近年来,CO2的过量排放已经造成了严重的温室效应,给人类的生存和发展带来了巨大的威胁。CO2的捕获和封存技术(CCS)应运而生,并且已经得到了国内外研究学者的广泛关注。其中,光合微藻碳捕捉技术因其可将CO2转变为有机物,并且具有成本低廉、环境友好等优点成为最具发展前景的产业之一。在微藻碳捕捉过程中,CO2作为微藻生长的主要碳源之一,通常以鼓泡的方式泵入到微藻悬浮液中形成气泡流,在气泡上升的过程中气泡内的CO2分子需首先穿过气液界面溶解进入微藻悬浮液中,然后被微藻细胞所捕获在其细胞内通过光合作用产生有机物。由此可见,微藻悬浮液内的气液两相流动会对液相的湍流混合以及CO2的传递过程产生较大的影响,进而影响微藻的生长及固碳性能。本文以悬浮式培养的微藻固碳技术为背景,系统地研究了微藻悬浮液中的气液两相流动及传递特性。首先利用自行提出的气泡嫁接新方法,对其中最基本的科学问题微藻悬浮液中含CO2的静止单气泡的溶解过程进行了可视化的实验研究,建立了基于非平衡传质理论的微藻悬浮液中CO2气泡溶解及传递的理论模型,探究了气泡溶解过程中气液界面附近的CO2的传输及固定特性。然后,采用可视化实验方法,认识了微藻悬浮液中含CO2气泡的生长、脱离、聚并等动力学行为特性,获得了CO2气泡生长和聚并过程中气液相界面处微藻的运动及分布特性,阐明了气液相界面吸附微藻细胞对气泡动力学行为的影响规律。此外,本文还研究了微藻悬浮液中气泡运动对微藻的携带作用及其对光生物反应器内微藻分布的影响,获得了不同入口CO2浓度、布气孔径和气体流量下气泡动力学行为对光生物反应器内微藻生长和分布的影响规律,确定了有利于微藻生长和固碳的最佳布气条件。最后,根据前面基础理论研究的结果,设计了多孔布气孔板均匀鼓泡装置,讨论了其结构参数对微藻生长及固碳性能的影响,获得了以最佳生长固碳为目标的多孔布气孔板的结构参数和反应器运行条件,从而为微藻固定CO2大规模培养的布气装置的设计和反应器的运行提供理论指导。主要研究成果如下:①含CO2的静止单混合气体气泡在溶解过程中,气泡半径随时间先快速下降,然后缓慢下降,最终趋于稳定值。随着CO2的扩散和微藻的消耗,气液相界面处的CO2浓度逐渐减小。气泡内初始CO2体积分数越大,气泡半径收缩越迅速,气泡的溶解速率和CO2固定效率越高。然而,当初始CO2体积分数为15%和20%时,在气泡溶解的初始阶段会出现轻微的光合抑制现象。气泡尺寸越小,气泡收缩越迅速,气泡的溶解速率较低,但CO2的光合固定效率较高。微藻悬浮液浓度越高气泡收缩越迅速,但是当OD680nm值大于1.51时,微藻悬浮液浓度的影响变小。②在气泡形成及上升过程中,CO2浓度较高的气液界面更易富集微藻细胞;微藻悬浮液的密度和表面张力系数均随OD680nm值的增加而减小。随气体流量的增加,微藻悬浮液中气泡的生长逐渐由稳定生长过渡至非稳定生长,在稳定生长区微藻悬浮液中气泡较纯水中的生长缓慢,且脱离直径和上升速度比纯水中小,在非稳定生长区则相反。随着气体流量的增加气泡上升运动轨迹的振幅和波长均有所增大。CO2浓度越大,毛细管孔径越小,气泡生长越缓慢,脱离直径越小,上升的速度也越低,上升运动轨迹的振幅和波长均降低。③微藻悬浮液中气泡聚并前,各自独立的生长,并且具有相似的生长特性。微藻细胞在两气泡接触界面上的大量吸附,会阻碍气泡的聚并,使得微藻悬浮液中气泡的聚并时间较纯水中长。在微藻悬浮液中,聚并气泡的形变经历了收缩、拉伸和扩张三个阶段后立即脱离。而在纯水中聚并气泡经历了这三个阶段后,还要稳定的生长一段时间后才脱离。因此,聚并气泡在微藻悬浮液中比纯水中的脱离直径更小,脱离后的气泡的上升加速度和终速也较低。气泡聚并的临界毛细管中心距为2.5 mm。有利于CO2传递的最佳毛细管中心距为1.5mm,气体流量为15m L/min。④气泡对微藻细胞的携带作用致使大量的微藻细胞在微藻悬浮液顶部的富集,从而造成了沿反应器高度方向上微藻细胞的不均匀分布。并且随着微藻的生长,气泡携带作用增强,微藻分布的不均匀度增加。毛细管孔径对气泡携带的影响最为显著,且入口CO2浓度越高,气体流量越大,毛细管孔径越小时,微藻分布的不均匀度越大。考虑到CO2的传递以及微藻分布的影响,在本实验操作条件下,入口CO2浓度为5%,毛细管孔径为0.5 mm,气体流量为40 m L/min时,最适宜蛋白核小球藻的生长。⑤鼓泡床光生物反应器内布气孔板的设计及运行结果表明:当布气孔径d0为0.5 mm,孔间距为1.5 mm时,CO2的传递速率较高,气泡的携带作用较小,使得微藻具有最大的生物质产率达到0.64 g·L-1·d-1和最大的光合固碳速率为961.73μmol?m-3s-1。对入口浓度5%的CO2去除率达到最大为11.31%。说明了布气板结构尺寸对微藻的生长和CO2的固定具有较大的影响。