Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xử lý co2 nhằm thu sinh khối vi tảo chlorella sorokiniana th02 trên hệ phản ứng panel phẳng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Ngọc Vinh ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CO2 NHẰM THU SINH KHỐI VI TẢO CHLORELLA SOROKINIANA TH02 TRÊN HỆ PHẢN ỨNG PANEL PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội, 10/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Ngọc Vinh ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CO2 NHẰM THU SINH KHỐI VI TẢO CHLORELLA SOROKINIANA TH02 TRÊN HỆ PHẢN ỨNG PANEL PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 8 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC, VẬT LIỆU, LUYỆN KIM VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn: TS. Trần Đăng Thuần Hà Nội, 10/2021 i LỜI CAM ĐOAN Luận văn của tôi có sử dụng và kế thừa số liệu của đề tài nghiên cứu khoa học cơ bản lĩnh vực Khoa học và Công nghệ Biển “Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện môi trường, dinh dưỡng, và thiết bị phản ứng đến năng suất sinh khối và hoạt tính sinh học của vi tảo Chlorella sorokiniana” với mã số KHCBBI:01/19-21 chủ trì bởi Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu xử lý CO2 nhằm thu sinh khối vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 trên hệ phản ứng panel phẳng” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chưa được công bố trong các công trình khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2021. Học viên Nguyễn Ngọc Vinh ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, lòng kính trọng đến thầy TS. Trần Đăng Thuần đã luôn dành nhiều thời gian, công sức, sự quan tâm, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình học tập, thực hiện đề tài. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc Học viện Khoa học và Công nghệ, phòng Đào tạo và Khoa Công nghệ môi trường của Học viện đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh chị Phòng Hóa học xanh (Viện Hóa học) cũng như các em sinh viên nghiên cứu khóa 12 của trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tại các phòng thí nghiệm trên đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện các thí nghiệm đề tài. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... vii MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………..1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ CO2 ............................................................................. 3 1.2. CÁC NGUỒN PHÁT THẢI KHÍ CO2 VÀ TÍCH LŨY CO2 TRONG KHÍ QUYỂN ..................................................................................................... 5 1.3. NHỮNG HỆ QUẢ CỦA SỰ PHÁT THẢI CO2 ...................................... 6 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CO2 ........................................................ 6 1.4.1. Phương pháp hóa lý................................................................................. 6 1.4.2. Phương pháp màng.................................................................................. 7 1.4.3. Kỹ thuật chôn CO2 dưới tầng địa quyển ................................................. 7 1.4.4. Xử lý cacbon bằng vi tảo ........................................................................ 8 1.5. SƠ LƯỢC VỀ VI TẢO........................................................................... 10 1.5.1. Sơ lược về vi tảo Chlorella sorokiniana ............................................... 10 1.5.2. Cơ chế chuyển hóa cacbon trong vi tảo ................................................ 11 1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi tảo ........... 12 1.6. ỨNG DỤNG CỦA VI TẢO Chlorella ................................................... 18 1.6.1. Nhiên liệu sinh học ............................................................................... 