(MI-DAC)概念，利用营光合作用微生物的
硝酸盐同化作用中所产碱(OH-)来捕获CO2，避免了CO2增压能耗以及大量工业碱的消耗；通过生物作用将CO2转变为溶解性无机碳或者碳酸盐矿物，使其以自然界常见的最稳定赋存形态存在，避免了CO2逃逸带来的环境和生产
风险。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 一种通过微生物诱导水体从空气中直接封存CO2的方法，具体包括：
[0008] (1)向水体中加入藻类菌种；
[0009] (2)
泵入氮源，培养藻类待水体pH值上升；
[0010] (3)将水体导出与空气
接触吸收空气中的二氧化碳。
[0013] 优选地，所述藻类菌种分离自海水藻种。
[0014] 优选地，所述海水藻种为常规海洋藻类群落，非单一藻类。
[0016] 优选地，所述海水藻种至少包括蓝藻、绿藻、
硅藻。
[0017] 优选地，所述氮源为硝氮。
[0018] 优选地，步骤(2)中培养藻类过程中提供
光源。
[0019] 本发明产生的有益效果为：
[0020] 本发明通过微生物诱导作用，在水体中加入藻类和氮源，升高水体pH值，高碱性的水体与空气接触，能够吸收空气中的CO2，使其以稳定的溶解态HCO3—和CO32—的形式封存在水体中，达到封存大量CO2的目的。本技术无工业吸附剂使用，无需考虑高盐浓度含盐废
水处理问题，无二次污染；直接将CO2转变为溶解性无机碳离子或者碳酸盐矿物，使其以自然界常见的形式存在，避免了CO2逃逸带来的环境和生产风险。
附图说明
[0021] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022] 图1为以硝氮为氮源的情况下，以海水为水体培养藻类时水体pH变化曲线。
[0023] 图2为以硝氮为氮源的情况下，以淡水为水体培养藻类时水体pH变化曲线。
[0024] 图3为以
氨氮为氮源的情况下，以海水为水体培养藻类时水体pH变化曲线。
[0025] 图4为不加任何氮源的情况下，以海水为水体培养藻类时水体pH变化曲线。
具体实施方式
[0026] 下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 本方案选用的藻类分离自海水藻种，为常规海洋藻类群落，非单一藻类，主要包括蓝藻、绿藻、硅藻等门类藻种。
[0028] 模拟的海水源组成为：NaCl 363mM/L,Na2SO4 25.0mM/L,KCl 8.04mM/L,NaHCO3 2.07mM/L,KBr 725μM/L,H3BO3 372μM/L,NaF 65.7μM/L,MgCl2·6H2O 41.2mM/L,CaCl2·
2H2O 9.14mM/L,SrCl2·6H2O 82μM/L,NaH2PO4·H2O 21μM/L,Na2SiO3·9H2O 105μM/L,FeCl3·6H2O 6.56μM/L,Na2EDTA·2H2O 6.56μM/L,ZnSO4·7H2O 254nM/L,CoSO4·7H2O
5.69nM/L,MnSO4·4H2O 2.42μM/L,Na2MoO4·2H2O 6.1nM/L,Na2SeO3 1nM/L,NiCl2·6H2O
6.3nM/L,Thiamine-HCl 297nM/L,Biotin 4.09nM/L,B121.47 nM/L。
[0029] 淡水源为地表淡水
[0030] 实施例1
[0031] 以海水为水体，加入上述藻类菌种，加入硝氮(本实施例取NaNO3)保持含量在549μM/L，并在提供光源前提下利用水体培养20天藻类。
[0032] 实施例2
[0033] 以淡水为水体，加入上述藻类菌种，加入硝氮(本实施例取NaNO3)保持含量在549μM/L，并在提供光源前提下利用水体培养20天藻类。
[0034] 观察并记录实施例1和实施例2水体的pH值变化，如图1-2所示：在20天的培养周期，以硝氮培养藻类时，pH值逐渐升高，在第10天左右保持稳定。其中，海水(marine)pH值可升高到10.2，淡水(Freshwater)pH值可升高到10.5。
[0035] 实施例3
[0036] 同实施例1的条件，将硝氮替换成等量氨氮(本实施例取NH4Cl)，并在提供光源前提下利用水体培养20天藻类。
