تم وصف بروتوكول لاستخدام ثاني أكسيد الكربون في غاز مداخن محطة توليد الطاقة بالغاز الطبيعي لزراعة الطحالب الدقيقة في أحواض السباق المفتوحة. يتم التحكم في حقن غاز المداخن باستخدام مستشعر الأس الهيدروجيني ، ويتم مراقبة نمو الطحالب الدقيقة من خلال قياسات الكثافة البصرية في الوقت الفعلي.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
اقتران التقاط الكربون من محطة توليد الكهرباء مع أحواض السباق المفتوحة شبه الآلية لزراعة الطحالب الدقيقة
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
في الولايات المتحدة ، يأتي 35٪ من إجمالي انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) من صناعة الطاقة الكهربائية ، والتي يمثل 30٪ منها توليد الكهرباء بالغاز الطبيعي. يمكن للطحالب الدقيقة إصلاح ثاني أكسيد الكربون2 10 إلى 15 مرة أسرع من النباتات وتحويل الكتلة الحيوية للطحالب إلى منتجات ذات أهمية ، مثل الوقود الحيوي. وبالتالي ، تقدم هذه الدراسة بروتوكولا يوضح أوجه التآزر المحتملة لزراعة الطحالب الدقيقة مع محطة لتوليد الطاقة بالغاز الطبيعي تقع في جنوب غرب الولايات المتحدة في مناخ حار شبه جاف. وتستخدم أحدث التكنولوجيات لتعزيز احتجاز الكربون واستخدامه عن طريق أنواع الطحالب الخضراء شلوريلا سوروكينيانا، والتي يمكن معالجتها بشكل أكبر إلى وقود حيوي. نحن نصف بروتوكولا يتضمن بركة سباق مفتوحة شبه آلية ونناقش نتائج أدائها عندما تم اختبارها في محطة توكسون للطاقة الكهربائية ، في توكسون ، أريزونا. تم استخدام غاز المداخن كمصدر رئيسي للكربون للتحكم في درجة الحموضة ، وتم زراعة شلوريلا سوروكينيانا . تم استخدام وسط محسن لزراعة الطحالب. وجرى رصد كمية ثاني أكسيد الكربون2 المضافة إلى النظام كدالة للوقت عن كثب. بالإضافة إلى ذلك ، تم رصد العوامل الفيزيائية والكيميائية الأخرى التي تؤثر على معدل نمو الطحالب ، وإنتاجية الكتلة الحيوية ، وتثبيت الكربون ، بما في ذلك الكثافة البصرية ، والأكسجين المذاب (DO) ، والموصلية الكهربائية (EC) ، ودرجات حرارة الهواء والبركة. تشير النتائج إلى أنه يمكن تحقيق محصول من الطحالب الدقيقة يصل إلى 0.385 جم / لتر من الوزن الجاف الخالي من الرماد ، مع محتوى دهني بنسبة 24٪. ويمكن أن توفر الاستفادة من فرص التآزر بين الجهات المسببة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 ومزارعي الطحالب الموارد اللازمة لزيادة احتجاز الكربون مع دعم الإنتاج المستدام للوقود الحيوي للطحالب والمنتجات الحيوية.
المقدمة
الاحترار العالمي هو واحد من أهم القضايا البيئية التي يواجهها العالم اليوم1. تشير الدراسات إلى أن السبب الرئيسي هو الزيادة في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون 2 ، في الغلاف الجوي بسبب الأنشطة البشرية2،3،4،5،6،7. في الولايات المتحدة ، تنشأ أكبر كثافة لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 بشكل رئيسي من احتراق الوقود الأحفوري في قطاع الطاقة ، وتحديدا محطات توليد الطاقة الكهربائية3،<....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. نظام النمو: إعدادات بركة مضمار السباق المفتوحة في الهواء الطلق
- قم بإعداد أحواض السباق المفتوحة بالقرب من مصدر غاز المداخن (التي تحتوي على 8-10٪ من ثاني أكسيد الكربون2). التأكد من توفر المياه والكهرباء في موقع مفاعل البركة وأن المفاعل ليس في الظل معظم اليوم (الشكل 1).
- التقط غاز المداخن أثناء عملية ما بعد الاحتراق باستخدام خرطوم وقود 0.95 سم ، قبل أمتار قليلة من دخول غاز المداخن إلى المكدس ليتم تفريغه في الغلاف الجوي (الشكل 2).