18 1.6.2. Thức ăn cho người và động vật............................................................. 19 1.6.3. Sản xuất phân bón sinh học................................................................... 19 1.6.4. Sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm ............................................................. 20 iv CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................................................................... 21 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................. 21 2.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................................... 21 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................ 21 2.3.1. Hóa chất ................................................................................................ 21 2.3.2. Thiết bị & dụng cụ ................................................................................ 23 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm .................................................................... 26 2.3.4. Phương pháp phân tích .......................................................................... 31 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 35 3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CO2 ĐẾN NĂNG SUẤT SINH KHỐI VÀ HIỆU SUẤT CỐ ĐỊNH CO2 CỦA C. SOROKINIANA TH02 ........ 35 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ÁNH SÁNG ĐẾN TĂNG TRƯỞNG CỦA VI TẢO…………………………………………………………………… 41 3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ SỤC KHÍ ĐẾN TĂNG TRƯỞNG CỦA VI TẢO ................................................................................................... 43 3.4. TĂNG TRƯỞNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT XỬ LÝ CO2 CỦA C. SOROKINIANA TH02 NUÔI TRONG HỆ PHẢN ỨNG PANEL PHẲNG NGOÀI TRỜI .......................................................................... 46 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 53 KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 54 PHỤ LỤC ....................................................................................................... 62 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên viết tắt DIC ECO2 FCO2 FPA Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt Dissolved inorganic carbon Carbon dioxide fixation Hiệu suất cố định CO2 trong sinh efficiency khối vi tảo Lượng CO2 cố định trong sinh khối Carbon dioxide fixation Flat-panel vi tảo airlift Hệ thống bể phản ứng quang sinh photobioreactor dạng panel phẳng – tấm phẳng FPP Flat-panel photobioreactor FR CO2 Carbon dioxide fixation rate H-T PBR µ MTA PBR Cacbon vô cơ hòa tan Hệ thống bể phản ứng quang sinh dạng tấm phẳng Tốc độ cố định CO2 trong sinh khối vi tảo Helical-tubular Hệ thống bể phản ứng quang sinh photobioreactor dạng hình vành khuyên Specific growth rate Tốc độ tăng trưởng đặc trưng Multi-tubular airlift Hệ thống bể phản ứng quang sinh photobioreactor dạng ống đứng ND Not determined Không xác định NDIR Nondispersive infrared detector Dầu dò cảm biến hồng ngoại P Biomass productivity Năng suất sinh khối RT Residence time Thời gian lưu SDIC Saturated dissolved inorganic carbon Cacbon vô cơ hòa tan bão hòa TCD Thermal conductivity detector Đầu dò dẫn nhiệt TN Total nitrogen Tổng số nitơ TOC Total organic carbon Tổng cacbon hữu cơ UV-Vis X Ultraviolet–visible spectroscopy Biomass concentration Máy đo quang phổ Nồng độ sinh khối vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. 1. Tảo lục Chlorella. .......................................................................... 11 Hình 1. 2. Sơ đồ mô tả chuyển hóa cacbon trong tế bào vi tảo Chlamydomonas [39]. ................................................................................................. 12 Hình 1. 3. Hệ thống phản ứng nuôi vi tảo cố định CO2. Hệ thống mở (A), hệ thống kín (B) ................................................................................... 16 Hình 1. 4. Thiết kế thiết bị phản ứng dạng panel phẳng ................................. 17 Hình 2. 1. Nhân nuôi tảo Chlorella sorokiniana TH02 giống. Trong bình tam giác 500 mL (A), trong chai trung tính 5 L (B)……………………27 Hình 2. 