本發(fā)明涉及碳源、碳匯、碳產(chǎn)品，屬環(huán)保領域。

背景技術：

巖石風化、火山噴發(fā)、植物燃燒、生物呼吸都會產(chǎn)生CO₂上升，工業(yè)化以來, 化石燃料的大量使用，使大氣中的CO₂及CO₂當量物質含量迅速增加, 導致“溫室效應”加劇，嚴重影響著人類的生存與發(fā)展。為了更好的利用CO₂及CO₂當量物質, 世界各國的學者都在致力于“碳科學”的開發(fā)和研究，提出了物理吸收法（包括變壓吸附法和變溫吸附法）、化學吸收法（包括熱鉀堿法、苯菲爾法、有機胺吸收法）、膜吸收法（包括氣體分離膜技術和氣體吸收膜技術）、O₂/CO₂燃燒法等方法。傳統(tǒng)的方法吸收或固定CO₂成本高、效率低，公認用綠色植物從空氣中吸收CO₂，經(jīng)光合作用轉化為葡萄糖，并放出氧氣（O_2）是最安全的方法。

工業(yè)革命以來，大氣中CO₂濃度急劇升高的同時，大氣中的CO₂當量物質也在急劇增加，IPCC也已提出要減少CO₂及CO₂當量物質的排放。但地球上的地質變化、生物生長及人類活動都不停地排放CO₂及CO₂當量物質，國內外目前還沒有通過人為干預控制大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法，是通過人為干預使大氣圈中CO₂及CO₂當量物質數(shù)量保持動態(tài)平衡，調節(jié)溫室效應和全球氣候變化。

自然界中植物通過光合作用，將大氣圈中的CO₂轉化為有機碳固定下來，但由于沒有將陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)中的植物，有效的收集并封存起來，使之成為碳匯封存起來。加上人類活動、化石能源燃燒、土地利用變化大量釋放CO₂及CO₂當量物質，導致碳源排放量大于碳匯固定量，使大氣圈中CO₂及CO₂當量物質濃度不斷上漲。

雷學軍在2015年《農(nóng)業(yè)工程》第5期中指出：“動碳”指地球大氣圈中能自由運動，產(chǎn)生溫室效應的含碳物質及CO₂當量物質。“靜碳”指巖石圈、水圈、生物圈、大氣圈中不產(chǎn)生溫室效應的含碳物質、CO₂當量物質及其前體物質。在一定的條件下，“動碳”和“靜碳”可以互相轉化?！皠犹肌鞭D變?yōu)椤办o碳”時，可降低大氣溫室效應；“靜碳”轉變?yōu)椤皠犹肌睍r，可增強大氣溫室效應。

速生草本植物具有生長發(fā)育迅速及反復萌發(fā)的特性，一年可多次刈割，實現(xiàn)生物質飛躍大增產(chǎn)。加工成型后作為碳產(chǎn)品，用于碳交易，將有限的森林碳匯變?yōu)闊o限的植物碳匯。具體方法包括使用封碳（屬暫時靜碳）、應用封碳（屬暫時靜碳）、成型封碳（屬長期靜碳）和填埋封碳（屬永久靜碳）。

雷學軍在2015年《農(nóng)業(yè)工程》第5期中還指出：植物碳封存，將虛擬的碳排放權“配額指標”交易變成可準確計量的實物碳產(chǎn)品交易，實現(xiàn)“虛擬碳交易”到“實體碳交易”的轉變。其意義在于通過植物碳封存，減少大氣中CO₂，降低和提前CO₂排放峰值。

在本申請中，所述的CO₂當量物質是指《京都議定書》中規(guī)定的除二氧化碳（CO₂）以外的甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、氫氟碳化合物（HFCs）、全氟碳化合物（PFCs）、六氟化硫（SF₆）等五種溫室氣體。

在本申請中，所述的植物包括陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)中，自然生長的植物和人工栽培的植物。

在本申請中，所述的碳產(chǎn)品是指具有碳匯量的產(chǎn)品，包括由植物加工、成型、封存的具有碳匯量的產(chǎn)品或植物填埋形成的具有碳匯量的產(chǎn)品，通過節(jié)能減排項目和清潔能源替代形成的具有碳匯量的產(chǎn)品，以及一切吸收大氣中CO₂及CO₂當量物質形成的物質，經(jīng)加工成可進行碳計量的產(chǎn)品。