- قم بإزالة الماء من غاز المداخن باستخدام مصيدة ماء سعة 20 لترا ومكثفا (طول الملف ~ 12 مترا) بين المكدس والضاغط (الشكل 2
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
تشير النتائج التجريبية السابقة من مختبرنا إلى أن زراعة الطحالب الدقيقة باستخدام بركة سباق مفتوحة شبه آلية يمكن أن تقترن بعمليات التقاط الكربون. لفهم التآزر بين هاتين العمليتين بشكل أفضل (الشكل 2) ، قمنا بتطوير بروتوكول وتصميمه لزراعة أنواع الطحالب الخضراء Chlorella sorokiniana تحت ظروف خارجية في مناخ حار شبه جاف. تم الحصول على غاز مداخن الغاز الطبيعي من محطة توليد الطاقة الصناعية. ويستخدم هذا البروتوكول تكنولوجيات مختلفة لتقييم إنتاجية الكتلة الأحيائية للطحالب: (1) نمو الطحالب باستخ.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
في هذه الدراسة ، أثبتنا أن الاقتران التآزري بين احتجاز الكربون في غاز المداخن وزراعة الطحالب الدقيقة أمر ممكن في مناخ حار شبه جاف. يدمج البروتوكول التجريبي لنظام أحواض السباق شبه الآلية أحدث التقنيات لمراقبة المعلمات ذات الصلة في الوقت الفعلي والتي ترتبط بنمو الطحالب عند استخدام غاز المداخن كمصدر للكربون. يهدف البروتوكول المقترح إلى الحد من عدم اليقين في زراعة الطحالب ، والتي تعد واحدة من العيوب الرئيسية لأحواض مجرى السباق20،21،36.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
شكر وتقدير
تم دعم هذا العمل من خلال المشروع الإقليمي لاختبار المواد الأولية للطحالب ، وزارة الطاقة الأمريكية DE-EE0006269. كما نشكر إستيبان خيمينيز وجيسيكا بيبلز وفرانسيسكو أسيدو وخوسيه سيسنيروس وفريق RAFT ومارك مانسفيلد وموظفي محطة توليد الطاقة UA وموظفي محطة توليد الطاقة TEP على كل مساعدتهم.
....الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| محرك سرعة قابل للتعديل (نظام عجلة مجداف) Leeson | 174307 | الدرس 174307.00 ، النوع: SCR Voltage ؛ الأمبير: 10 | |
| قوارب وزن من الألومنيوم | فيشر ساينتفيك | 08-732-102 | أطباق وزن الألومنيوم فيشربراند |
| حديد الأمونيوم (III) (NH؟)؟ [Fe (C?H? O؟)؟] | فيشر ساينتفيك | 1185 - 57 - 5 | إعداد متوسط. حديد الأمونيوم (III) سترات |
| فوسفات الأمونيوم | سيجما ألدريتش | 7722-76-1 | تستخدم هذه المادة الكيميائية للمتوسط الأمثل ملح |
| الصوديوم أمبيسلين | سيجما ألدريتش | A9518-5G | تستخدم هذه المادة الكيميائية لتجنب تلوث الطحالب |
| الأوتوكلاف | Amerex Instrument Inc | Hirayama HA300MII | |
| باكتو أجار | فيشر BP1423500 | العلميكواشف فيشر الحيوية حبيبات أجار | |
| مبيض | كلوركس | مبيض مبيد للجراثيم ، مركز | |
| حمض البوريك كلوركس (H3BO3) | فيشر سينتفوليك | 10043-35-3 | العناصر النزرة: حمض البوريك |
| ثنائي هيدرات كلوريد الكالسيوم (CaCl2 * 2H2O) | سيجما ألدريتش | 10035-04-8 | تحضير متوسط. ثنائي هيدرات كلوريد الكالسيوم |
| كاربويز (20 لتر) | نالجينز - ثيرمو فيشر Scientific | 2250-0050PK | بولي بروبيلين كاربوي مع مقابض |
| جهاز طرد مركزي | بيكمان كولتر ، إنك | J2-21 | |
| كلوروفورم | سيجما ألدريتش | 67-66-3 | تستخدم هذه المادة الكيميائية لاستخراج الدهون |
| Citraplex 20٪ منتجات الحديد | لوفلاند | SDS رقم 1000595582 -17-LPI | https://www.fbn.com/direct/product/Citraplex-20-Iron#product_info |
| الكوبالت (II) سداسي هيدرات نترات (Co (NO3) 2 * 6H2O) | Sigma-Aldrich | 10026-22-9 | العناصر النزرة: ضاغط سداسي هيدرات نترات الكوبالت (II |
