探究小球藻對(duì)空氣凈化作用以及凈化設(shè)備的制作

區(qū)冠彥 曾文翼 揭一洪天 曾杰

摘 ?要：在缺少大型通風(fēng)設(shè)備的建筑物，如學(xué)校和老式的辦公室內(nèi)，我們常感覺(jué)空氣不流通而產(chǎn)生的低落情緒，我們認(rèn)為主要的原因是室內(nèi)缺少綠色植物，導(dǎo)致二氧化碳濃度過(guò)高，使人產(chǎn)生困倦，疲勞的感覺(jué)，對(duì)人的判斷能力產(chǎn)生不良影響。對(duì)此，我們希望找出一種解決方法，利用植物的光合作用，吸收空氣中的二氧化碳，并且同時(shí)解決常規(guī)的桌面植物需要泥土和肥料而容易弄臟桌面;且設(shè)備占用空間大、效率低;室內(nèi)光照不足;植物容易死亡等的問(wèn)題。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)利用小球藻凈化室內(nèi)，尤其是凈化桌面附近范圍內(nèi)空氣的裝置。

關(guān)鍵詞：小球藻;二氧化碳;空氣凈化;環(huán)境優(yōu)化

中圖分類號(hào)：X173 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號(hào)：1671-2064（2019）17-0000-00

1 室內(nèi)空氣污染成因及影響

1.1普通高中課室空氣環(huán)境

據(jù)我們觀察，由于室內(nèi)引入能釋放有害物質(zhì)的污染源或室內(nèi)環(huán)境通風(fēng)不佳，通風(fēng)設(shè)施老舊而規(guī)模較小，通常只有少量的10寸大小排氣扇，導(dǎo)致室內(nèi)空氣中有害物質(zhì)無(wú)論數(shù)量上還是種類不斷增加，并引起人的一系列不適癥狀，這是因?yàn)槭覂?nèi)空氣受到了污染。就環(huán)境污染對(duì)人體健康的影響而言，由于人們生活、工作在室內(nèi)環(huán)境的時(shí)間長(zhǎng)，室內(nèi)通風(fēng)狀況不良、不利于污染物稀釋擴(kuò)散自凈等原因，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量比室外環(huán)境質(zhì)量顯得更為重要。室內(nèi)空氣污染與大氣污染由于所處的環(huán)境不同，其污染特征也不同。

相反，二氧化碳的濃度低意味著空氣流通率高。通常室內(nèi)沒(méi)人、門(mén)窗打開(kāi)、建筑物的氣密度低會(huì)使二氧化碳濃度降低，因而可以降低對(duì)室內(nèi)的送風(fēng)需求，采用需求控制系統(tǒng)可以大大節(jié)約能源。不過(guò)值得注意的是，二氧化碳濃度，但卻導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降^[3]。因此，有必要采取一些措施使在通風(fēng)不良的室內(nèi)中減少二氧化碳含量。

尤其是夏季高溫下，我們都緊閉門(mén)窗，享受著空調(diào)的涼爽，難免會(huì)讓室內(nèi)空氣中的二氧化碳含量超標(biāo)，導(dǎo)致頭痛、胸悶、易疲勞、煩躁、皮膚過(guò)敏等，其實(shí)這些都是由于室內(nèi)缺氧造成的。而在酷熱的夏季，空調(diào)開(kāi)啟，使室內(nèi)空氣中二氧化碳濃度增加。

1.2 概念構(gòu)想

據(jù)研究，小球藻對(duì)高濃度二氧化碳具有較好的耐受性，小球藻在1.5%的CO₂下有最好生長(zhǎng)，在20%的高濃度 CO₂中也有良好的生長(zhǎng);小球藻的生物量對(duì)CO₂去除率的影響表現(xiàn)為起初CO₂去除率隨小球藻生物量的增加而迅速提高。在小球藻培養(yǎng)至第3天，藻干重為624mg/L時(shí)，CO₂的去除率達(dá)到最大為68%，之后隨小球藻生物量的增加而逐漸降低^[4]。

基于 1.1 中的空氣質(zhì)量問(wèn)題，我們希望設(shè)計(jì)一種設(shè)備，在室內(nèi)進(jìn)行空氣凈化，功能主要實(shí)現(xiàn)減少室內(nèi)二氧化碳濃度，增加氧氣濃度，與此同時(shí)兼顧美觀和便捷性。

2 方案設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1?化學(xué)方法

我們?cè)紤]使用氫氧化鈉溶液作為吸收材料，然后在室外將其產(chǎn)生的碳酸鈉電解，然而氫氧化鈉在生活中使用并不現(xiàn)實(shí)，其腐蝕性也帶來(lái)了維護(hù)上的問(wèn)題，此方案被舍棄。

2.2?生物方法

我們了解到蛋白核小球藻具有光合作用能力強(qiáng)的特性。小球藻是單細(xì)胞藻類，并且單獨(dú)存在，不結(jié)合成群體。他的形態(tài)是球形，或略帶球形。

小球藻可使用封閉式培養(yǎng)，可利用容器內(nèi)培養(yǎng)液的循環(huán)流動(dòng)，二氧化碳和氧氣也輸送至容器內(nèi)^[2]。

蛋白核小球藻碳酸氫根離子利用途徑利用份額各占81.1%^[1]，光合作用能力強(qiáng)，且在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣泛的運(yùn)用，藻類來(lái)源便捷，為了提供藻類所需的無(wú)機(jī)鹽，我們考慮從景觀魚(yú)池中獲得，為了排除水中原有微生物干擾，我們將池水煮沸。我們決定采取這一方案，并設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1實(shí)驗(yàn)材料