在本申請中所述的“碳產(chǎn)品”、“儲碳產(chǎn)品”、“植物儲碳產(chǎn)品”都是指“碳匯產(chǎn)品”，可互換使用。

本發(fā)明是通過人為干預來控制大氣圈中CO₂及CO₂當量物質的濃度，將溫室效應維持在地球生命活動的最適狀態(tài)。其途徑是：

（1）通過科技創(chuàng)新、設備改造來提高燃料能效、節(jié)約能源、減少碳排放；

（2）合理利用水體與土壤，促進水體與土壤從“碳源”向“碳匯”轉化；

（3）通過種植、刈割、加工、儲存速生碳匯草，增加植物碳匯；

（4）采用光合作用的工業(yè)化技術，提高大氣圈中CO₂轉變成有機碳化合物的速率；

（5）改變碳循環(huán)周期，控制光合作用產(chǎn)物分解速度及分解的量；

（6）增加碳匯產(chǎn)品種類，調整碳匯產(chǎn)品數(shù)量；

（7）挖掘沙漠碳匯潛力；

（8）收集、轉化、利用大氣圈中CO₂當量物質，減少大氣圈中溫室氣體含量。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（1）中，提高能效、減少碳排放是通過提高燃燒效率，改善熱功轉換率，減少能源使用量。例如提高內燃機熱功轉換率和提高燃燒效率，減少能源使用量。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（2）中，合理利用水體與土壤，增加固碳能力，減少碳排放。地球上的水體和土壤體量很大，固定的碳也很多，由于管理和利用的不當，使原本已固定在水體和土壤中的碳及碳當量物質釋放出來。如果利用得當，這些水體和土壤還可固定更多的碳。例如調整農(nóng)田耕作方式和肥水管理措施，增加土壤有機質，土壤便成為“碳匯”，反之土壤就是 “碳源”。水庫通過合理的利用和管理，可改變水體內碳的循環(huán)期，使其成為一個“碳匯”。

以農(nóng)田為例，傳統(tǒng)的翻耕可增加土壤通氣性和微生物活動能力，加速土壤有機碳分解，減少翻耕次數(shù)或免耕，可降低土壤有機碳的釋放。通過不同種類的植物輪作，能夠改變作物殘茬（包括根系、枯落物）的數(shù)量和種類，增加土壤有機碳含量。有機肥的施用（包括秸稈還田）直接增加了農(nóng)田的碳匯量。土壤干濕交替也有利于有機碳的保存。通過退耕還林還草和水土保持，也是增加土壤碳匯的一種措施。

以水庫為例，在建設期是一個“碳源”，建成后養(yǎng)殖水生植物和動物，水生植物光合作用吸收CO₂，一部分水生植物被動物捕食成為新的有機物，一部分沉積在水底形成土壤碳匯。水生動物和水生植物捕撈后，通過利用形成“漁業(yè)碳匯”（暫時靜碳），減緩了碳的循環(huán)速度，延長了碳循環(huán)周期。水庫的水資源還可用來發(fā)電替代燃煤發(fā)電，減少碳排放。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（3）中，增加植物碳匯，是利用不適宜農(nóng)作物耕種的荒山荒坡、邊際性土地、拋荒土地來種植速生碳匯草，通過多次刈割獲得大量的生物質，加工成碳產(chǎn)品進行儲存固碳。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（4）中，光合作用的工業(yè)化技術包括工業(yè)化生產(chǎn)藍藻、利用光合細菌生產(chǎn)氫氣、光催化還原CO₂生產(chǎn)CH₄、HCOOH、HCHO、CH₃OH。

自然界光合作用的場所是植物、藻類和某些細菌，在可見光的照射下，經(jīng)過光反應與暗反應，利用光合色素將CO₂和H₂O（對細菌來說是H₂S和H₂O）轉化為有機物，并釋放出O₂（細菌釋放H₂）的生化過程。光合作用是生物界賴以生存的基礎，也是地球碳-氧平衡的重要媒介。綠色植物光合作用的反式為:

12H₂O+6CO₂+陽光→C₆H₁₂O₆+6O₂+6H₂O

人工光合作用，通過組合自然界存在的酶促生化反應，生成自然界不存在的人工光合作用暗反應途徑，使用H₂或電再生NADH驅動轉化CO₂為糖或淀粉。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（5）中，改變碳循環(huán)周期，是利用農(nóng)林副產(chǎn)物生產(chǎn)家具、墻體建筑材料、保溫材料，其碳的循環(huán)周期從幾個月或幾年（暫時靜碳），延長到幾十年或更長時間（長期靜碳）；將植物制造成產(chǎn)品進行綜合利用，減緩了光合作用產(chǎn)物分解的速度及分解的數(shù)量。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（5）中增加碳產(chǎn)品種類，包括植物加工成型、封存的碳匯產(chǎn)品、植物填埋形成的碳匯產(chǎn)品、植物綜合利用過程中形成的碳匯產(chǎn)品；形成碳匯產(chǎn)品的植物包括直接從自然界收集的植物和人工種植的植物。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（7）中挖掘沙漠碳匯潛力，是在堿性沙漠（主要是指水源方便的沙漠邊緣、綠洲邊緣的堿性土壤區(qū)域）實施灌溉洗鹽工程，通過增加沙漠地下咸水層含量，增加CO₂儲存量。

大氣圈中CO₂及CO₂當量物質平衡的方法途徑（8）中減少大氣圈中溫室氣體含量，是通過收集CO₂當量物質進行轉化利用，減少大氣圈CO₂當量物質的含量。

本發(fā)明的優(yōu)點：

1)、全球工業(yè)化進程的發(fā)展與人口的增長，導致排碳量增加。全球經(jīng)濟增長的同時，也付出了巨大的資源和環(huán)境被破壞的代價。特別是溫室氣體排放引起全球氣候變暖，備受國際社會廣泛關注。只有堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展。

2）水體和土壤既是碳源，又是碳匯。合理開發(fā)、利用水體、土壤則是巨大的碳匯；過度開發(fā)、盲目利用，則水體與土壤是巨大的碳源。

3）自然界中，植物、藻類和某些細菌每年通過光合作用，產(chǎn)生巨大的生物量。絕大部分的植物、藻類、細菌在生長季節(jié)，大量的將大氣中的CO₂轉化為有機物；在不適宜生長適宜季節(jié)，死亡（或脫落）、分解又釋放出碳。通過收集、封存有機質，人為控制有機物分解速度，改變碳循環(huán)周期。

