探究小球藻对空气净化作用以及净化设备的制作

区冠彦 曾文翼 揭一洪天 曾杰

摘  要：在缺少大型通风设备的建筑物，如学校和老式的办公室内，我们常感觉空气不流通而产生的低落情绪，我们认为主要的原因是室内缺少绿色植物，导致二氧化碳浓度过高，使人产生困倦，疲劳的感觉，对人的判断能力产生不良影响。对此，我们希望找出一种解决方法，利用植物的光合作用，吸收空气中的二氧化碳，并且同时解决常规的桌面植物需要泥土和肥料而容易弄脏桌面;且设备占用空间大、效率低;室内光照不足;植物容易死亡等的问题。因此，我们设计了这个利用小球藻净化室内，尤其是净化桌面附近范围内空气的装置。

关键词：小球藻;二氧化碳;空气净化;环境优化

中图分类号：X173    文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2019）17-0000-00

1 室内空气污染成因及影响

1.1普通高中课室空气环境

据我们观察，由于室内引入能释放有害物质的污染源或室内环境通风不佳，通风设施老旧而规模较小，通常只有少量的10寸大小排气扇，导致室内空气中有害物质无论数量上还是种类不断增加，并引起人的一系列不适症状，这是因为室内空气受到了污染。就环境污染对人体健康的影响而言，由于人们生活、工作在室内环境的时间长，室内通风状况不良、不利于污染物稀释扩散自净等原因，室内环境质量比室外环境质量显得更为重要。室内空气污染与大气污染由于所处的环境不同，其污染特征也不同。

相反，二氧化碳的浓度低意味着空气流通率高。通常室内没人、门窗打开、建筑物的气密度低会使二氧化碳浓度降低，因而可以降低对室内的送风需求，采用需求控制系统可以大大节约能源。不过值得注意的是，二氧化碳浓度，但却导致室内空气质量严重下降^[3]。因此，有必要采取一些措施使在通风不良的室内中减少二氧化碳含量。

尤其是夏季高温下，我们都紧闭门窗，享受着空调的凉爽，难免会让室内空气中的二氧化碳含量超标，导致头痛、胸闷、易疲劳、烦躁、皮肤过敏等，其实这些都是由于室内缺氧造成的。而在酷热的夏季，空调开启，使室内空气中二氧化碳浓度增加。

1.2 概念构想

据研究，小球藻对高浓度二氧化碳具有较好的耐受性，小球藻在1.5%的CO₂下有最好生长，在20%的高浓度 CO₂中也有良好的生长;小球藻的生物量对CO₂去除率的影响表现为起初CO₂去除率随小球藻生物量的增加而迅速提高。在小球藻培养至第3天，藻干重为624mg/L时，CO₂的去除率达到最大为68%，之后随小球藻生物量的增加而逐渐降低^[4]。

基于 1.1 中的空气质量问题，我们希望设计一种设备，在室内进行空气净化，功能主要实现减少室内二氧化碳浓度，增加氧气浓度，与此同时兼顾美观和便捷性。

2 方案设计过程

2.1 化学方法

我们曾考虑使用氢氧化钠溶液作为吸收材料，然后在室外将其产生的碳酸钠电解，然而氢氧化钠在生活中使用并不现实，其腐蚀性也带来了维护上的问题，此方案被舍弃。

2.2 生物方法

我们了解到蛋白核小球藻具有光合作用能力强的特性。小球藻是单细胞藻类，并且单独存在，不结合成群体。他的形态是球形，或略带球形。

小球藻可使用封闭式培养，可利用容器内培养液的循环流动，二氧化碳和氧气也输送至容器内^[2]。

蛋白核小球藻碳酸氢根离子利用途径利用份额各占81.1%^[1]，光合作用能力强，且在农业领域有广泛的运用，藻类来源便捷，为了提供藻类所需的无机盐，我们考虑从景观鱼池中获得，为了排除水中原有微生物干扰，我们将池水煮沸。我们决定采取这一方案，并設计了以下实验。

