泡沫分离技术在能源微藻连续性采收中的应用及其机理研究

Due to the industrialization bottleneck of the energy microalgae with high cost of harvesting, the project focuses on the mechanism and the application of its continuous harvesting based on the foam separation technology. First, hydrophobic mechanism of microalgae cell’s surface will be obtained by predicting the effects of surfacant on microalgae cell surface and solution properties. Second, dynamic adsorption model between air bubble and microalgae cell will be constructed by studying the dynamic adsorption process of gas-liquid-solid triphase interface through the harvesting processes of microalgae. Third, the continuous foam separation devices will be established, and the effects of the operation conditions, solution properties and equipment structure on the enrichment ratio and recovery of microalgae harvesting will be studied to explore the harvesting mechanism, process optimization and separation efficiency improvement. Finally, adsorption dynamics and fluid mechanics theoretical model of continuous harvesting process will be established by the material balance theory, the principle of continuity and drift flux model and the adsorption dynamics and fluid mechanics. In conclusion, the research achievements can provide the experimental and theoretical basis for the harvesting of energy microalgae

开发出能替代传统化石能源、满足工业和生活需要，并降低温室气体排放的可再生能源具有重要的科学和社会意义。本项目针对当前国际研究热点——微藻生物质能源产业化采收中高成本的瓶颈问题，探索泡沫分离技术在能源微藻连续性采收中的应用及其机理。通过考察表面活性剂对微藻细胞表面性质及微藻溶液性质的影响，发现微藻细胞表面的疏水机理；通过考察微藻泡沫采收过程中气-液-固三相界面的动态吸附过程，构建气泡与微藻颗粒的吸附动力学模型；研究连续性泡沫分离装置用于微藻采收的机理，优化建立采收工艺；结合连续性理论、气液两相流漂移流模型传递理论，建立并验证吸附动力学与流体力学相耦合的理论模型。本项目的研究对降低能源微藻的采收成本、开发微藻及实现其产业化具有重要的科学和现实意义。

微藻采收是能源微藻产业化的瓶颈问题之一，寻求一种高效、低成本的采收方法是当前亟需解决的问题。本项目针对微藻的采收过程，研究基于泡沫分离技术的微藻连续性采收机理并进一步构建优化采收工艺。首先，通过对微藻细胞表面性质的分析，考察表面活性剂的添加对细胞表面性质和微藻溶液性质的影响，探究微藻疏水化预处理机理，并对该工艺进行优化；其次，通过对微藻颗粒在气泡表面上的吸附过程分析，阐明其吸附机理；最后，通过建立连续性泡沫分离装置，对微藻溶液进行富集采收，并优化工艺。实验结果表明，椰子油起泡剂作为天然无毒害的表面活性剂应用在泡沫分离采收微藻中具备可行性，微藻细胞表面是由一些多羟基的有机酸和糖类成份组成，这些组份在水中会发生解离使得细胞表面带负电荷，椰子油起泡剂的正电荷活性基团与微藻细胞表面带负电荷的基团发生化学吸附，形成憎水基朝外的低能表面吸附层，从而使细胞表面疏水化。当椰子油起泡剂在藻液中的浓度为0.035 g/L、藻液浓度为1.34 g/L、藻液pH值为3、泡沫塔载液量为207 mL、气速为1068 mL/min、分离时间为15min时，泡沫分离法采收微藻效果最佳，此时微藻收集率94.4%，富集比4.75。本项目的研究将为微藻的工业化采收过程提供重要的实验和理论依据，对降低能源微藻的采收成本、开发微藻及实现其产业化具有重要的研究价值和经济、社会效益。同时，泡沫分离技术在能源微藻连续性采收中的应用及其机理研究成果对泡沫分离技术的广泛应用具有重要的指导意义。因此，本项目亦对泡沫分离技术在其他领域的应用进行了初步研究。