4）通過大量栽培植物，擴大光合作用反應途徑，增加有機物產(chǎn)量。

5）除國際公認的森林碳匯、海洋碳匯等碳匯種類外，增加植物碳產(chǎn)品封存、植物碳產(chǎn)品使用等新的碳匯途徑。

附圖說明

圖1是工業(yè)化生產(chǎn)藍藻的裝置示意圖

圖2是利用光合細菌生產(chǎn)氫氣的裝置示意圖

圖3是光催化還原CO₂的裝置示意圖

圖4是甲烷轉化裝置示意圖

附圖：

1、14、26—培養(yǎng)池，2、33—燈架，3、29—照明燈，4—培養(yǎng)液，5、13、18—注氣管，6—A管，7、40—原料池，8、42—原料，9—B管，10—C管，11、54—培養(yǎng)泵、12—D管，15—E管，16—儲氣罐，17—F管，19—G管，20—H管，21—空氣壓縮機，22—I管，23—藻液，24—藻液池，25—J管，27、37、43—培養(yǎng)槽， 28—U型接頭，30—CO₂儲存罐，31—K管，32、39、45—培養(yǎng)管，34—L管，35—料斗，36—M管，38—N管，41—攪拌器，44—P管，46—Q管，47—液料收集塔，48—R管，49—S管，50—氫氣回收塔，51—T管，52—通風裝置，53—V管，55—W管，56—X管，57—Y管，58—甲烷回收罐，59—Z管，60—氣體儲存罐，61—反應管，62—攪拌電機，63—a管，64、66—氣體泵，65—b管，67—d管，68—e管，69—攪拌桿，70—風扇，71—檢測孔，72—攪拌葉片，73—反光板，74—高溫燈，75—支架，76—旋轉架，77—反光板底座，78—堿液儲存罐，79—f管，80—料液回收罐，81—料液泵，82—g管，83—h管，84—堿液泵，85—j管，86—i管，87—n管，88—集氣泵，89—m管，90—活性炭吸附塔，91—干燥塔，92—p管，93—增壓泵，94—q管，95—分子吸附塔，96—r管，97—固定床反應器，98—t管，99—u管，100—v管，101—精餾塔，102—x管，103—y管。

具體的實施方式

下面詳細說明本發(fā)明優(yōu)選的技術方案，但本發(fā)明不限于所提供的實施例。

實施例1 速生草種植、成型、固碳封存的方法

雷學軍在（CN201310164201.0）速生植物種植、成型、固碳封存與綜合利用的方法中公開了狼尾草、象草、皇竹草、甜象草或雜交狼尾草的種植、培育和收割及成型、固碳封存方法。

雷學軍在（CN201510350304.5）碳匯草范疇界定的方法中，將狼尾草、象草、皇竹草、甜象草、雜交狼尾草界定成速生碳匯草。

本實施例以皇竹草在長江中、下游地區(qū)種植、刈割為例，具體步驟如下：

（1）選地與整地

選擇土層深厚、疏松肥沃、向陽、排水性能良好的土壤，結合翻耕每畝施加有機肥料1000～2000kg。按5～10m寬起壟作畦，壟溝深10～30cm，壟長依地形而定，陡坡地沿等高線起壟，以利排水及田間管理。

（2）育苗時間

4～5月氣溫達到10℃以上時，下種育苗較適宜。

（2）種莖準備

選取芽眼飽滿、健康、無病蟲害的莖稈為種節(jié)，播種前先撕去包裹腋芽的葉片，用刀斜切成小段，每段保留1～2個節(jié)，芽眼上部留短，下部留長，切好的種節(jié)及時下種，防水份喪失。

（3）下種

按行距30～40cm×40～50cm，開深5～10cm的種植溝，將種莖平放在種植溝中，用細土覆蓋2～3cm。

（4）育苗期管理

幼苗長出地前保持土壤濕潤，幼苗出土10～15天比較黃、瘦，結合澆水每畝追施20～25kg尿素。

（5）中耕除草

小苗前期生長較緩慢，封壟前中耕除草1～2次。結合除草松土，在苗蔸四周進行培土，避免植株倒伏；每次收割后均應進行中耕除草，疏松土壤。

（6）肥水管理

天晴久旱，每隔 10～15天澆水1次或施1次清糞水；連續(xù)陰雨天，注意排澇防漬。

（7）及時收割

6～11月每隔20～40天，株高達150～200cm時收割1次，每年可收割3～5次，每收割時留茬5～10cm，避免雨天收割，以減少病蟲害發(fā)生。

雷學軍在2013年《中國能源》第6期和第12期中公開了：速生植物型材的制備工藝和碳產(chǎn)品封存技術。其生產(chǎn)方法是：將速生草本植物收割、曬干或風干后，進行粉碎，加溫壓制成型。碳產(chǎn)品封存技術是：將速生草本植物碳產(chǎn)品水份控制在10%內，貯存在溫度不超過25℃，干燥的封存環(huán)境中，要求相對濕度低于20%；封存點要做好防水工作；速生草本植物碳產(chǎn)品可儲存在地上或地下修建的碳倉庫內，必要時可使用干燥劑降低濕度，提高碳產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