濃縮藻原1L、清水 300mL、景觀魚(yú)池水（以下簡(jiǎn)稱池水）600mL、二氧化碳傳感器一個(gè)、加熱器一個(gè)、容器若干。

3.1.2?實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

首先將濃縮藻原倒入 A、B、C 三瓶各300mL，在見(jiàn)光處放置3天，取300mL池水煮沸，將二氧化碳傳感器連接萬(wàn)用表，得到電壓模擬信號(hào)。

3.2?實(shí)驗(yàn)階段

將實(shí)驗(yàn)分為 A，B，C 三個(gè)實(shí)驗(yàn)組：

A 組：加入300ml小球藻溶液，300ml煮沸的池塘水。

B 組：加入300ml小球藻溶液，300ml不經(jīng)處理的池塘水。

C 組：加入300ml小球藻溶液，300ml清水。

保持相同的光照條件，在相同適宜的條件之下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2.1實(shí)驗(yàn)預(yù)期

實(shí)驗(yàn)預(yù)期如圖1。

處理定性結(jié)果如下：

A 組：測(cè)量結(jié)果應(yīng)比室外結(jié)果高并且是三個(gè)實(shí)驗(yàn)組中最高的。

B 組：測(cè)量結(jié)果應(yīng)比 A 組略小。

C 組：測(cè)量結(jié)果應(yīng)最小，效果最差，且與室外相近。

3.2.2?實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

注：該傳感器的特性為二氧化碳含量越高，模擬型號(hào)電壓越低。

3.2.3?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

A 組：數(shù)據(jù)比室外高且是三個(gè)實(shí)驗(yàn)組中最高的。原因在于池塘水中的富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)可使小球藻更多更快地生長(zhǎng)，增強(qiáng)光合作用，使得氧氣含量多，二氧化碳含量少。

B 組：實(shí)際上B組可能因?yàn)橛衅渌孱惖冗M(jìn)行光合作用而比C組效果更好，但與小球藻競(jìng)爭(zhēng)不利小球藻生活。

C 組：C組中的清水可能還有少量無(wú)機(jī)鹽，實(shí)驗(yàn)時(shí)間不長(zhǎng)與A組差別不明顯。

4 設(shè)備制作

4.1?第一次設(shè)計(jì)

第一次制作使用一個(gè)常見(jiàn)的塑料瓶，裝有約一半的小球藻，由于缺乏照明設(shè)備，小球藻光合作用效果不佳，且打開(kāi)蓋子時(shí)易打翻。

通風(fēng)風(fēng)扇目的用于從上方向下輸送空氣，水泵將空氣送入小球藻培養(yǎng)液水下，燈環(huán)的為小球藻的光合作用提供光照。在設(shè)備內(nèi)部所有裝置均使用可拆卸，包括其中的小球藻儲(chǔ)存室，方便更換小球藻和進(jìn)行換水等操作。

4.2?設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）利用藻類光合作用凈化二氧化碳，代替了一般的盆栽，更加方便處理，不需要泥土等培養(yǎng)，防止對(duì)桌面環(huán)境的污染;（2）將藻類光合作用的全部條件， 如光照、空氣、無(wú)機(jī)鹽等提供完備，方便整理，并且在夜間也能凈化空氣;（3）原料容易獲得，使用方便，蛋白核小球藻在農(nóng)業(yè)上有廣泛運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)得出用景觀魚(yú)池水有提供無(wú)機(jī)鹽的作用，使用方便;（4）占地空間小，效率高，相比盆栽植物，微藻在占用空間相同的前提下，光合作用效果更好。

4.2.1?工作原理

首先先在小球藻儲(chǔ)存室里面加入配置好的小球藻，然后曝氣室就會(huì)開(kāi)始工作進(jìn)行光合作用，二氧化碳傳感器將得到的二氧化碳濃度在顯示屏中顯示。

當(dāng)需要換水時(shí)在進(jìn)水箱加入魚(yú)池水，單片機(jī)控制進(jìn)水箱的電熱絲，煮沸魚(yú)池水進(jìn)行消毒，目的是得到小球藻所需要的無(wú)機(jī)鹽，同時(shí)防止雜菌干擾。

進(jìn)水箱里的溫度傳感器可以得到實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，在煮沸后溫度下降時(shí)。水泵開(kāi)始工作，將進(jìn)水箱的水加入小球藻儲(chǔ)存室。

小球藻儲(chǔ)存室里有激光濃度傳感器，當(dāng)小球藻繁殖到一定程度，濃度過(guò)高時(shí)，單片機(jī)控制水泵運(yùn)行，當(dāng)小球藻抽到出水箱，氧氣在出水箱釋放。

4.2.2?硬件清單

硬件清單如表2所示。

總流程如圖2所示。

參考文獻(xiàn)

[1]趙麗華，吳沿友，謝騰祥，李海濤，張開(kāi)艷，杭洪濤.微藻CO₂同化過(guò)程的穩(wěn)定碳同位素分餾值[J].中國(guó)巖溶，2016，35（04）：357-362.

[2]華汝成.小球藻的培養(yǎng)和利用[J].生物學(xué)教學(xué)，1959（01）：18-20.

[3]甄肖霞.通過(guò)控制二氧化碳含量來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和優(yōu)化空氣質(zhì)量[J].制冷，2004（02）：67-70.

[4]張麗.利用沼液培養(yǎng)微藻凈化沼氣的研究[D].復(fù)旦大學(xué)，2014.

收稿日期：2019-07-26

作者簡(jiǎn)介：區(qū)冠彥，男，漢族，廣東廣州人。

通訊作者：曾杰（1988—），男，漢族，廣東梅州人，研究生，二級(jí)教師，研究方向：植物病理學(xué)。