整合鹼液吸收及光合作用以固定二氧化碳 潘忠政、余世宗
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摘 要
全球溫暖化現象已成為國際環保問題之一。化石燃料燃燒所排放的二氧化碳，被公認為是引起全球溫暖化的主要原因之一
。因此，降低二氧化碳的排放是緩和全球溫暖化現象的最重要工作。工業二氧化碳排放是固定排放源，排放量大且集中，
是降低二氧化碳排放的重點。以微藻或光合成菌固定二氧化碳，直接利用太陽能，不會造成二次二氧化碳排放。然其二氧 化碳固定速率尚不足以處理工業二氧化碳排放量。探究其原因，目前各種光生化反應器在氣體傳輸、光照條件上仍有其性 能限制，無法充分發揮微藻或菌株的光合作用能力。 結合化學溶劑吸收法去除效果佳及微藻利用光能還原二氧化碳的優點
，乃提出整合NAOH鹼液吸收法及微藻光生化反應以固定二氧化碳的構想。此構想最明顯的難題是鹼液吸收二氧化碳後，
含有大量無機碳且PH值太高，可能會抑制光合作用。因此，本研究內容分下列二部分來進行：（1）提出NAOH鹼液吸收 與光合作用整合方式及設計方法；（2）探討培養基中無機碳濃度及光照強度對微藻生長的影響。 吾人提出以連續操作方 式串聯鹼液吸收與光合作用以轉化二氧化碳為生質，吸收塔使用NAOH濃度較低的溶液為吸收液，降低吸收液的PH值，
以利後段光合作用的進行。光合作用系統則包括光能接收及脫氧槽兩部份。二氧化碳經脫氧槽與鹼液吸收塔兩段吸收。整 合系統各單元的設計方法亦逐一闡述。整合系統轉化效率仍有待驗證。 實驗結果發現以傳統的氣泡槽光生化反應器培 養TETRASELMIS CHUI，因受限於氣液間的傳輸效率，比生長速率僅為0.0105 H-1（直接通入空氣）及0.0078 H-1（有 以NAOH吸收進流空氣中二氧化碳），於攪拌式的光生化反應器連續培養中，在同一NA2CO3添加濃度下，比生長速率分 別為0.0334 H-1（光照強度12800 LUX）、0.0207 H-1（光照強度19000 LUX）、0.0779 H-1（光照強度26200 LUX），生 長的情形較傳統的氣泡槽光生化反應器為佳。 連續式光生化反應器培養實驗中，在不同NA2CO3添加濃度下（0.02、0.20
、1.00、2.00G/L），當光照強度為12800 LUX時，比生長率為0.0334、0.0250、0.0240、0.0556 H-1。當光照強度為19000 LUX時，比生長率為0.0207、0.0317、0.0200、0.0407 H-1。當光照強度為26200 LUX時，比生長率為0.0779、0.0419
、0.0846、0.0385 H-1。並未呈現一致之趨勢，但是隨著光照強度的增加，大部分的實驗條件下，產率均有增加之趨勢。
關鍵詞 : 氣體吸收塔；光生化反應器；二氧化碳；微藻；光合成菌。
目錄
第一章前言--P1 1.1研究緣起及目的--P1 1.2研究內容--P3 第二章文獻回顧--P4 2.1二氧化碳之消長--P4 2.2二氧化碳對氣候與 生態之影響--P6 2.3二氧化碳之排放與減量--P9 2.4二氧化碳之處理技術--P12 2.4.1化學溶劑吸收法--P12 2.4.2物理吸收 法--P12 2.4.3薄膜分離法--P13 2.4.4低溫分餾法--P13 2.4.5氧氣與二氧化碳燃燒排氣直接回收法--P14 2.4.6生物固定法--P14 2.5藻類（ALGAE）之介紹與光合作用--P17 2.5.1藻類之主要種類及培養方式--P17 2.5.2培養條件對藻體生長及二氧化碳固 定之影響--P23 2.5.2.1光照強度及光源類型--P23 2.5.2.2培養之 PH值及溫度--P24 2.5.2.3二氧化碳濃度--P25 2.5.3藻類之光合 作用--P26 2.6光生化反應器之類型與光強度分佈--P29 2.6.1光生化反應器之類型--P29 2.6.1.1通氣攪拌槽--P29 2.6.1.2氣泡 槽--P30 2.6.1.3氣舉式槽--P30 2.6.1.4管狀光生化反應器--P31 2.6.2光生化反應器之光源與光強度分佈--P33 2.6.2.1光生化反應 器之光源--P33 2.6.2.2光生化反應器之光強度分佈--P34 2.7鹼液吸收之介紹與應用--P36 2.7.1常用化學吸收液種類與性 質--P36 2.7.2氣體吸收塔之種類、應用與現況--P38 2.8二氧化碳之性質、質量傳送與檢驗分析技術--P40 2.8.1二氧化碳之性 質--P40 2.8.2二氧化碳之質量傳送--P40 2.8.3二氧化碳之檢驗分析技術--P43 2.8.3.1氣相層析法--P43 2.8.3.2滴定法--P43 2.8.3.3電導度法--P44 2.8.3.4總有機碳分析法--P44 第三章整合鹼液吸收及光合作用以固定二氧化碳程序--P46 3.1目的與研究 項目--P46 3.2整合製程的方式與流程--P49 3.3整合設計方法--P50 第四章無機碳濃度及光照強度對微藻TETRASELMIS CHUI生長之影響--P56 4.1藻種TETRASELMIS CHUI與培養基成份--P56 4.2實驗設備與材料--P59 4.2.1實驗藥品--P59 4.2.2 實驗設備--P61 4.3分析方法--P66 4.3.1藻體乾重的量測--P66 4.3.2無機碳分析儀器與方法--P68 4.4實驗方法--P69 4.4.1BOD BOTTLE培養實驗－培養基中NA2CO3添加濃度、光源種類對微藻 TETRASELMIS CHUI生長之影響--P69 4.4.2氣泡槽培 養實驗－培養基中NA2CO3添加濃度對微藻TETRASELMIS CHUI生長之影響--P70 4.4.3攪拌式光生化反應器批次及連續 培養實驗－培養基中NA2CO3添加濃度、光照強度對微藻TETRASELMIS CHUI生長、PH 值、無機碳濃度之影響--P72 第 五章無機碳濃度與光強度對微藻TETRASELMIS CHUI生長之影響－實驗結果與討論--P74 5.1BOD BOTTLE培養實驗－培 養基中NA2CO3添加濃度、光源種類對微藻TETRASELMIS CHUI生長之影響--P74 5.2氣泡槽培養實驗－培養基
中NA2CO3添加濃度對微藻TETRASELMIS CHUI生長之影響--P78 5.3攪拌式光生化反應器批次培養實驗－培養基
中NA2CO3添加濃度、光照強度對微藻TETRASELMIS CHUI生長、PH 值、無機碳濃度之影響--P80 5.4攪拌式光生化反應 器連續培養－進料培養基中 NA2CO3添加濃度、光照強度對微藻TETRASELMISCHUI生長、PH 值、無機碳濃度之影
響--P87 第六章結論與建議--P103 6.1結論--P103 6.2建議--P105 參考文獻--P106 附錄--P115 參考文獻
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