實施例2 工業(yè)化生產(chǎn)藍藻的裝置和方法

藍藻是地球上起源最早的，具有葉綠素的光合放氧自養(yǎng)生物。通過光合作用把無機物合成為有機物，產(chǎn)生的氧氣改變了原始地球的大氣構成。使生物由無氧呼吸向有氧呼吸進化，同時臭氧層的形成阻擋了紫外線，使生命由海洋向陸地發(fā)展，為各種植物的生長起到了開路先鋒的作用。

現(xiàn)在化石燃料的大量使用，大氣中的CO₂濃度不斷提高，引起全球氣候變暖，降低CO₂濃度的最安全、最有效途徑是依靠光合作用將無機碳轉化為有機碳。通過藍藻的養(yǎng)殖可消耗大氣中的CO₂，為動物提供優(yōu)質的飼料，為人類提供優(yōu)質食品、醫(yī)藥原料、化工原料、肥料和新能源。

藍藻適宜生長在氣溫高、有機質豐富、氮含量高而磷含量低的水體中。藍藻生命周期大概為30天，分為生長期、高峰期、老化期三個階段，平均每個階段10天左右。

工業(yè)化生產(chǎn)藍藻的裝置，其結構參見圖1，所述裝置包括：原料池（7），培養(yǎng)池（1、14、26），儲氣罐（16），藻液池（24）；所述原料池（7）通過A管（6）與培養(yǎng)池（1）相連，所述培養(yǎng)池（1）通過D管（12）與培養(yǎng)池（14）相連，所述培養(yǎng)池（14）通過G管（19）與培養(yǎng)池（26）相連；所述培養(yǎng)池（1、14、26）內設有注氣管（5、13、18），注氣管（5、13、18）通過E管（15）與儲氣罐（16）相連，E管（15）與H管（20）相連；所述儲氣罐（16）通過I管（22）與空氣壓縮機（21）相連；所述培養(yǎng)池（1）通過C管（10）、培養(yǎng)泵（11）、F管（17）與培養(yǎng)池（14、26）相連；所述藻液池（24）通過J管（25）與原料池（7）相連；所述培養(yǎng)池（1、14、26）上方設有燈架（2），燈架（2）上安裝有照明燈（3）。

所述原料池（7）用來存放培養(yǎng)藍澡的原料（8）；所述培養(yǎng)池（1、14、26）用來存放培養(yǎng)液（4）培養(yǎng)藍藻；所述藻液池（24）用來存放藻液（23），打撈出藍藻后的液體，通過J管（25）重新注入原料池（7）內；所述原料池（7）內富含有機質的地表水由B管（9）注入。

工業(yè)化生產(chǎn)藍藻的方法，其步驟是：

（1）將富含有機質的地表水（主要是指溝渠、河流、湖泊、沼澤內的水）或工業(yè)廢水過濾消毒后，注入原料池。也可將自來水加入到原料池，通過曝氣，使用氯氣揮發(fā)后，每噸水加入1～2Kg氮肥。

（2）在原料池內加入氫氧化鈉、氫氧化鈣或石灰、石灰乳等澄清溶液，將pH值調至7～8。

（3）將調制好的培養(yǎng)液注入培養(yǎng)池內，使培養(yǎng)液深度保持5～10cm。培養(yǎng)池適宜寬1～10m，長5～50m，可3～10個培養(yǎng)池串連在一起，通過培養(yǎng)泵使培養(yǎng)液在各培養(yǎng)池之間循環(huán)。培養(yǎng)池中設1～5根注氣管，在注氣管上每距0.5～1m設有一個出氣孔。選擇內徑0.5～5cm的硅膠管、塑料管、PVC管、復合材料管、金屬管、玻璃管等管道作為注氣管，出氣孔直徑最好選擇1～5mm。

（4）先將篩選出來的藍藻原種接種到水深3～5cm的育藻池或培育器皿中，藻種培養(yǎng)2～3天后，再將活化后的藻種倒入培養(yǎng)池。

（5）調節(jié)燈具與培養(yǎng)液之間的距離，燈具與養(yǎng)液液面保持10～15cm，燈具與燈具之間的距離保持1～1.5m。

當空氣溫度大于20℃時，燈具采用30～50瓦的日光燈、節(jié)能燈等低溫照明燈具，每天光照時間12～15小時；自然光充足時，可不開燈。當空氣溫度大于35℃時，加強培養(yǎng)池四周通風，適當遮陰，降低室內溫度，使培養(yǎng)液的溫度保持在45℃以內。

當空氣溫度小于20℃時，為了使培養(yǎng)液的溫度保持在20～35℃，將日光燈改成白熾燈或碘鎢燈等高溫照明燈具，通過燈光的熱量增加培養(yǎng)液的溫度，或向注氣管內通入蒸汽增加培養(yǎng)液的溫度。

（6）控制培養(yǎng)液中O₂及CO₂的溶解量，使培養(yǎng)液流速保持在1～10m/h或通過擾動培養(yǎng)液，增加藍藻吸收CO₂的能力和數(shù)量。通過培養(yǎng)泵，將培養(yǎng)液進行循環(huán)。