2. Mô hình thiết bị phản ứng panel phẳng (A) và mô hình thiết bị thực (B). .................................................................................................. 29 Hình 3. 1. Sự biến đối pH (A) và nồng độ sinh khối (B) của C. sorokiniana TH02 nuôi dưới nồng độ CO2 khác nhau…………………………36 Hình 3. 2. Nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bão hòa trong môi trường nuôi tảo dưới nồng độ CO2 sục khác nhau. SDIC: saturated dissolved inorganic carbon (cacbon vô cơ hòa tan bão hòa). ......................... 39 Hình 3. 3. Tốc độ tăng trưởng riêng (μ, ngày–1), sinh khối khô (X, g/L) của C. sorokiniana TH02 và pH của môi trường nuôi dưới điều kiện cường độ ánh sáng khác nhau. ................................................................... 42 Hình 3. 4. pH môi trường nuôi và tốc độ tăng trưởng riêng (A), năng suất sinh khối và nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bão hòa trong môi trường nuôi tảo (B) dưới tốc độ sục khí khác nhau. Tốc độ tăng trưởng riêng (µ, ngày–1), nồng độ cacbon vô cơ bão hòa (SDIC, mM), năng suất sinh khôi (P, mg/L∙ngày). ....................................................................... 46 Hình 3. 5. Biến thiên nhiệt độ và cường độ ánh sáng (A), nồng độ sinh khối và pH của môi trường nuôi (B), tốc độ cố định CO2 và năng suất sinh khối (C). .......................................................................................... 48 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1. Một số nghiên cứu sử dụng thiết bị panel phẳng kết hợp nuôi vi tảo thu sinh khối và xử lý CO2. ............................................................ 18 Bảng 2. 1. Các hoá chất thí nghiệm………………………………………… 22 Bảng 2. 2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm. ..................................................... 24 Bảng 2. 3. Thành phần dinh dưỡng môi trường BG 11. ................................. 27 Bảng 2. 4. Nồng độ CO2 khác nhau điều chỉnh bởi lưu lượng CO2 và lưu lượng không khí thông qua lưu lượng kế. ...................................... 29 Bảng 3.1. Năng suất sinh khối, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 của C. sorokiniana TH02 nuôi dưới nồng độ CO2 sục khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy……………………………………………………..37 Bảng 3.2. Thành phần các nguyên tố trong sinh khối C. sorokiniana TH02 nuôi dưới nồng độ CO2 khác nhau. ................................................ 37 Bảng 3. 3. Sinh trưởng của vi tảo dưới các nồng độ CO2 khác nhau. ............ 40 Bảng 3.4. Năng suất sinh khối, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 của ............. 43 Bảng 3.5. Năng suất sinh khối, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 của C. sorokiniana TH02 nuôi dưới tốc độ sục khí khác nhau sau 7 ngày nuôi cấy........................................................................................... 45 Bảng 3. 6. So sánh nồng độ và năng suất sinh khối của vi tảo Chlorella nuôi trong các hệ thiết bị quang sinh. ..................................................... 50 Bảng 3. 7. So sánh hàm lượng nguyên tố trong sinh khối tảo nuôi trong các hệ phản ứng quang sinh khác nhau. .................................................... 52 1 MỞ ĐẦU Từ năm 1990, lượng khí nhà kính đã làm gia tăng 41% tổng bức xạ, nhân tố gây ra quá trình nóng lên toàn cầu. Trong đó, khí carbon dioxide (CO 2) chiếm 82% lượng bức xạ gia tăng trong thập niên vừa qua. Tình trạng thải khí CO2 đã đạt đến những kỷ lục vào năm 2017 và 2018. Đến năm 2021, nồng độ CO2 trong khí quyển đã lên mức trung bình toàn cầu 415 ppm, cao hơn gần 50% so với giai đoạn trước khi diễn ra cuộc cách mạng công nghiệp, và đang tiếp tục tăng cao hơn nữa. Tác động của sự nóng lên của trái đất đã dẫn đến những ảnh hưởng nghiêm trọng cho môi trường toàn cầu (thời tiết khắc nghiệt, mực nước biển dâng lên, phá hủy hệ sinh thái và những tác động thay đổi đột ngột trên diện rộng) và hệ thống xã hội (suy giảm khu môi trường cư trú, phá hủy nền kinh tế và cơ sở hạ tầng). Việt Nam là quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề nhất từ hệ quả của biến đổi khí hậu. Đặc biệt, sản xuất nông nghiệp của Việt Nam bị ảnh hưởng nghiêm trọng và suy giảm trong những năm vừa qua do sự xâm lấn của nước biển, cường độ và mật độ cao của thiên tai như bão, hạn hán, lũ lụt, và sự bùng phát của bệnh dịch. Không những thế, thời tiết khắc nghiệt đã làm thay đổi không nhỏ đến môi trường sống và sức khỏe (xuất hiện nhiều dịch bệnh) của người dân Việt Nam. Hơn thế nữa, sự tăng lên của nhiệt độ khí quyển làm biến đổi tốc độ bốc hơi và tần suất mưa, từ đó làm ảnh hưởng đến tính sẵn có và chất lượng nguồn tài nguyên nước trên lãnh thổ Việt Nam. Biến đổi khí hậu cũng đe dọa nghiêm trọng đến nhiều hệ sinh thái, đặc biệt là sinh thái rừng ngập mặn. Đã có nhiều công nghệ được phát triển nhằm hạn chế sự phát thải CO2 ra khí quyển, trong đó chủ yếu là công nghệ xử lý CO2 cuối nguồn. Các công nghệ xử lý CO2 cuối nguồn bao gồm công nghệ màng tách CO2 từ khí thải công nghiệp, hấp phụ, hấp thụ dùng dung môi (amine hoặc K2CO3), kỹ thuật đóng rắn CO2, bơm xuống tầng sâu của đáy biển, hoặc chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm như polymer. Tuy nhiên, phương pháp tích trữ địa chất và hóa học rất tốn kém và không được đánh giá là bền vững vì CO2 có thể bị rò rỉ chậm hoặc nhanh. Mỗi công nghệ đều có những ưu và nhược điểm riêng. Xử lý CO2 bằng vi tảo là một công nghệ tiềm năng, bởi vì vi tảo sinh trưởng nhanh và có tốc độ xử lý CO2 cao gấp 10-50 lần thực vật. 2 Ở Việt Nam, vi tảo lam - Spirulina platensis đã được sử dụng để xử lý CO2 từ khí thải than (của nhà máy gạch) và sản xuất sinh khối có dinh dưỡng cao làm nguyên liệu cho sản xuất thực phẩm bảo vệ sức khoẻ. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng CO2 thải từ các hoạt động công nghiệp tại Việt Nam (ví dụ: nhà máy điện đốt than, nhà máy xi măng, nhà máy chế biến khí tự nhiên, vv) là một nguồn cacbon tiềm năng để sản xuất sinh khối vi tảo có giá trị cao. Mặc dù kết quả nghiên cứu sử dụng CO2 thải để sản xuất sinh khối tảo Spirulina platensis rất hiệu quả, tuy nhiên còn nhiều loài vi tảo từ của Việt Nam chưa được nghiên cứu để hấp thụ CO2 và cung cấp sinh khối làm nguyên liệu để khai thác các hợp chất thứ cấp. Vi tảo lục Chlorella sorokiniana TH02 có khả năng tăng trưởng nhanh và có khả năng sử dụng nguồn CO2 để sinh trưởng. Vì vậy, trong luận văn này chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý CO2 nhằm thu được sinh khối vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 trên hệ phản ứng panel phẳng”. Các kết quả nghiên cứu thu được trong luận văn sẽ làm sáng tỏ khả năng sử dụng và cố định CO2 của chủng Chlorella sorokiniana TH02 trong hệ thống nuôi kín dạng panel phẳng. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ CO2 1.1.1. Khái niệm, tính chất hóa lý a. Khái niệm: Cacbon điôxít hay điôxít cacbon (các tên gọi khác than khí, anhiđrít cacbonic, khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy. Là một hợp chất hóa học được biết đến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo công thức hóa học là CO2. Ở dạng rắn, nó được gọi là băng khô. b. Các thuộc tính hóa lý: Cacbon đioxit là một khí không màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng. Các hiệu ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axit cacbonic. Tỷ trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg/m3, nặng hơn khoảng 1,5 lần không khí. Phân tử cacbon đioxit (O = C = O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện. Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động mạnh lắm và cụ thể là không cháy. Ở nhiệt độ dưới -78 °C, cacbon đioxit ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khô. Cacbon đioxit lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar; ở điều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa. Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định cacbon đioxit, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén. Khoảng 1% cacbon đioxit hòa tan chuyển hóa thành axit cacbonic. Axit cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO 3−) và cacbonat (CO32−). Khi một nguồn lửa được đưa vào ống thử có chứa cacbon đioxit thì ngọn lửa sẽ tắt ngay lập tức do cacbon đioxit thông thường không duy trì sự cháy, 4 tuy nhiên nếu là sự cháy của các kim loại mang tính khử cao như Mg, Zn thì cacbon bị khử, tạo ra oxit kim loại và muội than. Để xác nhận khí này là cacbon đioxit thì khí được dẫn qua dung dịch canxi hydroxit (Ca(OH)2) trong. Dung dịch canxi hydroxit sẽ chuyển thành màu trắng do sự tạo thành canxi cacbonat. c. Ứng dụng Cacbon đioxit lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh [1]. Cacbon đioxit được sử dụng để sản xuất nước giải khát cacbonat hóa và nước soda. Theo truyền thống, quá trình cacbonat hóa trong bia và vang nổ có được do lên men tự nhiên, nhưng một số nhà sản xuất cacbonat hóa các đồ uống này một cách nhân tạo [2]. Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột bị phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axit. Cacbon đioxit dập tắt lửa, và một số bình cứu hỏa, đặc biệt là các loại được thiết kể để dập cháy do điện, có chứa cacbon điôxít lỏng bị nén. Cacbon điôxít cũng được sử dụng như là môi trường khí cho công nghệ hàn, mặc dù trong hồ quang thì nó phản ứng với phần lớn các kim loại. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô mặc dù có chứng cứ đáng kể cho thấy khi hàn trong môi trường này thì mối hàn giòn hơn so với các mối hàn trong môi trường các khí trơ, và các mối hàn này theo thời gian sẽ giảm phẩm cấp do sự tạo thành của axít cacbonic. Nó được sử dụng làm việc này chủ yếu là do nó có giá thành thấp hơn nhiều so với các khí trơ như agon hay heli. Cacbon đioxit lỏng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, và được dùng để loại bỏ cafein từ cà phê. Nó cũng bắt đầu nhận được sự chú ý của công nghiệp dược phẩm và một số ngành công nghiệp chế biến hóa chất khác do nó là chất thay thế ít độc hơn cho các dung môi truyền thống như các clorua hữu cơ. 5 Thực vật cần có cacbon đioxit để thực hiện việc quang hợp, và các nhà kính có thể được làm giàu bầu khí quyển của chúng bằng việc bổ sung CO2 nhằm kích thích sự tăng trưởng của thực vật [3] và tảo [4]. Nồng độ cao của cacbon đioxit trong khí quyển tiêu diệt có hiệu quả nhiều loại sâu hại. Các nhà kính được nâng nồng độ CO2 tới 10.000 ppm (1%) trong vài giờ để tiêu diệt các loại sâu bệnh như rầy trắng (họ Aleyrodidae), nhện v.v [5]. Trong y học, tới 5% cacbon đioxit được thêm vào oxy nguyên chất để trợ thở sau khi ngừng thở và để ổn định cân bằng O2/CO2 trong máu. Cacbon đioxit cũng hay được bơm vào hay gần với các giếng dầu [6]. Nó có tác dụng như là tác nhân nén và khi hòa tan trong dầu thô dưới lòng đất thì nó làm giảm đáng kể độ nhớt của dầu thô, tạo điều kiện để dầu chảy nhanh hơn trong lòng đất vào các giếng hút. Trong các mỏ dầu đã hoàn thiện thì một hệ thống ống đồ sộ được sử dụng để chuyển cacbon đioxit tới các điểm bơm. 1.2. CÁC NGUỒN PHÁT THẢI KHÍ CO2 VÀ TÍCH LŨY CO2 TRONG KHÍ QUYỂN Cacbon điôxít phát ra từ hai nguồn chính là từ tự nhiên và nhân tạo . Đối với nguồn tự nhiên, cacbon điôxít có thể thoát ra từ các núi lửa, hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí, một số vi sinh vật sản xuất từ sự lên men và sự hô hấp của tế bào, các loài thực vật hấp thải điôxít cacbon trong quá trình hô hấp . Đối với nguồn nhân tạo, cacbon điôxít được tạo và thoát ra từ các quá trình công nghiệp đốt nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí hóa lỏng, công nghiệp xi măng và nông nghiệp [7]. Nguồn cacbon điôxít tự nhiên được tạo ra nhằm duy trì chu trình cân bằng cacbon trong tự nhiên. Tuy nhiên, do sự phát triển công nghiệp sau cách mạng công nghiệp, lượng nhiên liệu hóa thạch đã và đang được khai thác sử dụng cạn kiệt, đồng thời thải ra một lượng lớn cacbon điôxít tích lũy trong khí quyển làm mất cân bằng tự