| Makita | MAC700 | يستخدم هذا الجهاز لنظام حقن CO2 | |
| صمام التحكم | Sierra Instruments | SmartTrak 100 | يجب تخصيص هذا العنصر لتطبيقك. في حالتنا ، تم استخدامه 5٪ CO2 و 95٪ خليط هواء. |
| خماسي كبريتات كبريتات النحاس (II) (CuSO4 * 5H2O) | Sigma-Aldrich | 7758-99-8 | العناصر النزرة: النحاس (II) كبريتات خماسي الهيدرات |
| مسجل البيانات: وحدة كامبل CR3000 | Scientific Campbell | CR3000 | يستخدم هذا الجهاز للتحكم في جميع بيانات النظام والقيادة وتسجيل محلول |
| الأكسجين المذاب | Campbell Scientific | 14055 | محلول إلكتروليت الأكسجين المذاب DO6002 - رقم الدفعة. 211085 |
| مسبار الأكسجين المذاب | Sensorex | ؟ | DO6400 / T مستشعر الأكسجين المذاب مع الاتصال الرقمي |
| محلول معايرة الموصلية الكهربائية | شركة ريكا للكيماويات | 2245 - 32 (R2245000-1A) | معيار الموصلية ، 5000 uS / سم عند 25 درجة مئوية (2620 جزء في المليون TDS مثل كلوريد الصوديوم) |
| مستشعر مسبار التوصيل الكهربائي | Hanna Instruments | HI3003 / D | مسبار الموصلية للتدفق من خلال - مستشعر NTC ، موصل DIN ، كابل 3 أمتار |
| حمض ثنائي الصوديوم ثنائي هيدرات ملح الصوديوم (Na2EDTA * 2H2O) | سيجما ألدريتش | 6381-92-6 | التحضير المتوسط: مرشحات حمض الإيثيلين ديامين تترا أسيتيك ثنائي الصوديوم ثنائي هيدرات الملح |
| فيشر Scientific | 09-874-48 | Whatman الخالية من الموثق الزجاجية المصنوعة من الألياف | |
| الدقيقة فيشر العلمية | 09-552-40 | فرن فرن بيركس فيرنباخ | |
| الموديل: F6020C-80 | Thermo Sicentific Thermolyne F6020C - 80 | ||
| تجفيف | زجاج فرن دثرVWR International LLC | 75871-430 | Type 150 ، 140 مم من القطر |
| قمع زجاجي | فيشر Scientific | FB6005865 | Fisherbrand زجاج قابل لإعادة الاستخدام قمع طويل الساق غطاء |
| تدفق رقائقي | Fisher Hamilton Safeair Safeair | Hood | |
| كبريتات المغنيسيوم سباعي الهيدرات (MgSO4 * 7H2O) | فيشر Scientific | 10034 - 99 - 8 | متوسط التحضير: المغنيسيوم كبريتات سباعي هيدرات |
| الميثانول | سيجما ألدريتش | 67-56-1 | مذيب استخراج الدهون ناشر |
| الفقاعات الدقيقة | بنتير أنظمة مائية | بيئية 1PMBD075 | يستخدم هذا الجهاز لنظام حقن ثاني أكسيد الكربون |
| الطحالب الدقيقة: Chlorella Sorokiniana | NAABB | DOE 1412 | |
| المجهر | كارل زايس 4291097 | ||
| مساعد الميكروويف استخراج | MARS ، CEM Corportation | CEM Mars 5 Xtraction 230/60 نظام التفاعل المتسارع بالميكروويف. الموديل: 907601 | |
| MnCl2 * 4H2O | Sigma-Aldrich | 13446-34-9 | رباعي هيدرات كلوريد المنغنيز (II |
| فيشر Scientific | FB961B | ملاط البورسلين فيشربراند | |
| جهاز تبخر | N-EVAP 112 تبخر النيتروجين (نظام تسخين OA-SYS) | ||
| فرن | VWR International LLC | 89511-410 | الهواء القسري |
| مجداف | مروحة محور أفقي ذات 8 شفرات. يأتي هذا عادة كجزء من مفاعل عجلة التجديف. | ||
| محرك عجلة مجداف | ليسون | M1135042.00 | ليسون ، الموديل: CM34025Nz10C ؛ 1/4 حصان ؛ فولت 90 ؛ FR 34; 62 دورة في الدقيقة. |
| Pestles | Fisher Scientific | FB961M | مدقات البورسلين Fisherbrand |
| الأس الهيدروجيني وجهاز إرسال EC | Hanna Instruments | HI98143 | Hanna Instruments HI98143-04 درجة الحموضة وجهاز إرسال EC مع معزول جلفاني 0-4 فولت. |
| حلول معايرة الأس الهيدروجيني | فيشر ساينتفيك | 13-643-003 | الأس الهيدروجيني العلنة الحرارية العلمية أوريون مستشعر |