（7）當培養(yǎng)液中出現(xiàn)O₂及CO₂的溶解量不夠時，通過空氣壓縮機和注氣管將空氣注入培養(yǎng)液中。

（8）在藍澡培養(yǎng)過程中保持培養(yǎng)液深度，當培養(yǎng)液減少時，隨時添加培養(yǎng)液。

當空氣溫度大于30℃時，培養(yǎng)液深度維持在10cm左右；當空氣溫度小于20℃時，培養(yǎng)液深度維持在5cm左右。當培養(yǎng)池中培養(yǎng)液減少時，隨時添加培養(yǎng)液。

（9）培養(yǎng)到18～20天后，將培養(yǎng)池內的培養(yǎng)液注入藻液池，通過過濾將藍藻打撈出來，進行綜合利用。剩下的培養(yǎng)液可再次注入原料池，循環(huán)利用，也可直接排放到江河、湖泊中。

實施例3 利用光合細菌生產(chǎn)氫氣的裝置和方法

光合細菌是地球上出現(xiàn)最早、自然界中普遍存在、具有原始光能合成體系的原核生物，是在厭氧條件下進行不放氧光合作用的細菌的總稱。在厭氧光照或好氧黑暗條件下利用自然界中的有機物、硫化物、氨等作為供氫體兼碳源進行光合作用的微生物。光合細菌廣泛分布于自然界，主要分布于水生環(huán)境中光線能透射到的缺氧區(qū)。光合細菌包括藍細菌、原綠菌、紫色細菌、綠色細菌。

光合細菌能凈化污水、生產(chǎn)食用色素和單細胞蛋白，是一種營養(yǎng)價值高的細菌，菌體含有豐富的氨基酸、葉酸、b族維生素，尤其是維生素b12和生物素含量較高，還有生理活性物質輔酶Q。是水產(chǎn)養(yǎng)殖培水餌料和飼料添加劑，還可用于污水凈化、提高土壤肥力、光能制造氫氣等。氫能是一種清潔、安全、高效、可持續(xù)的能源，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d能源。

利用光合細菌生產(chǎn)氫氣的裝置，其結構參見圖2，所述裝置包括：原料池（40），培養(yǎng)槽（27、37、43），培養(yǎng)管（32、39、45），料液收集塔（47），氫氣回收塔（50）；所述原料池（40）通過L管（34）與CO₂儲存罐（30）相連，CO₂儲存罐（30）上設有K管（31）；所述原料池（40）上設有攪拌器（41）、料斗（35）；所述培養(yǎng)槽（27、37、43）內設有培養(yǎng)管（32、39、45），U型接頭（28），燈架（33），照明燈（29），通風裝置（52）；所述原料池（40）通過N管（38）與培養(yǎng)槽（27）內的培養(yǎng)管（32）相連，兩個培養(yǎng)管（32）之間通過U型接頭（28）相連；所述培養(yǎng)槽（27）內的培養(yǎng)管（32）通過M管（36）與所述培養(yǎng)槽（37）內的培養(yǎng)管（39）相連；培養(yǎng)槽（37）內的培養(yǎng)管（39）通過P管（44）與所述培養(yǎng)槽（43）內的培養(yǎng)管（45）相連；培養(yǎng)槽（43）內的培養(yǎng)管（45）通過Q管（46）與料液收集塔（47）相連；所述料液收集塔（47）通過S管（49）與氫氣回收塔（50）相連，所述料液收集塔（47）通過培養(yǎng)泵（54）、W管（55）與原料池（40）相連。

所述原料池（40）用來存放培養(yǎng)光合細菌的原料（42）；所述培養(yǎng)管（32）用來存放光合細菌培養(yǎng)液（原料與光合細菌的混合液），所述料液收集塔（47）用來儲存完成培養(yǎng)后的光合細菌及培養(yǎng)液；所述氫氣回收塔（50）用來儲存光合細菌光合作用產(chǎn)生的氫氣。

利用光合細菌生產(chǎn)氫氣的方法，其步驟是：

（1）將富含有機質的地表水（主要是指溝渠、河流、湖泊、沼澤內的水）或工業(yè)廢水過濾消毒后，注入原料池。優(yōu)選工業(yè)有機酸廢水、食品加工業(yè)廢水、生活有機廢水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水及動物養(yǎng)殖業(yè)廢水，既可將工農(nóng)業(yè)的廢棄物無害化處理，減少對環(huán)境的污染，又可實現(xiàn)清潔能源供給，減少CO₂排放。

（2）在原料池內加入氫氧化鈉、氫氧化鈣或石灰、石灰乳等澄清溶液，將pH值調至6～8。

（3）將選出來的光合細菌原種進行培養(yǎng)，優(yōu)選紫色細菌。原種培養(yǎng)液適宜pH值為7～7.5，采用蒸汽熱壓滅菌，滅菌溫度110～120℃，滅菌時間10～20分鐘；滅菌后自然冷卻至25～35℃時進行接種，培養(yǎng)液不超過所裝容器容量的80%，按原種體積與培養(yǎng)液體積比3～5:100進行接種，在光照強度5000lux～8000lux，溫度25～35℃狀態(tài)下保持16-20h即完成原種培養(yǎng)，培養(yǎng)時不停的攪動或搖動培養(yǎng)液，攪動速度為150～250轉/分。

