制氫的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

【專家解說】：    化石燃料有限的儲量使人類正面臨著前所未有的能源危機。同時其燃燒產(chǎn)物被排放到大氣中加速了溫室效應(yīng)。氫氣具有含量豐富、燃燒熱值高、能量密度大、熱效率高、清潔無污染以及輸送成本低以及用途廣泛等優(yōu)點川，被認為最有可能成為化石燃料的替代能源。   氫氣是一種理想的能源,具有轉(zhuǎn)化率高、可再生和無污染等優(yōu)點。與傳統(tǒng)制氫方法相比,生物制氫技術(shù)的能耗低,對環(huán)境無害,其中的厭氧發(fā)酵生物制氫已經(jīng)越來越受到人們的重視。主要介紹了厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)的方法和機理,分析了生物制氫的可行性,結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出了未來的發(fā)展方向。   全球石油儲量不斷減少。最新研究表明：按目前全球消費趨勢，球上可采集石油資源最多能使用到21世紀末。石化、燃煤能源使用，還帶來嚴重大氣環(huán)境污染，人們?nèi)找娓杏X到開發(fā)綠色可再生能源急迫性，研究和開發(fā)新能源被提到緊迫議事日程。2000年7—8月美國《未來學(xué)家》雜志刊登了美國喬治·華盛頓大學(xué)專家對21世紀前10年內(nèi)十大科技發(fā)展趨勢預(yù)測，其中第二條是燃料電池汽車問世，福特和豐田公司實驗性燃料電池汽車將2004年上市。第九條是替代能源挑戰(zhàn)石油能源，風(fēng)能、太陽能、熱、生物能和水力發(fā)電將占到全部能源需求30%。這兩條實際上都是新型能源開發(fā)利用。我國“十五”國家重點開發(fā)技術(shù)項目中也將新型能源開發(fā)利用放極為重要位置。目前，人們對風(fēng)能、太陽能開發(fā)已經(jīng)有了相當研究，并已到了進行加以直接使用階段，生物能研究也取了重要進展，如何將所獲能量儲存起來，如何將能量轉(zhuǎn)化為交通工具可利用清潔高效能源，是一亟待解決重要課題。   內(nèi)容摘要 　　 　　2生物制氮技術(shù)研究進展 　　 　　2.1傳統(tǒng)制氫工藝方法 　　 　　傳統(tǒng)制氫工藝方法有：電解水；烴類水蒸汽重整制氫方法及重油(或渣油)部分氧化重整制氫方法。電解水方法制氫是目前應(yīng)用較廣且比較成熟方法之一。水為原料制氫工程是氫與氧燃燒生成水逆過程，提供一定形式一定能量，則可使水分解成氫氣和氧氣。提供電能使水分解制氫氣效率一般75%-85%。其中工藝過程簡單，無污染，但消耗電量大，其應(yīng)用受到一定限制。目前電解水工藝、設(shè)備均不斷改進，但電解水制氫能耗仍然很高。烴類水蒸汽重整制氫反應(yīng)是強吸熱反應(yīng)，反應(yīng)時需外部供熱。熱效率較低，反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)過程中水大量過量，能耗較高，造成資源浪費。重油氧化制氫重整方法，反應(yīng)溫度較高，制氫純度低，利于能源綜合利用。 　　 　　2.2新型生物制氫工藝發(fā)展 　　 　　氫氣用途日益廣泛，其需求量也迅速增加。傳統(tǒng)制氫方法均需消耗大量不可再生能源，不適應(yīng)社會發(fā)展需求。生物制氫技術(shù)作為一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略課題，已世界上引起了廣泛重視。如德國、以色列、日本、葡萄牙、俄羅斯、瑞典、英國、美國都投入了大量人力物力對該項技術(shù)進行研究開發(fā)。近幾年，美國每年生物制氫技術(shù)研究費用平均為幾百萬美元，而日本這研究領(lǐng)域每年投資則是美國5倍左右，，日本和美國等一些國家為此還成立了專門機構(gòu)，并建立了生物制氫發(fā)展規(guī)劃，以期對生物制氫技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，使21世紀中葉使該技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。日本，由能源部主持氫行動計劃，確立最終目標是建立一個世界范圍能源網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)對可再生能源--氫有效生產(chǎn)，運輸和利用。該計劃從1993年到2020年橫跨了28年。 　　 　　生物制氫課題最先由Lewis于1966年提出，20世紀70年代能源危機引起了人們對生物制氫廣泛關(guān)注，并開始進行研究。生物質(zhì)資源豐富，是重要可再生能源。生物質(zhì)可氣化和微生物催化脫氫方法制氫。生理代謝過程中產(chǎn)生分子氫，可分為兩個主要類群： 　　 　　l、包括藻類和光合細菌內(nèi)光合生物；Rhodbacter8604，R.monas2613，R.capsulatusZ1，R.sphaeroides等光合生物研究已經(jīng)開展并取了一定成果。 　　 　　