| مسبار الأس الهيدروجيني | هانا إنسترونٹس | HI1006-2005 | Hanna Instruments HI1006-2005 قطب الأس الهيدروجيني تفلون مع دبوس مطابق 5 م. |
| نصائح Pippete | Fisher Scientific | 1111-2821 | 1000 ul TipOne طرف أزرق متدرج في الرفوف |
| Pippetter | Fisher Scientific | 13-690-032 | Eppendorf Reserch plus ماصات متغيرة الحجم قابلة للتعديل: كوفيت بلاستيكي أحادي القناة |
| Fisher Scientific | 14377017 | العلامة التجاريةTech BRAND ألواح الكوفيت | |
| البلاستيكية | فيشر العلمية | 08-757-100D | أطباق Corning Falcon Bacteriological Petri مع غطاء |
| البوتاس | تستخدم هذه المادة الكيميائية لإعداد الوسط الأمثل. تم شراؤها في شركة أسمدة محلية | ||
| فوسفات البوتاسيوم ثنائي القاعدة (K2HPO4) | Sigma-Aldrich | 7758 -11 - 4 | متوسط التحضير: زجاجات |
| تخزين الوسائط ثنائية القاعدة Pyrex القابلة لإعادة الاستخدام | Fisher Scientific | 06-414-2A | 1 L و 2 L - أغطية لولبية PYREX GL45 مع أختام التوصيل |
| بركة | يمكن شراء معدات مماثلة من https://microbioengineering.com/products | ||
| مستشعر الكثافة البصرية في الوقت الحقيقي | جامعة أريزونا | تم تصميم هذا الجهاز وبناؤه من قبل أحد أعضاء المجموعة | |
| كابل RS232 | Sabrent Sabrent | USB 2.0 إلى كابل محول DB-9 RS-232 التسلسلي (9 سنون) ، مجموعة شرائح غزيرة الإنتاج ، Hexnuts ، [Windows 10 / 8.1 / 8/7 / Vista / XP ، Mac OS X 10.6 وما فوق] 2.5 قدم (CB-DB9P) | |
| طاولة | شاكرتحريض الطحالب 150 دورة في الدقيقة | ||
| كربونات الصوديوم (Na2CO3) | سيجما ألدريتش | 497-19-8 | كربونات الصوديوم |
| موليبدات ثنائي هيدرات الصوديوم (Na2MoO4 * 2H2O) | سيجما ألدريتش | 10102-40-6 | متوسط التحضير: موليبدات الصوديوم ثنائي هيدرات |
| نترات الصوديوم (NaNO3) | سيجما ألدريتش | 7631-99-4 | متوسط التحضير: مقياس الطيف الضوئي لنترات الصوديوم |
| فيشر العلمي الشركة | 14-385-400 | ثيرمو فيشر العلمي - 10S UV-Vis GENESTYS مقياس الطيف الضوئي أسطواني حامل خلية Longpath ؛ dectector مرجعي داخلي ، مصباح فلاش زينون ؛ ثنائي ضوئي مزدوج من السيليكون ؛ 240 فولت ، 50 إلى 60 هرتز محدد تلقائيا. | |
| أنابيب الاختبار | فيشر Scientific | 14-961-27 | فيشربراند أنابيب زجاجية من البورسليكات يمكن التخلص منها بنهاية عادية (10 مل) |
| مزدوجات حرارية من النوع K | أوميغا | KMQXL-125G-6 | |
| اليوريا | سيجما ألدريتش | 2067-80-3 | اليوريا |
| فيشر XX1514700 العلمي | حامل فلتر فراغ زجاجي MilliporeSigma ، 47 مم. يتضمن النظام: ملحق قارورة زجاجية أرضية ، ودعم مرشح زجاجي خشن ، ومضخة | ||
| تفريغ قارورة محرك | التيار المتردد الكهربائي Grainger | Marathon المحمي حراريا G588DX - MOD 5KH36KNA510X. إتش بي 1/4. RPM 1725/1425 | |
| كبريتات الزنك سباعي الهيدرات (ZnSO4 * 7H2O) | سيجما ألدريتش | 7446-20-0 | كبريتات الزنك سباعي الهيدرات |
المراجع
- The Intergovernmental Panel on Climate Change. , Available from: https://www.ipcc.ch/ (2018).
- Songolzadeh, M., Soleimani, M., Ravanchi, M., Songolzadeh, R. Carbon Dioxide Separation from Flue Gases: A Technological, Review Emphasizing Reduction in Greenhouse Gas Emissions. The Scientific World Journal. 2014, 1-34 (2014).
- L....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