（4）按原種培養(yǎng)液體積與批量生產(chǎn)的培養(yǎng)液體積比1:20～30，將培養(yǎng)好的原種培養(yǎng)液加入到原料池中，并攪拌均勻。

（5）將攪拌好的培養(yǎng)液注入培養(yǎng)管，培養(yǎng)管直徑5～50mm，長1～10m，培養(yǎng)管之間通過接頭進行連接，2～20根培養(yǎng)管水平平行排列在1個培養(yǎng)槽內，可2～10個培養(yǎng)槽串連在一起，通過培養(yǎng)泵使培養(yǎng)液在各培養(yǎng)管之間循環(huán)。培養(yǎng)管用透明材質制作，如玻璃、有機玻璃、亞克力、賽璐珞、透明樹脂等材料。

（6）培養(yǎng)液只占培養(yǎng)管內空體積的80%～90%，以便氫氣的收集。培養(yǎng)期間，2～3天補充一次原種培養(yǎng)液，每次補充量為第一次原種培養(yǎng)液體積的5%～10%。

（7）調節(jié)燈具與培養(yǎng)液之間的距離，燈具與養(yǎng)液液面保持10～15cm，燈具與燈具之間的距離保持1～1.5m。

當空氣溫度大于25℃時，燈具采用30～50瓦的日光燈、節(jié)能節(jié)等低溫照明燈具，每天光照時間16～20小時，自然光充足時，可不開燈。當空氣溫度大于40℃時，加強培養(yǎng)槽四周通風，適當遮陰，降低培養(yǎng)槽內的溫度，使培養(yǎng)液的溫度保持在45℃以內。

當空氣溫度小于20℃時，為了使培養(yǎng)液的溫度保持在25～35℃，采用白熾燈或碘鎢燈等高溫照明燈具，通過燈光的熱量增加培養(yǎng)液的溫度，高溫照明燈具照明能顯著提高光合細菌產(chǎn)氫量，而低溫照明燈具，特別是熒光燈照明對光合細菌產(chǎn)氫量影響不大。

光合細菌產(chǎn)氫最適宜亮度為6000lux～8000lux，培養(yǎng)液流速1～10m/h，培養(yǎng)管內壓力0.9×10⁵Pa～1.0×10⁵Pa。

（8）培養(yǎng)過程中適時收集氫氣，培養(yǎng)6～7天時，光合細菌產(chǎn)氫量達到最高值。高峰過后1～2天，將培養(yǎng)管內的培養(yǎng)液注入收集塔，將光合細菌分離出來，作食品、飼料、添加劑、化工原料、肥料等進行綜合利用。剩下的培養(yǎng)液可再次注入原料池，循環(huán)利用，也可直接排放到江河、湖泊中。

實施例4 光催化還原CO₂生產(chǎn)CH₄、HCOOH、HCHO、CH₃OH的裝置和方法

在常溫、低壓條件下利用催化劑，通過光的作用將CO₂活化，產(chǎn)生CO和CH₄（甲烷）、HCOOH（甲酸）、HCHO（甲醛）、CH₃OH（甲醇）等烴類物質，可作為能源和化工原料，不僅能消除大氣中CO₂，還可以減少環(huán)境污染問題。

光催化還原CO₂生產(chǎn)CH₄、HCOOH、HCHO、CH₃OH的裝置，其結構參見圖3，所述裝置包括：甲烷回收罐（58）、氣體儲存罐（60），反應管（61），堿液儲存罐（78），液料回收罐（80）；所述氣體儲存罐（60）通過d管（67）、氣泵（66）、X管（56）與反應管（61）相連；所述甲烷回收罐（58）通過Y管（57）、氣泵（64）、a管（63）與反應管（61）相連；所述堿液儲存罐（78）通過h管（83）、堿液泵（84）、e管（68）與反應管（61）相連；所述料液回收罐（80）、料液泵（81）、g管（82）與反應管（61）相連。

所述氣體儲存罐（60）上設有用于進氣的Z管（59）；所述甲烷回收罐（58）上設有排放甲烷的b管（65）；所述反應管（61）上設有攪拌電機（62），檢測孔（71）；攪拌電機（62）通過攪拌桿（69）與攪拌葉片（72）相連；所述反應管（61）一面設有反光板（73），兩側設有支架（75）；支架（75）上設風扇（70）、高溫燈（74），反光板（73）通過旋轉架（76）與反光板底座（77）相連；所述堿液儲存罐（78）設用于堿液進入的f管（79）；所述液料回收罐（80）設有用于液料排放的j管（85）。

光催化還原CO₂生產(chǎn)CH₄、HCOOH、HCHO、CH₃OH的方法，其步驟是：

（1）將摩爾濃度為0.5～1.5mol/L氫氧化鈉溶液澄清后，注入堿液儲存罐內。

（2）通過堿液泵將氫氧化鈉澄清液注入反應管，同時加入CoPc/TiO₂催化劑，CoPc/TiO₂催化劑與氫氧化鈉溶液質量比為0.1～0.2%；為提高甲醇產(chǎn)量可在氫氧化鈉溶液中加入Na₂SO₃，Na₂SO₃與反應管內氫氧化鈉溶液摩爾濃度為0.1～0.2mol/L。