[0037] 实施例4
[0038] 同实施例3的条件，取消氨氮(本实施例不加任何氮源)的添加，并在提供光源前提下利用水体培养20天藻类。
[0039] 观察并记录实施例3和实施例4水体的pH值变化，如图3-4所示：在20天的培养周期，以氨氮(Ammonia)为氮源，水体pH值逐渐降低；无氮添加(Nabsence)时，pH值变化不明显。
[0040] 分析上述实施例1，主要原因在于海洋藻类生长过程中，硝酸盐同化作用释放OH—，升高海水pH值；高碱性的海水与空气直接接触，将大气中的CO2转变为溶解态HCO3—和CO32—，从而将大气中的CO2封存在海水中。
[0041] 涉及到的反应方程式如下，包括：
[0042]
[0043]
[0044] OH-+H+→H2O
[0045] 因此，海藻生长释放OH—可以逐渐增加水中的pH值，中和H2CO3
水解产生的H+，进而封存大量的二氧化碳。
[0046] 当然，本方案中虽然可以产生少量的碳酸盐沉淀，将CO2无机矿化为碳酸
钙/镁沉淀封存，但是产量有限；区别于一般利用藻类直接封存CO2的技术，本申请只是间接利用藻类，将其转
化成稳定的碳酸根和碳酸氢根离子的形式存在海水中，吸收封存后的海水可以直接排入大海。
[0047] 再比较实施例2中虽然采用淡水可以实现封存二氧化碳的原理，但是在海水中，碳酸根和碳酸氢根离子更容易稳定的存在，因此，本方案优选海水。
[0048] 根据上述实施例水体为淡水源时，可以实现对CO2的封存；水体为海水源时，也可以实现对CO2的封存。相比较而言，当为海水时，海水中储备有丰富的Ca2+(约500ppm)和Mg2+(1300ppm),对CO2的封存量和封存效果更佳。
[0049] 再分析实施例3在以海水为基质水体的前提下，添加了氨氮，水体的pH值逐渐下降明显，无法产生大量氢氧根离子，无法实现本方法封存CO2的目的。
[0050] 因此，氮源优选为硝氮。基于氨氮的前提下，无法产生大量的OH—，因而不能通过本方法吸收封存二氧化碳。而我们采用硝氮，通过藻类生产产生大量的OH—，在直接吸收二氧化碳，而且吸收量较于淡水而言更大，在海水中转化形成的碳酸根和碳酸氢根离子更稳定。
[0051] 实施例4在以海水为基质水体的前提下，在不添加氮源的前提下，水体的pH值几乎不发生太大的变化，证明其达到实施例1的反应几乎效果很小无法产生大量氢氧根离子，也无法封存CO2。
[0052] 实施例中藻类菌种分离自海水藻种，为常规海洋藻类群落，非单一藻类。其中，海水藻种主要包括蓝藻、绿藻、硅藻等门类藻种。当然，也可以采用单一的合适的藻类，这样会相对增加企业的成本。基于该方案的前提下，藻类的来源更具有普遍性，直接取于海水中的海藻，降低企业的生产成本。因此，本发明中以优选海水和硝氮的培养基质，以普通的常规海洋藻类群落，非单一藻类，其成本低，投入小。
[0053] 本工艺通过
提升泵提取海水，首先达到分配井，通过分配井控制水流速度，随后，海水被导入藻类
生物膜反应池。反应池辅以填料供藻类生物膜附着，提供光源使藻类进行光合作用，启动产碱生物泵，鼓风房吹气用于反应池曝气，培养藻类过程中对水体适当鼓风曝气有利于藻类生长，加药间为藻类生长提供养分。待海水pH值升高至基本稳定值后，通过提取泵将高碱性海水导出，与空气接触，吸收空气中的CO2，海水pH值随后降低至基本稳定值，海水碱度升高，重新排入海洋，完成空气中CO2封存。此外，生物膜生长过程中，有生物膜脱落，为防止生物
污泥淤积，将定期通过下方排污口排出。
[0054] 传统DAC技术封存空气中CO2，是一项高能耗的技术，封存成本较高，其成本一直维持在250～1200美元/t CO2。最新研究成果也只能将封存成本降低到94～232美元/t CO2，这是目前空气直捕技术无法面向市场推进的根本原因。然而，利用本发明MI-DAC技术，能够显著降低封存成本，达到25～30美元/t CO2，这一值同时也低于碳补贴，降低了企业的生产负担。而且本发明采用MI-DAC技术通过微生物反应池实现CO2捕集，无需特定的CO2封存装置或场地，运营成本低。
[0055] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
