核诱变改良微藻减排燃煤烟气中CO2的机理研究

利用微藻生长捕集燃煤烟气CO2对于我国节能减排和低碳经济具有重要意义。野生型微藻难以大规模高效率地减排烟气CO2，迫切需要对微藻进行种质创新以提高减排烟气CO2效率。本项目首次采用钴60-γ射线对野生型小球藻进行核辐射诱变，筛检选育出高效固碳的小球藻突变体，并利用烟气高浓度CO2对小球藻进行梯度驯化，通过调控代谢通路和优化生长条件提高了生长固碳速率，使小球藻的生物质产量由1.1g/L显著提高到5.4g/L。基因测序表明：小球藻在高浓度15%CO2下碳酸酐酶几乎为零，CO2不再通过传统输运形式（CO2→HCO3-→CO2）穿过细胞壁，而是在高浓度渗透压下直接进入细胞内部供给光合作用；同时控速光合作用的Rubisco酶活性显著提高，催化光合作用有力促进了固定CO2反应。本项目采用紫外光辅助双氧水将烟气污染物中NO污染物变害为宝，氧化为NO3-为微藻固定CO2补充氮源提高了微藻生长固碳速率。分析了烟气粉尘及重金属对微藻生长过程的影响机理，发现微藻吸附重金属后导致外表面粗糙度增大，外表面积由0.10增大到0.92-1.98 m2/g，但是内孔表面积由0.44减小到0.18m2/g。开发了闪光式跑道池和平板光合养藻反应器，优化反应器结构和藻液流动条件强化了闪光效应，增设扰流件使传质系数提高4.7%并且混合时间下降30.2%，优化曝气器减少气泡生成时间使微藻生长固碳速率提高了29%。基于以上研究成果，本项目已发表22篇SCI和EI期刊论文，其中SCI论文21篇、EI论文1篇，申请公开发明专利4项，培养博士研究生6名(其中3名已毕业)和硕士研究生4名(其中3名已毕业)，参加国际学术会议5次(其中国外5次)。

通过核辐射诱变筛检固碳性能优异的突变藻种，利用微藻光合生长高效捕集燃煤烟气中大量CO2，对于我国节能减排和低碳经济具有重要意义。由于电厂燃煤烟气流量很大、CO2浓度高达15%、含有SO2/NOX/超细粉尘等污染物，故野生型微藻一般难以实现大规模高效率地减排如此大量CO2，迫切需要对微藻进行种质创新以提高减排烟气CO2效率。本项目提出采用γ射线对小球藻等典型藻种进行核辐射诱变，筛检选育出固碳效率高、生长速率快、烟气耐受性强的藻种突变体，通过基因测序揭示诱变藻种固碳酶基因改良的微观机理。设计膜式光合生物反应器促进诱变藻种的高密度快速生长，通过优化调控促进诱变藻种固定大流量高浓度CO2的热动力学反应机制，揭示燃煤烟气中SO2/NOX/超细粉尘等多种污染物对诱变藻种固碳反应的影响控制原理。使诱变藻种适宜生长的CO2浓度提高到15%，并且使微藻固定燃煤烟气中CO2转化为生物质能的效率提高100%。

开发经济、高效的燃煤烟气CO2捕集技术是实现大规模减排CO2的根本途径。功能化离子液体在吸收分离CO2和SO2方面有很多独特的优势，是一种极具竞争潜力的燃煤烟气净化技术。然而，现有研究多研究常温下离子液体对单一高浓度CO2或SO2的吸收分离，缺乏针对性的对燃煤烟气工况下的酸性气体的协同分离。同时，对离子液体结构与性质之间的关系尚不充分和深入，缺乏对这一过程的微观机理和相互作用机制的深入了解。本申请项目拟针对此开展系统深入的研究，充分利用现代先进的分析手段，结合多学科交叉的知识理论，从离子的概念和层次出发，研究离子液体与传统分子型的CO2和SO2吸收剂在宏观和微观特性上的差异及调控，探索离子液体与CO2和SO2的相互作用的规律与机理，包括热力学、界面特性、扩散性能、吸收-解吸机理等，从分子水平揭示离子液体的结构与性能之间的内在联系及其定量关系，为具有高效、经济吸收能力的功能化离子液体的设计

燃煤汞污染是是威胁我国公众健康和生态安全的重要环境问题。飞灰对燃煤烟气中汞的形态转化起着至关重要的作用，不同形态的汞物理化学性质、环境影响和控制方法不同，因此阐明燃煤烟气中汞在飞灰表面的非均相反应机制至关重要。本项目针对我国典型煤种开展燃煤烟气汞在飞灰表面的微观非均相反应机理及影响因素研究。分析飞灰的物理化学特征，通过量子化学计算和烟气汞形态转化机理实验，确定飞灰中对烟气汞形态转化起关键作用的化学成分；开展飞灰吸附和氧化汞的模拟实验，考察汞在飞灰表面非均相反应的活性物种和中间产物，识别汞在飞灰表面上的吸附和化学反应路径，揭示烟气中汞化学形态转化的非均相反应机制及不同烟气成分对汞和飞灰非均相反应的影响。通过本研究，有望在燃煤烟气中汞的化学转化机制方面取得新的认识和进展，提高对我国燃煤大气汞排放和形态转化规律的认识，为准确预测燃煤汞排放、研发新的燃煤汞污染控制技术提供理论基础。