nhiên của cabon và gây ra hiệu ứng nhà kính. Số liệu mới nhất công bố cho thấy nồng độ CO2 trung bình trong khí quyển đo được cuối năm 2020 là 415 ppm (nồng độ theo khối thể tích) tương đương với 630 ppm (nồng độ theo khối lượng). Nồng độ này dao động nhẹ theo 6 mùa trong năm, có xu hướng giảm xuống trong điều kiện thời tiết mùa xuân và mùa hè do hai mùa này thực vật phát triển mạnh nên hấp thụ một lượng lớn CO2. Ngược lại, trong mùa thu và mùa đông, nồng độ CO2 trong khí quyển có xu hướng tăng do thực vật rụng lá, chết hoặc phân hủy. Hoạt động phát triển của con người thải ra hơn 30 tỷ tấn CO2/năm (tương đương tiêu thụ 9 tỷ tấn nhiên liệu hóa thạch), trong khi núi lửa chỉ làm thoát ra có 0,2 – 0,3 tỷ tấn CO2. Hoạt động của con người làm tăng nồng độ CO2 cao hơn mức CO2 đo được trong khí quyển từ hàng trăm nghìn năm trước và hơn một nửa lượng CO 2 trong khí quyển hiện nay không được hấp thụ bởi thực vật và biển. Như vậy, nếu sự phát triển của xã hội loài người vẫn thải ra CO2, thì lượng thải thêm này tích lũy vào khí quyển và tăng sự nghiệm trọng của hiệu ứng nhà kính. 1.3. NHỮNG HỆ QUẢ CỦA SỰ PHÁT THẢI CO 2 Bên cạnh những ứng dụng trên thì tác hại của khí CO 2 mang lại cho môi trường sống của chúng ta cũng rất lớn. Việc gia tăng lượng CO2 trong khí quyển làm trầm trọng thêm hiệu ứng nhà kính và vì thế làm tăng sự ấm toàn cầu. Một số hệ quả mà loài người đã và đang sẽ phải đối mặt là hạn hán, lũ lụt, băng tan và nước biển dâng, bệnh dịch, nhiều hệ sinh thái bị biến mất ở nhiều khu vực địa lý của thế giới. Đây là một vấn đề nhức nhối hiện nay đe dọa trực tiếp đến sự sống của con người. 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CO2 1.4.1. Phương pháp hóa lý Các phương pháp hóa lý được nghiên cứu và ứng dụng gồm hấp phụ, hấp thụ, phản ứng hóa học nhằm thu lại hoặc chuyển hóa CO2 thành chất ít hoặc không gây hiệu ứng nhà kính. Hấp thụ CO2 có thể dụng các dung môi của nhóm amin (ví dụ: ethanolain,..) [8], ammoniac [9], K2CO3 [10] hoặc là nước. Đối với dung dịch của nhóm amin, hệ số hấp thụ cao dưới áp suất cao nhưng hiệu suất thu hồi CO2 phụ thuộc vào khả năng giải hấp thụ của dung môi và nhiệt độ (thường nghiệt độ cao). Ngoài ra, các dung môi amin thường có tính ăn mòn nên yêu cầu trang thiết bị đầu tư tốn kém. Amoniac cũng khá hiệu quả, có khả năng giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,015% nhưng có hạn chế là khi sử 7 dụng phương pháp này rất dễ dẫn đến việc thải khí NH3 ra ngoài môi trườngmột trong những loại khí gây hại khá lớn đối với sức khỏe. Dung dịch K2CO3 có đặc tính ôn hòa trong hấp thụ CO2, nên phải dùng nồng độ K2CO3 cao từ 3040% [10]. Xử lí khí thải CO2 bằng phương pháp hấp phụ sử dụng nước, đây là phương pháp đơn giản, những hạn chế trong việc hòa tan CO2 trong nước, cần lượng nước lớn, bình chứa có dung tích cao và áp suất lớn. Một số nghiên cứu dùng vật liệu xốp hấp phụ CO2, vật liệu chứng tỏ khả năng hấp phụ CO2 cao, nhưng vấn đề lớn vẫn là giải hấp phụ CO2 ra để thu hồi [11]. 1.4.2. Phương pháp màng Nguyên lý của màng lọc khí rất đơn giản: nó bao gồm một màng mỏng và xốp hoạt động như một bộ lọc các hỗn hợp khí thải. Nó chỉ cho phép CO2 đi qua nhờ vào sự chênh lệch áp suất giữa 2 bên màng nhưng ngăn cản oxy, nitơ và các khí khác đi theo [12]. Không giống như các phương pháp hóa học hiện có để thu giữ CO2 từ các nhà máy công nghiệp, màng lọc khí dễ lắp đặt và có thể hoạt động không cần giám sát trong thời gian dài mà không cần thêm chi phí năng lượng bổ sung. Các thiết bị màng lọc khí cần có áp lực lớn ở một bên và thường là chân không ở một bên kia để duy trì dòng khí lưu thông tự do. Đó là lý do tại sao tính chọn lọc và tính thấm của vật liệu rất quan trọng để phát triển công nghệ. Màng lọc khí là một công nghệ đầy hứa hẹn nhưng vẫn đang trong giai đoạn phát triển để ứng dụng trong việc giảm lượng khí thải CO 2 đi vào khí quyển từ sự đốt cháy hoặc khói thải ra bởi các ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch [13]. 