注入反應管內的氫氧化鈉溶液占反應管內空1/3～1/2；反應管采用透明材質制作，優(yōu)選擇石英玻璃。玻璃反應管直徑10～100mm，長0.5～5m，可2～10個反應管串連或并連在一起。

（3）打開氣泵0.2～0.3h將氣體儲存罐內CO₂注入反應管內，使反應管內CO₂氣體達到飽和狀態(tài)后停止加氣；通氣停止后，反應管在光照下啟動攪拌電機，攪拌10～15h；攪拌速度50～100轉/分。

在有太陽光的情況下，移動反光板底座，通過旋轉架來調節(jié)反光板角度，聚集太陽光來增加氫氧化鈉溶液溫度；沒有太陽或在室內，通過高溫燈照明來增加氫氧化鈉溶液溫度；高溫燈可以是碘鎢燈、鹵鎢燈、石英燈、氙燈等，建議使用100～1000W的碘鎢燈，燈與反應管的距離10～50cm, 反應管同一側兩燈的距離50～100cm；

通過檢驗孔測量氫氧化鈉溶液溫度，最佳溫度為200～300℃，當溫度超過300℃時關閉高溫燈照明燈或調整反應板角度，當溫度超過420℃時啟動風扇，通過通風降低氫氧化鈉溶液溫度。

（4）光催化反應生成的甲烷通過氣泵，輸送到甲烷回收罐，通過提純后作燃燒或化工原料。

光催化反應10～15h后，將殘余的氫氧化鈉溶液和新生成的HCOOH、HCHO、CH₃OH等通過料液回收泵輸送到料液回收罐，分離出HCOOH、HCHO、CH₃OH，提純后進行綜合利用，殘余氫氧化鈉溶液、催化劑及雜質處理后，能利用的進行再次利用，不能利用的達到污染水排放標準后排放。

實施例5 通過封碳的方法調節(jié)大氣中CO₂的濃度

工業(yè)革命以來，由于化石燃料的使用，向大氣中排放了大量的CO₂等溫室氣體，造成嚴重的溫室效應。雷學軍在2015年《農(nóng)業(yè)工程》第5期中指出：通過使用封存碳、應用封碳、成型封碳和填埋封碳，控制CO₂排放量：

當大氣中CO₂濃度在275～390ppm時，采用“使用封碳”的方法，將植物加工成建筑材料、家具、農(nóng)具、用具、工業(yè)品，是一種限制大氣圈中CO₂濃度升高的抑制措施；

當大氣圈中CO₂濃度為350～400ppm時，采用“應用封碳”的方法，將植物替代化石能源、化工原料、用于造紙、做飼料和有機肥料等，是一種限制大氣圈中CO₂濃度升高的抑制措施；

當大氣圈中CO₂濃度為400～450ppm時，采用“成型封碳”的方法，將植物加工成一定形狀和密度的植物碳產(chǎn)品進行封存，當大氣中CO₂濃度穩(wěn)定（植物碳產(chǎn)品達到封碳要求貯藏的期限）后，再將其加工成建筑材料、飼料、有機肥料，用于造紙或替代化石能源、化工原料，進行深加工、綜合利用，讓其充分釋放價值，是一種限制大氣圈中CO₂濃度升高的控制手段；

當大氣圈中CO₂濃度達到450ppm以上時，采用“填埋封碳”的方法，將植物進行填埋，當大氣中CO₂濃度穩(wěn)定（完成封碳要求貯藏的期限）后，再取出來用作生物質肥料，在填埋過程中收集甲烷提純用作燃汽或用來發(fā)電，是一種限制大氣圈中CO₂濃度升高的控制手段。

雷學軍在2015年《農(nóng)業(yè)工程》第5期中還指出：據(jù)IPCC估算，1750年以來，人類活動的總碳排放量，30%被海洋吸收，25%被陸地生物圈吸收，45%滯留在大氣中。將全球大氣二氧化碳濃度降低到工業(yè)革命前的0.0275%，需減少大氣中9725億噸二氧化碳，需封存6661億噸植物碳產(chǎn)品；將大氣二氧化碳濃度降低到1990年的0.0356%，需減少大氣中3423億噸二氧化碳，需封存2345億噸植物碳產(chǎn)品；維持當前大氣二氧化碳濃度0.04%，每年需減少大氣中162億噸二氧化碳；需封存植物碳產(chǎn)品111億噸/年。

實施例6 直接收集和封存自然界光合作用產(chǎn)物的方法

地球每年通過植物光合作用可產(chǎn)生約1750億噸生物質（陸地植物1250億噸，海洋植物500億噸），可吸收大氣中2852.5億噸CO₂；每年光合作用產(chǎn)生的生物質總能源相當于目前世界總能耗的10倍。IPCC指出，化石燃料燃燒和土地利用變化是人類活動造成的主要CO₂排放源，CO₂排放總量的45%滯留在大氣圈中，其余的被海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)兩個主要碳庫吸收，其中海洋生態(tài)系統(tǒng)吸收了30%，陸地生態(tài)系統(tǒng)吸收25%。如果每年收集封存99.38億噸生物質（占地球每年生物質總產(chǎn)量的3.48%），可吸收大氣中162億噸CO₂，即可實現(xiàn)全球零碳排放（可適當增加封存量，以抵消封存過程中出現(xiàn)的碳及碳當量物質的排放）。關鍵是人類目前還沒有這樣的常識。

