微藻生物能源研究现状及展望

能源是现代社会发展的命脉,目前仍以化石燃料为主,而对化石燃料过度依赖导致的能源危机和环境问题日益突出,人类需要寻找可再生的清洁能源作为替代能源。微藻作为可持续的生物能源原料,具有巨大的发展潜力。本文综述了微藻原料获取各环节的研究现状,包括微藻育种、规模培养和采收,并重点论述了微藻生物质转化为生物能源产品的研究进展,包括生物柴油、生物乙醇、生物燃气、生物油,同时指出了微藻生物能源未来的研究方向。

中药渣制备超高比表面积活性炭及其甲苯吸附性能研究

以中药渣为碳源,采用KOH辅助活化制备了具有超高比表面积的中药渣活性炭吸附剂。探索了碱炭质量比(mKOH/mC)、活化温度对吸附剂孔隙结构及其对甲苯吸附行为的影响。在mKOH/mC为5、温度为800℃的热解条件下,活性炭的比表面积和总孔容分别达到了3549 m^(2)/g和2.12 cm^(3)/g,微孔比表面积和微孔孔容分别为2529 m^(2)/g和1.33 cm^(3)/g,微孔占比达到了62.7%。在25℃、相对压力P/P0为0.9~1时的甲苯吸附量更是高达2612 mg/g。该中药渣活性炭吸附剂在挥发性有机物去除方面具有广阔的应用前景。

耦合过热蒸汽干燥的MVR蒸发结晶系统热力性能分析

机械蒸汽再压缩(MVR)作为目前最先进的蒸发结晶技术得到广泛关注和应用,本文结合过热蒸汽干燥技术的优势,提出一种耦合过热蒸汽干燥的MVR蒸发结晶干燥系统。基于EES软件建立数值模型,通过系统仿真的方法分析闪蒸压力pflash、进料浓度c0、循环倍率CR、换热温差ΔTmhex等对压缩机能耗Wcomp和系统能效系数COP、下降管结晶盐含水率的上限值ω和换热器UA值的影响情况。结果表明:耦合过热蒸汽干燥的MVR系统相比常规系统具有更高的COP、更低的Wcomp,并且能够获得干燥的结晶盐;循环倍率CR增大,压缩机压比π降低,有利于提高COP和降低Wcomp,但同时换热器UAmhex值会增大,设备成本增加;系统COP随pflash的变化关系与循环倍率CR有关,CR较低时,随Pflash的增大,系统COP增大,CR超过某一定值,随着pflash的增大,系统COP呈先升后降趋势,其最大值在pflash为40~50kPa;进入干燥器的下降管结晶盐含水率的上限值ω与进料浓度c0有关,随进料浓度c0的升高而增大;ΔTmhex对MVR系统性能有显著的影响,ΔTmhex每增大1K,COP平均降低5.6%、Wcomp平均升高5.8%、UAmhex平均减少14.4%,ω平均升高1.7%。

基于MVR技术的单级双效蒸发浓缩系统性能分析

随着我国工业废水行业市场规模与平均处理成本的逐年上升,先进蒸发浓缩技术得到了广泛关注。本文在机械蒸汽压缩机升压能力不断提高的现状基础上,提出机械蒸汽再压缩(MVR)单级双效蒸发浓缩系统,研究物料浓度、蒸发温度、压比、换热温差等对系统热力性能的影响,并通过对比单级压缩机系统,获得单级双效MVR系统的性能分析曲线和节能优势。结果表明,单级双效MVR系统压缩机压比大于1.9时,系统能效系数(COP)可达25以上;在满足蒸汽温升的条件下,系统COP随压缩机压比、蒸发温度升高而降低,压比升高0.1,COP下降4.4%;第一效蒸发温度升高10℃,COP下降3.1%。

基于虚拟三相算法的微网三相逆变器控制

针对微电网中非隔离型三电平三相三桥臂逆变器采用传统矢量控制时并网电流总谐波畸变(total harmonicdistortion, THD)和离网时输出电压THD较高、微网缺相故障时无法运行的问题,提出了基于虚拟三相算法的微电网三相逆变器控制。该控制采用基于一阶惯性环节的虚拟三相算法,对逆变器控制所需的电压、电流每一相采样值构造成虚拟的三相对称矢量,并使用所得的虚拟三相矢量进行矢量控制。该控制将逆变器的三相控制分解成为独立的三个单相控制,可在微网缺相时正常运行,基于虚拟三相矢量每个单相控制可实现矢量控制并获得矢量控制带来的高控制精度和快速响应速度,从而减小逆变器并网/离网运行模式时输出电流/电压的THD。采用MATLAB/Simulink数字仿真软件进行了该控制方法实际效果的仿真试验,结果验证了该控制方法的有效性。

