探究小球藻對空氣凈化作用以及凈化設備的制作

區冠彥 曾文翼 揭一洪天 曾杰

摘 ?要：在缺少大型通風設備的建筑物，如學校和老式的辦公室內，我們常感覺空氣不流通而產生的低落情緒，我們認為主要的原因是室內缺少綠色植物，導致二氧化碳濃度過高，使人產生困倦，疲勞的感覺，對人的判斷能力產生不良影響。對此，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，并且同時解決常規的桌面植物需要泥土和肥料而容易弄臟桌面;且設備占用空間大、效率低;室內光照不足;植物容易死亡等的問題。因此，我們設計了這個利用小球藻凈化室內，尤其是凈化桌面附近范圍內空氣的裝置。

關鍵詞：小球藻;二氧化碳;空氣凈化;環境優化

中圖分類號：X173 ???文獻標識碼：A ???文章編號：1671-2064（2019）17-0000-00

1 室內空氣污染成因及影響

1.1普通高中課室空氣環境

據我們觀察，由于室內引入能釋放有害物質的污染源或室內環境通風不佳，通風設施老舊而規模較小，通常只有少量的10寸大小排氣扇，導致室內空氣中有害物質無論數量上還是種類不斷增加，并引起人的一系列不適癥狀，這是因為室內空氣受到了污染。就環境污染對人體健康的影響而言，由于人們生活、工作在室內環境的時間長，室內通風狀況不良、不利于污染物稀釋擴散自凈等原因，室內環境質量比室外環境質量顯得更為重要。室內空氣污染與大氣污染由于所處的環境不同，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。通常室內沒人、門窗打開、建筑物的氣密度低會使二氧化碳濃度降低，因而可以降低對室內的送風需求，采用需求控制系統可以大大節約能源。不過值得注意的是，二氧化碳濃度，但卻導致室內空氣質量嚴重下降^[3]。因此，有必要采取一些措施使在通風不良的室內中減少二氧化碳含量。

尤其是夏季高溫下，我們都緊閉門窗，享受著空調的涼爽，難免會讓室內空氣中的二氧化碳含量超標，導致頭痛、胸悶、易疲勞、煩躁、皮膚過敏等，其實這些都是由于室內缺氧造成的。而在酷熱的夏季，空調開啟，使室內空氣中二氧化碳濃度增加。

1.2 概念構想

據研究，小球藻對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，在20%的高濃度 CO₂中也有良好的生長;小球藻的生物量對CO₂去除率的影響表現為起初CO₂去除率隨小球藻生物量的增加而迅速提高。在小球藻培養至第3天，藻干重為624mg/L時，CO₂的去除率達到最大為68%，之后隨小球藻生物量的增加而逐漸降低^[4]。

基于 1.1 中的空氣質量問題，我們希望設計一種設備，在室內進行空氣凈化，功能主要實現減少室內二氧化碳濃度，增加氧氣濃度，與此同時兼顧美觀和便捷性。

2 方案設計過程

2.1?化學方法

我們曾考慮使用氫氧化鈉溶液作為吸收材料，然后在室外將其產生的碳酸鈉電解，然而氫氧化鈉在生活中使用并不現實，其腐蝕性也帶來了維護上的問題，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的特性。小球藻是單細胞藻類，并且單獨存在，不結合成群體。他的形態是球形，或略帶球形。

小球藻可使用封閉式培養，可利用容器內培養液的循環流動，二氧化碳和氧氣也輸送至容器內^[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，且在農業領域有廣泛的運用，藻類來源便捷，為了提供藻類所需的無機鹽，我們考慮從景觀魚池中獲得，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，并設計了以下實驗。

3 實驗過程

3.1實驗準備

3.1.1實驗材料

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

3.1.2?實驗材料準備

首先將濃縮藻原倒入 A、B、C 三瓶各300mL，在見光處放置3天，取300mL池水煮沸，將二氧化碳傳感器連接萬用表，得到電壓模擬信號。

3.2?實驗階段

將實驗分為 A，B，C 三個實驗組：

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行實驗。

3.2.1實驗預期

實驗預期如圖1。

處理定性結果如下：

A 組：測量結果應比室外結果高并且是三個實驗組中最高的。

B 組：測量結果應比 A 組略小。

C 組：測量結果應最小，效果最差，且與室外相近。

3.2.2?實驗測量數據

實驗測量數據如表1所示。

注：該傳感器的特性為二氧化碳含量越高，模擬型號電壓越低。

3.2.3?實驗數據分析

A 組：數據比室外高且是三個實驗組中最高的。原因在于池塘水中的富營養化水質可使小球藻更多更快地生長，增強光合作用，使得氧氣含量多，二氧化碳含量少。

B 組：實際上B組可能因為有其他藻類等進行光合作用而比C組效果更好，但與小球藻競爭不利小球藻生活。

C 組：C組中的清水可能還有少量無機鹽，實驗時間不長與A組差別不明顯。

4 設備制作

4.1?第一次設計

第一次制作使用一個常見的塑料瓶，裝有約一半的小球藻，由于缺乏照明設備，小球藻光合作用效果不佳，且打開蓋子時易打翻。

通風風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液水下，燈環的為小球藻的光合作用提供光照。在設備內部所有裝置均使用可拆卸，包括其中的小球藻儲存室，方便更換小球藻和進行換水等操作。

4.2?設計特點

（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，防止對桌面環境的污染;（2）將藻類光合作用的全部條件， 如光照、空氣、無機鹽等提供完備，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，蛋白核小球藻在農業上有廣泛運用，實驗得出用景觀魚池水有提供無機鹽的作用，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

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

當需要換水時在進水箱加入魚池水，單片機控制進水箱的電熱絲，煮沸魚池水進行消毒，目的是得到小球藻所需要的無機鹽，同時防止雜菌干擾。

進水箱里的溫度傳感器可以得到實時的溫度數據，在煮沸后溫度下降時。水泵開始工作，將進水箱的水加入小球藻儲存室。

小球藻儲存室里有激光濃度傳感器，當小球藻繁殖到一定程度，濃度過高時，單片機控制水泵運行，當小球藻抽到出水箱，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

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

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

[3]甄肖霞.通過控制二氧化碳含量來實現節能和優化空氣質量[J].制冷，2004（02）：67-70.

[4]張麗.利用沼液培養微藻凈化沼氣的研究[D].復旦大學，2014.

收稿日期：2019-07-26

作者簡介：區冠彥，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，二級教師，研究方向：植物病理學。