地球上的自養(yǎng)植物每年約同化2x10^llt碳素，其中40％是由浮游植物同化的，余下60％是由陸生植物同化的。直接收集、封存每年光合作用產(chǎn)生的生物質，避免自然分解成CO₂、CH₄重返大氣中，是實現(xiàn)大氣圈中碳源與碳匯處于動態(tài)平衡的重要途徑之一，是控制全球氣候變化的一種最簡單的方法。陸生植物廣泛地分布在地球上，每年都產(chǎn)生大量的枯枝落葉及農(nóng)林副產(chǎn)物，將這部分植物收集起來，加工成型后進行儲存或進行填埋，可形成巨大的碳匯，用來抵消化石燃料燃燒向大氣中排放的CO₂等溫室氣體，調節(jié)溫室效應，控制全球氣候變化。

實施例7 挖掘沙漠碳匯的方法

增加沙漠碳匯是指在沙漠邊緣區(qū)的堿性土壤帶，利用灌溉洗鹽工程，增加沙漠地下咸水層含量，增加CO₂儲存量。其具體方法是：

（1）在沙漠邊緣區(qū)的堿性土壤或綠洲邊緣區(qū)的堿性土壤，選擇水源豐富、地下水位低、蒸發(fā)量小，溫度較高的季節(jié)。

（2）結合土壤耕種，進行灌溉或淋水，每立方米土壤淋水80～100m³；根據(jù)土壤含鹽量，重復2～3次，兩次灌溉或淋水間隔時間為7～10天。水溶解、吸收CO₂進入地下水層，隨地下水進入沙漠下面，形成沙漠碳匯。

實施例8 甲烷收集、轉化的方法

甲烷（CH₄），標準狀態(tài)下是一無色無味氣體，在大氣中的CH₄濃度較低，通常在礦井、涵洞、坑道、填埋場及化糞池等排放源進行收集，再進行轉化和利用。

甲烷收集、轉化的裝置，其結構參見圖4，所述裝置包括：集氣泵（88）、活性炭吸附塔（90）、干燥塔（91）、增壓泵（93）、分子吸附塔（95）、固定床反應器（97）、精餾塔（101）；所述集氣泵（88）與n管（87）相連；所述集氣泵（88）通過m管（89）與活性炭吸附塔（90）相連；所述活性炭吸附塔（90）通過v管（100）與干燥塔（91）相連；所述干燥塔（91）通過p管（92）、增壓泵（93）、q管（94）與分子吸附塔（95）相連；所述分子吸附塔（95）通過r管（96）與固定床反應器（97）相連；所述固定床反應器（97）通過u管（99）與精餾塔（101）相連；所述固定床反應器（97）上設有用于水蒸汽進入的t管（98）；所述精餾塔（101）上設有排放甲醇的x管（102）、排放氫氣的y管（103）。

甲烷收集、轉化的方法，其步驟是：

（1）采用向下排空氣法或排水法收集濃度較低的CH₄，注入活性炭吸附塔中去除H₂S。

（2）經(jīng)活性炭吸附后的CH₄氣體注入干燥塔內，在20～30℃下用硅膠干燥，去除H₂O。

（4）干燥后的原料氣體經(jīng)除塵后注入吸附塔，在溫度25～30℃、壓力0.3～0.5MPa下吸附2h后進入脫附階段；脫附前先進行泄壓5min，壓力接近大氣常壓后均壓5min，然后抽真空1.5h，壓力到達lkPa時均壓10min，即完成脫附過程，獲得純度99%以上的CH₄氣體。

（5）將提純的CH₄氣體注入固定床反應器中，通入120～150℃的水蒸汽，在負載型復合半導體MoO₃-TiO₂/SiO₂的作用下生成甲醇和H₂。

（6）經(jīng)精餾塔除去二甲醚、乙醇、高碳醇、丙酮、水等雜質，得到高純度甲醇和氫氣，作為化工原料和清潔燃料，廣泛用于有機合成、醫(yī)藥、農(nóng)藥、涂料、染料、汽車和國防等領域。

實施例9 氫氟碳化物收集、轉化、利用的方法

氫氟碳化物（HFC_S）由于不含有氯和氟，被用作CFC_S和HCFC_S的替代物，具有較高的增溫潛勢。2013年中美兩國宣布，減少并逐步停止使用氫氟碳化合物。HFCs氣體易造成環(huán)境污染，通常在釋放前進行回收利用。雷學軍在2015年《中國能源》第5期中以氟利昂為例，進行收集、轉化和利用，其方法是：

（1）收集氟利昂廢氣（或液態(tài)的氟利昂），用濾網(wǎng)除去廢氣（或液態(tài)的氟利昂）中的粉塵等雜質。

（2）經(jīng)過濾后在0～40℃溫度之內緩慢加入活性炭吸附塔內，當活性炭吸附能力達到飽和后，停止加入氟利昂氣體。通入蒸汽，控制壓力0.1～8MPa、溫度100～300℃，洗脫活性炭吸附的氟利昂。

（4）脫附出的溶劑和水蒸汽經(jīng)減壓后，進入冷凝器進行冷凝，溫度控制在30～35℃。

（5）冷卻后的溶劑送入精餾塔內，分離去低沸點物質，得到氟利昂成品。