超声辅助热水浸提小球藻多糖及抗氧化活性测定

选取超声时间、提取温度和提取时间为变量,在单因素试验的基础上,利用响应面优化超声辅助热水浸提小球藻多糖的提取条件。利用傅里叶红外变换(FTIR)对提取的多糖进行结构表征,并测定了其体外抗氧化活性。结果表明,超声辅助热水浸提小球藻多糖的最佳条件为:超声时间52 min,提取温度97℃,提取时间3.0 h。此优化条件下,多糖得率为5.30%。FTIR结果显示该多糖含有糖醛酸,为吡喃糖。同时该多糖对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、OH自由基有显著清除作用,半抑制浓度(IC50值)分别为4.83 mg/mL、0.77 mg/mL。试验结果表明超声辅助热水浸提法可有效提取小球藻多糖并保留多糖活性。

喷气增焓型单级MVR蒸发结晶系统性能分析

针对工业废水蒸发结晶过程中含盐浓度增大、从而导致沸点升和增压比偏高等问题,提出了喷气增焓型单级机械式蒸汽再压缩(MVR)蒸发结晶系统。基于EES软件建立了喷气增焓型单级MVR蒸发结晶系统数值模型,并研究了闪蒸压力P_(flash)、物料入口浓度c_0、物料循环倍率CR、换热温差?T_(preh)和?T_(mhex)以及补气压比指数n和补气率β_v对系统热效率COP、单位闪蒸量的压缩机耗功w_(comp)、压缩机出口蒸汽过热度?t_(suph)和换热器UA值等参数的影响。结论如下:喷气增焓型MVR系统相比无喷气过程的单级MVR蒸发结晶系统具有更高的COP、更低的w_(comp)以及更小的?t_(suph);随CR增大,压缩机增压比降低了32.8%,COP提高了54.8%;随P_(flash)增大,COP呈先降后升趋势,在30~35kPa时存在最低值;换热系统中,主换热器温差?T_(mhex)对MVR系统性能影响更为显著,?T_(mhex)每增大1K,COP平均降低4.0%、w_(comp)平均升高4.9%、UA_(mhex)平均增加8.9%。

高温CO2热泵的超临界喷气增焓性能

提出了一种基于高温超临界喷气增焓技术的新型CO2热泵循环,以显著提升跨临界CO2热泵在高温循环加热工况下的制热性能。通过建立超临界喷气增焓型高温CO2热泵系统的数值模型,并采用EES(engineering equation solver)软件对该热泵系统的循环加热性能进行了仿真分析。研究了在较高气体冷却器出口温度下,蒸发温度、压缩机中间压力、气体冷却器压力等参数对单位容积制热量和性能系数(COP)的影响。结果表明:在最优排气压力下,气体冷却器出口温度高达60℃时,该热泵循环的COP也能达到3.0左右;相对于普通喷气增焓系统,COP明显提高;相对于无喷气增焓的常规系统,在气体冷却器出口温度为60℃时,相对补气量为0.3、0.4、0.5的超临界喷气增焓系统COP分别提高了14.8%、21.2%、29.2%;气体冷却器压力和中间压力对系统COP的影响变化趋势一致,但气体冷却器压力的影响更为显著;此外,存在最优的气体冷却器压力和中间压力使系统COP达到最大,在气体冷却器出口温度为60℃,相对补气量为0.4时,最优气体冷却器压力和中间压力分别为13.5MPa和8.5MPa。

基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统热力性能分析

热泵蒸汽技术相比电锅炉及燃煤、燃气锅炉制取蒸汽,具有更高的一次能源利用效率,并且不产生CO2和NOx,符合我国节能环保发展战略。本文提出一种基于蒸汽压缩技术的热泵蒸汽系统,采用两级冷凝直接制取低压蒸汽,再通过蒸汽压缩升压至0.7MPa。并基于EES软件建立数值模型,分析冷凝温度Tcond、蒸发温度Tevap、经济器温度Tecon、喷气率βg对冷媒压缩机功耗Wrefri、蒸汽压缩机功耗Wvapor和系统能效系数COP的影响。结果如下:基于蒸汽压缩的热泵蒸汽系统,制取165℃的饱和蒸汽,在Tevap为50℃、Tcond为93℃时,系统COP为2.996,制取1t蒸汽消耗功率仅为247k W·h;系统COP随Tevap的升高逐渐增大,但是Tevap的升高需要更高的热源温度;蒸发温度不变时,系统存在最佳的Tcond、中间冷却温度Tecon和喷气率βg,当蒸发温度Tevap为50℃,最佳冷凝温度Tcond为93℃时,最佳经济器温度Tecon为65℃,最佳喷气率βg为0.13。