3 实验过程

3.1实验准备

3.1.1实验材料

浓缩藻原1L、清水 300mL、景观鱼池水（以下简称池水）600mL、二氧化碳传感器一个、加热器一个、容器若干。

3.1.2 实验材料准备

首先将浓缩藻原倒入 A、B、C 三瓶各300mL，在见光处放置3天，取300mL池水煮沸，将二氧化碳传感器连接万用表，得到电压模拟信号。

3.2 实验阶段

将实验分为 A，B，C 三个实验组：

A 组：加入300ml小球藻溶液，300ml煮沸的池塘水。

B 组：加入300ml小球藻溶液，300ml不经处理的池塘水。

C 组：加入300ml小球藻溶液，300ml清水。

保持相同的光照条件，在相同适宜的条件之下进行实验。

3.2.1实验预期

实验预期如图1。

处理定性结果如下：

A 组：测量结果应比室外结果高并且是三个实验组中最高的。

B 组：测量结果应比 A 组略小。

C 组：测量结果应最小，效果最差，且与室外相近。

3.2.2 实验测量数据

实验测量数据如表1所示。

注：该传感器的特性为二氧化碳含量越高，模拟型号电压越低。

3.2.3 实验数据分析

A 组：数据比室外高且是三個实验组中最高的。原因在于池塘水中的富营养化水质可使小球藻更多更快地生长，增强光合作用，使得氧气含量多，二氧化碳含量少。

B 组：实际上B组可能因为有其他藻类等进行光合作用而比C组效果更好，但与小球藻竞争不利小球藻生活。

C 组：C组中的清水可能还有少量无机盐，实验时间不长与A组差别不明显。

4 设备制作

4.1 第一次设计

第一次制作使用一个常见的塑料瓶，装有约一半的小球藻，由于缺乏照明设备，小球藻光合作用效果不佳，且打开盖子时易打翻。

通风风扇目的用于从上方向下输送空气，水泵将空气送入小球藻培养液水下，灯环的为小球藻的光合作用提供光照。在设备内部所有装置均使用可拆卸，包括其中的小球藻储存室，方便更换小球藻和进行换水等操作。

4.2 设计特点

（1）利用藻类光合作用净化二氧化碳，代替了一般的盆栽，更加方便处理，不需要泥土等培养，防止对桌面环境的污染;（2）将藻类光合作用的全部条件， 如光照、空气、无机盐等提供完备，方便整理，并且在夜间也能净化空气;（3）原料容易获得，使用方便，蛋白核小球藻在农业上有广泛运用，实验得出用景观鱼池水有提供无机盐的作用，使用方便;（4）占地空间小，效率高，相比盆栽植物，微藻在占用空间相同的前提下，光合作用效果更好。

4.2.1 工作原理

首先先在小球藻储存室里面加入配置好的小球藻，然后曝气室就会开始工作进行光合作用，二氧化碳传感器将得到的二氧化碳浓度在显示屏中显示。

当需要换水时在进水箱加入鱼池水，单片机控制进水箱的电热丝，煮沸鱼池水进行消毒，目的是得到小球藻所需要的无机盐，同时防止杂菌干扰。

进水箱里的温度传感器可以得到实时的温度数据，在煮沸后温度下降时。水泵开始工作，将进水箱的水加入小球藻储存室。

小球藻储存室里有激光浓度传感器，当小球藻繁殖到一定程度，浓度过高时，单片机控制水泵运行，当小球藻抽到出水箱，氧气在出水箱释放。

4.2.2 硬件清单

硬件清单如表2所示。

总流程如图2所示。

参考文献

[1]赵丽华，吴沿友，谢腾祥，李海涛，张开艳，杭洪涛.微藻CO₂同化过程的稳定碳同位素分馏值[J].中国岩溶，2016，35（04）：357-362.

[2]华汝成.小球藻的培养和利用[J].生物学教学，1959（01）：18-20.

[3]甄肖霞.通过控制二氧化碳含量来实现节能和优化空气质量[J].制冷，2004（02）：67-70.

[4]张丽.利用沼液培养微藻净化沼气的研究[D].复旦大学，2014.

收稿日期：2019-07-26

作者简介：区冠彦，男，汉族，广东广州人。

通讯作者：曾杰（1988—），男，汉族，广东梅州人，研究生，二级教师，研究方向：植物病理学。