1.4.3. Kỹ thuật chôn CO2 dưới tầng địa quyển Trên thế giới do hàm lượng CO2 phát thải ra rất nhiều mà khí CO2 là chất khí trơ ít gây phản ứng với các chất khác cho nên người ta đã tìm cách nén khí ở áp suất cao trong các téc rồi đưa xuống đáy đại dương. Tuy nhiên đây là một phương pháp khá tốn kém và khó thực hiện. Hơn nữa CO2 có thể bị rò rỉ và phát thải quay trở lại khí quyển [14]. 8 1.4.4. Xử lý cacbon bằng vi tảo 1.4.4.1. Nghiên cứu ngoài nước về vi tảo xử lý CO2 Nhiều nghiên cứu công bố rằng, có đa dạng các chủng vi tảo đã được áp dụng để chuyển hóa CO2, như Chlorella sp. [15], Scenedesmus obliquus [16], Spirullina sp. [17], Nannochloropsis limnetica, Botryococcus braunii, và Stichococcus bacillaris [18], Haematococcus pluvialis [19] vì chúng có khả năng chịu đựng được nồng độ CO2 lên tới 10-34%, trong khi vẫn sinh trưởng tốt, hiệu suất cố định CO2 cao. Theo tính toán của các nhà khoa học trên thế giới, vi tảo tiêu thụ khoảng 2 kg CO2 để sản xuất 1 kg sinh khối [20], do đó quá trình cố định CO2 bằng vi tảo là một công nghệ tiềm năng, nó cung cấp một công cụ sinh học bền vững nhằm giảm thiểu khí nhà kính thải ra từ công nghiệp. Có nhiều yếu tố (bao gồm chủng vi tảo, thành phần khí thải công nghiệp (CO2, CO, NOx, SOx, CxHy, kim loại nặng...), hiệu suất chuyển khối của CO2, loại thiết bị phản ứng, ánh sáng, nhiệt độ, …) ảnh hưởng đến hiệu suất cố định CO2 nhờ vi tảo từ khí thải công nghiệp, trong đó chủng vi tảo là yếu tố quan trọng nhất vì khả năng tiêu thụ CO2 của mỗi vi tảo rất khác nhau. Do vậy, sàng lọc những ứng viên vi tảo (từ tập hợp nhiều vi tảo) có khả năng chịu CO 2 nồng độ cao và hiệu suất cố định CO2 cao là rất cần thiết. Vi tảo được dùng trong nghiên cứu cố định sinh học CO2 bao gồm Chlorella sp. [15], Scenedesmus sp. [16], và Dunaliella tertiolecta [21]. Tác giả Li và đồng nghiệp [22] phát triển hệ thống phản ứng thử nghiệm cố định CO2 từ khí thải công nghiệp thực dùng vi tảo Scenedesmus obliquus báo cáo rằng, vi tảo S. obliquus có thể sinh trưởng ở nồng độ 12% CO2 với hiệu suất cố định CO2 đạt 67%. Vi tảo Scenedesmus obliquus và Chlorella pyrenoidosa có thể sinh trưởng tốt ở nồng độ 50% CO2 và sinh khối đạt 0,69 g/L, tuy nhiên sinh khối đạt cực đại là 1,22 g/L ở 10% CO2 [23]. Những nghiên cứu điển hình sử dụng vi tảo để cố định CO 2 và sản xuất sinh khối và biodiesel có Shih-Hsin Ho và các đồng nghiệp đã sử dụng quy trình nuôi cấy 2 giai đoạn chủng vi tảo Scenedesmus obliquus CNW-N để cố định khí nhân tạo chứa 10% CO2 [24]. Kết quả cho thấy, tốc độ tiêu thụ CO2 được tính là 549,9 mg/L∙ngày, trong khi đó hiệu suất sinh khối và chất béo là 9 292,5 và 78,73 mg/L∙ngày. Tương ứng kết quả này là cao hơn số liệu của các nghiên cứu tương tự công bố trên các tạp chí chuyên ngành [24]. Một bài báo khác của Jiang và cộng sự tóm tắt rằng tốc độ sinh trưởng của chủng Nannochloropsis sp. tăng lên 58% từ 0,33 ngày–1 đến 0,52 ngày–1 khi nuôi cấy trong nước thải đô thị dùng 15% CO2 từ khí nhân tạo, điều đó chứng minh rằng CO2 nồng độ cao kích thích tăng trưởng sinh khối tảo trong thời gian ngắn hơn [25]. Vi tảo Scenedesmus dimorphus được nuôi cấy tự dưỡng dùng 2%, 10%, và 20% CO2, cho kết quả nồng độ sinh khối cực đại tương ứng là 4,41, 3,82, và 5,17 g/L, đã cho thấy rằng S. dimorphus vẫn sinh trưởng tốt trong dải nồng độ CO2 từ 10-20%, mặc dù nồng độ sinh khối cực đại đạt được khi dùng 2% CO2 [26]. Trong khi đó, các vi tảo như Chlorella sp. [27], Scenedesmus obliquus [28] có thể tích lũy hàm lượng chất béo cao trong điều kiện tối ưu của hàm lượng nitơ, cường độ ánh sáng, nhiệt độ, độ muối, nồng độ CO 2 và điều kiện nuôi nuôi cấy. Vì vậy, năng suất sinh khối và lipit, hiệu suất cố định CO2 có thể được tối ưu để sản suất sinh khối tảo có hàm lượng lipit cao. 1.4.4.2. Nghiên cứu trong nước về vi tảo xử lý CO2 Nghiên cứu về ứng dụng vi tảo trong xử lý CO2 ở Việt Nam chủ yếu bởi nhóm của GS.TS. Đặng Đình Kim dùng Spirulina platensis để cố định CO2 kết hợp với sản xuất sinh khối hàm lượng dinh dưỡng cao làm nguyên liệu