煤化工烟道气毒性成分对Chlorella pyrenoidosa生长和细胞成分的影响

探究煤化工烟道气中毒性成分对微藻的影响是利用微藻固定煤化工烟道气CO2实现减排的关键。本文利用不同浓度的NaHS、Na2SO3和NH3·H2O培养Chlorella pyrenoidosa(C.pyrenoidosa),以探究煤化工烟道气主要毒性成分H2S、SO2和NH3气体水溶物的毒性。实验结果表明:NaHS、Na2SO3和NH3·H2O浓度分别低于1mmol/(L·d)、40mmol/(L·d)和7mmol/(L·d)时对C.pyrenoidosa生长无抑制作用,而且Na2SO3[<40mmol/(L·d)]会显著促进C.pyrenoidosa的生长;NaHS添加4mmol/(L·d)时会在生长初期抑制C.pyrenoidosa的生长,NH3·H2O添加35mmol/(L·d)则会直接造成藻细胞的破碎死亡。与对照组相比,NaHS和Na2SO3浓度分别低于1mmol/(L·d)、10mmol/(L·d)时对C.pyrenoidosa的细胞成分无影响;NaHS添加4mmol/(L·d)使藻蛋白含量提高7.13%;Na2SO3添加40mmol/(L·d)使藻蛋白降低13.45%,总糖含量提高42.90%;NH3·H2O的添加会使藻蛋白含量降低,总糖含量提高。微藻生物质整体蛋白质含量较高,可作为蛋白饲料来源。研究结果表明,C.pyrenoidosa对煤化工烟道气中的主要毒性气体有较好的耐受性,利用煤化工烟道气培养微藻具有可行性。

小球藻对奶牛场沼液处理能力及生物质生产的探究

为资源化处理奶牛场沼液、探究小球藻Chlorella vulgaris NIES-227对奶牛场沼液的处理能力以及生物质利用潜力,在柱式光生物反应器中利用小球藻处理沼液占比分别为25%、50%、75%和100%4种不同浓度的未灭菌污水。研究结果显示,各浓度污水中总氮、总磷和COD的去除率分别为36.0%～92.5%、42.8%～100%和6.9%～32.2%。在沼液占比为25%的污水中氮磷的去除率最高,氨氮、总氮和总磷的去除效率分别可达99.9%、91.0%和100%。微藻在低浓度沼液(25%～50%)中生长状态良好,在沼液占比为50%的污水中可获得最高生物质产率393.6 mg/(L·d)。但是在高浓度沼液(75%～100%)中微藻生长受到一定抑制,导致氮磷的去除效果变差。培养期间细菌的数量增长显著,促进了COD的去除。各浓度沼液生物质中总脂、总糖和蛋白质含量分别为13.2%～32.2%、12.3%～27.6%和16.2%～30.9%。实验数据表明,低浓度沼液能产生更多高能量组分的生物质,适合用作生物燃料的开发;高浓度沼液能产生含较多蛋白质的生物质,更适合用作动物饲料。

微藻污水处理研究进展

当前,日益增多的污水排放导致了严重的环境问题。与传统污水处理方法相比,微藻污水处理是一种具有独特优势的方法。微藻生长繁殖快,光合效率高,可以有效去除污水中的氮、磷、金属离子及有毒物质等污染物。分析了微藻污水处理几个关键环节的研究和发展,包括藻种的选择、微藻污水处理的体系、微藻对各种类型污水处理的可行性及微藻回收等。指出微藻污水处理的优点以及现阶段存在的问题,并对微藻污水处理的发展前景进行了展望。

不同pH条件下小球藻氨氮处理及生物质生产能力

针对目前沼液中高浓度氮氨氮对空气和水质的不良影响,探究在不同pH条件下小球藻对氨氮的处理能力以及生物质生产潜力。在初始ρ(NH;-H)为120~130mg/L,设置4组pH为6.5、7.5、8.5、9.5的模拟废水中培养小球藻。结果表明:pH为6.5~7.5时更适合氨氮的去除。随着pH值升高,pH>8.5时产生的高浓度游离氨对小球藻生长起主要抑制作用。基于藻细胞内叶绿素的积累,小球藻更偏好pH为6.5~8.5的实验环境。小球藻在pH=7.5时油脂产率达到最高为0.30 g/L/d,这与小球藻生长的适宜pH条件一致。综合考虑小球藻对氨氮的去除率及生长和油脂的积累情况,在利用小球藻处理沼液时,将pH控制在6.5~7.5区间内会更有利于氨氮的去除和废水的资源化利用。