2、諸如兼性厭氧和專性厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫細菌。目前以葡萄糖，污水，纖維素為底物并不斷改進操作條件和工藝流程研究較多。中國此方面研究也取了一些進展，任南形琪等1990年就開始開展生物制氫技術(shù)研究，并于1994年提出了以厭氧活性污泥為氫氣原料有機廢水發(fā)酵法制氫技術(shù)，利用碳水化合物為原料發(fā)酵法生物制氫技術(shù)。該技術(shù)突破了生物制氫技術(shù)必須采用純菌種和固定技術(shù)局限，開創(chuàng)了利用非固定化菌種生產(chǎn)氫氣新途徑，并首次實現(xiàn)了中試規(guī)模連續(xù)流長期生產(chǎn)持續(xù)產(chǎn)氫。此基礎(chǔ)上，他們又先后發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)氫能力很高乙醇發(fā)酵類型發(fā)明了連續(xù)流生物制氫技術(shù)反應(yīng)器，初步建立了生物產(chǎn)氫發(fā)酵理論，提出了最佳工程控制對策。該項技術(shù)和理論成果中試研究中到了充分驗證：中試產(chǎn)氫能力達5.7m3H2/m3.d，制氫規(guī)?？蛇_500-1000m3/m3，且生產(chǎn)成本明顯低于目前廣泛采用水電解法制氫成本。 　　 　　生物制氫過程可以分為5類： 　　 　　(1)利用藻類青藍菌生物光解水法； 　　 　　(2)有機化合物光合細菌(PSB)光分解法； 　　 　　(3)有機化合物發(fā)酵制氫； 　　 　　(4)光合細菌和發(fā)酵細菌耦合法制氫； 　　 　　(5)酶催化法制氫。 　　 　　目前發(fā)酵細菌產(chǎn)氫速率較高，對條件要求較低，具有直接應(yīng)用前景。但PSB光合產(chǎn)氫速率比藻類快，能量利用率比發(fā)酵細菌高，且能將產(chǎn)氫與光能利用、有機物去除有機耦合一起，相關(guān)研究也最多，也是最具有潛應(yīng)用前景方法之一。生物制氫全過程中，氫氣純化與儲存也是一個很關(guān)鍵問題。生物法制氫氣含量通常為60%-90%(體積分數(shù))，氣體中可能混有CO2、O2和水蒸氣等?？梢圆捎脗鹘y(tǒng)化工方法來，如50%(質(zhì)量分數(shù))KOH溶液、苯三酚堿溶液和干燥器或冷卻器。氫氣幾種儲存方法(壓縮、液化、金屬氫化物和吸附)中，納米材料吸附儲氫是目前被認為最有前景。 　　 　　2.3目前研究中存問題縱觀生物技術(shù)研究各階段，比較而言，對藻類及光合細菌研究要遠多于對發(fā)酵產(chǎn)氫細菌研究。傳統(tǒng)觀點認為，微生物體內(nèi)產(chǎn)氫系統(tǒng)(主氫化酶)很不穩(wěn)定，進行細胞固定化才可能實現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫。，迄今為止，生物制氫研究中大多采用純菌種固定化技術(shù)。 　　 　　，該技術(shù)中也有不可忽視不足。首先，細菌包埋技術(shù)是一種很復(fù)雜工藝，且要求有與之相適應(yīng)菌種生產(chǎn)及菌體固定化材料加工工藝，這使制氫成本大幅度增加；第二，細胞固定化形成顆粒內(nèi)部傳質(zhì)阻力較大，使細胞代謝產(chǎn)物顆粒內(nèi)部積累而對生物產(chǎn)生反饋抑制和阻遏作用，使生物產(chǎn)氫能力降低；第三，包埋劑或其它基質(zhì)使用，勢必會占據(jù)大量有效空間，使生物反應(yīng)器生物持有量受到限制，限制了產(chǎn)氫率和總產(chǎn)量提高?，F(xiàn)有研究大多為實驗室內(nèi)進行小型試驗，采用批式培養(yǎng)方法居多，利用連續(xù)流培養(yǎng)產(chǎn)氫報道較少。試驗數(shù)據(jù)亦為短期試驗結(jié)果，連續(xù)穩(wěn)定運行期超過40天研究實例少見報道。即便是瞬時產(chǎn)氫率較高，長期連續(xù)運行能否獲較高產(chǎn)氫量尚待探討。，生物技術(shù)欲達到工業(yè)化生產(chǎn)水平尚需多年努力。 　　 　　3、展望氫是高效、潔凈、可再生二次能源，其用途越來越廣泛，氫能應(yīng)用將勢不可當進人社會生活各個領(lǐng)域。氫能應(yīng)用日益廣泛，氫需求量日益增加，開發(fā)新制氫工藝勢必行，從氫能應(yīng)用長遠規(guī)劃來看開發(fā)生物制氫技術(shù)是歷史發(fā)展必然趨勢。 　　 　　開發(fā)中國生物制氫技術(shù)需要做到以下政策和軟件支持： 　　 　　(1)勵大宣傳。人是生物能源生產(chǎn)主體和消費主體，有必要輿論宣傳加強人們對生物能源認識； 　　 　　(2)加大政府投資和扶持。新生物能源初始商業(yè)化階段要進行減免稅等優(yōu)惠政策； 　　 　　(3)借鑒國外經(jīng)驗。充分調(diào)動方和工業(yè)界積極性八 　　 　　(4)加強高校對生物能源教育及研究。人們對生物能源認識不斷加深，政府扶持力度加大和研究深人，生物制氫綠色能源生產(chǎn)技術(shù)將會展現(xiàn)出它更大開發(fā)潛力和應(yīng)用價值。 本文出自：廣州靈龍電子技術(shù)有限公司,制氫、氫燃料電池(www.liongon.com)