để sản xuất thực phẩm chức năng [29-31]. Điển hình có tác giả Đoàn Thị Oanh và cộng sự nghiên cứu nuôi S. plantensis trong bình 1L (đường kính trong 60 mm × chiều cao 412 mm) trong môi trường Zarrouk hiệu chỉnh (1,6 g/L NaHCO3 và 2 g/L Na2CO3) và sục CO2 với nồng độ 1,2% từ bình CO2 sạch và khí thải nhà máy gạch tunnel (đã qua xử lý) trong điều kiện ánh sáng và nhiệt độ tương ứng là 20 µmol/m2∙s và 27-32 oC [31]. Kết quả cho thấy tốc độ tăng trưởng của tảo lam S. plantensis từ hai nguồn CO2 là như nhau, đặc biệt đối với CO2 lấy từ nhà máy gạch vi tảo còn phát triển tốt hơn ở tuần cuối cùng quá trình nuôi cấy. Lý do được giải thích là trong thành phần khí thải nhà máy gạch có một lượng nhỏ NOx, khi sục trong môi trường Zarrouk sẽ hòa tan và tạo ra nguồn nitơ dinh dưỡng hỗ trợ vi tảo S. plantensis phát triển nhanh hơn [30, 32]. Thêm nữa, thí nghiệm ở bể hở có diện tích 25 m2 (có khuấy trộn hoàn lưu) cho thấy, tảo lam 10 S. plantensis phát triển tốt trong môi trường Zarrouk hiệu chỉnh nhờ sục nguồn CO2 từ nhà máy gạch tunnel, năng suất sinh khối đạt 10 g/(m2∙ngày) với điều kiện ánh sáng và nhiệt độ trung bình ngoài trời là 100 µmol/m2∙s và 27-32oC, tương ứng. Sinh khối vi tảo thu hoạch được có hàm lượng dinh dưỡng cao, trong đó protein và lipit chiếm tương ứng là 62,58% và 8,72% sinh khối khô, trong khi đó hàm lượng các kim loại nặng như chì (Pb), cadimi (Cd), asen (As), và thủy ngân (Hg) đã được phân tích có giá trị dưới ngưỡng an toàn và đạt tiêu chuẩn quốc gia về thực phẩm bảo vệ sức khỏe của Việt Nam [31]. Kết quả nghiên cứu trên chỉ ra rằng, CO2 thải ra từ các ngành công nghiệp của Việt Nam là một nguồn cacbon tiềm năng để nuôi cấy vi tảo lam S. plantensis (nói riêng) [31] và vi tảo (nói chung) [33]. Mặc dù có những kết quả tốt đạt được khi dùng tảo lam S. plantensis cố định CO2 kết hợp với sản xuất sinh khối giàu dinh dưỡng, tuy nhiên nhiều chủng vi tảo khác từ môi trường tự nhiên của Việt Nam chưa được khám phá và nghiên cứu để cố định và chuyển hóa CO2 và sản xuất sinh khối. 1.5. SƠ LƯỢC VỀ VI TẢO 1.5.1. Sơ lược về vi tảo Chlorella sorokiniana Chlorella sorokiniana là một loài tảo lục đơn bào, thuộc về ngành Chlorophyta. Chlorella sorokiniana có dạng hình cầu, đường kính khoảng 210 μm và không có tiêm mao. Chlorella có màu xanh lá cây nhờ sắc tố quang hợp chlorophyll-a và b trong lục lạp. Thông qua quang hợp nó phát triển nhanh chóng chỉ cần lượng khí carbon dioxide, nước, ánh sáng mặt trời, và một lượng nhỏ các khoáng chất để tái sản xuất. Tên Chlorella được lấy từ tiếng Hy Lạp “chloros” có nghĩa là màu xanh lá cây và phần hậu tố lấy từ tiếng Latin có nghĩa là “nhỏ bé” [34]. Hầu như tất cả các dạng đều có lục lạp chứa chlorophyll a và b, đem lại cho chúng một màu xanh sáng (cũng như các sắc tố phụ beta carotene và xanthophyll), và đã xếp chồng lên nhau màng thylakoid. Tất cả các loại tảo lục có ty thể với cristae phẳng. Các sản phẩm dự trữ cho các thành viên của nhóm này là tinh bột, amylose và amylopectin (liên kết α-1,4-polyglucans), và được tìm thấy bên trong lục lạp. Tinh bột (được xem như là hạt màu trắng với TEM) 11 thường có thể quan sát xung quanh pyrenoid, một cấu trúc hình cầu khác biệt trong lục lạp [35]. Hình 1. 1. Tảo lục Chlorella. (Nguồn:http://smarc-chemicals.com/n18-Chlorella-mon-qua-vo-gia.html) 1.5.2. Cơ chế chuyển hóa cacbon trong vi tảo Quá trình quang hợp hấp thụ CO2 ở tảo diễn ra tương tự như ở thực vật [36]. Là quá trình thu nhận và chuyển hóa năng lượng ánh sáng Mặt trời của tảo để tạo ra hợp chất hữu cơ phục vụ bản thân cũng như làm nguồn thức ăn cho hầu hết các sinh vật trên Trái Đất [37]. Quang hợp trong tảo thường liên quan đến chất tố diệp lục màu xanh và tạo ra oxy như một sản phẩm phụ. Năng lượng hóa học này được lưu trữ trong các phân tử carbohydrate như đường, và được tổng hợp từ carbon dioxit và nước. Ở tảo thì quá trình này hấp thụ khí CO2 lớn hơn ở thực vật khoảng 5 – 10 lần [38]. Đây là một biện pháp xử lí khí CO2 rất hiệu quả đạt được hiệu suất cao.