氫能及其他可再生能源
化學(xué)試劑,九料化工商城 / 2020-11-05
氫能
氫元素幾乎都以化合物的狀態(tài)存在，主要存在于水和碳?xì)浠衔镏?，是取之不盡、用之不竭的元素。氫氣是清潔、高效燃料，燃燒產(chǎn)物是水，沒有其他污染物。以摩爾為單位，氫氣燃燒放熱的化學(xué)方程式如下：
2H2+O2→2H2O+483.6kJ
按質(zhì)量計(jì)，氫氣的燃燒熱為1.2×105kJ/kg，是汽油的3倍。這種高密度能量的氫氣可作航天動(dòng)力燃料(但要注意爆炸和滲人金屬等特性)，可以像天然氣、汽油一樣儲(chǔ)存起來(lái)調(diào)劑使用。
要從化合物中得到氫氣作為能源使用，需要用另外的能源來(lái)交換。最常用的是用電能電解水制得氫氣。一般電解水用15％KOH水溶液作電解質(zhì)，電極反應(yīng)如下:
陰極:2K++2H2O+2e-→2KOH+H2
陽(yáng)極:2OH-→H2O+½O2+2e-
電解時(shí)所用電極最理想的是鉑系金屬，但因太貴，可用鎳或鎳上鍍微量的鉑，為了降低成本，常用遮鍍鎳的鐵電極。
當(dāng)今世界上汽車已超過(guò)6億輛，文明世界離不開汽車。汽車業(yè)發(fā)達(dá)的原因主要在于有廉價(jià)的汽油。氫燃料電池汽車已出現(xiàn)，將會(huì)逐漸和汽油汽車爭(zhēng)雄。
氫燃料電池的構(gòu)造示意于圖4.6.1。汽車上安裝這種電池，同時(shí)攜帶氫氣和氧氣，使它們?cè)陔姵刂修D(zhuǎn)化為水，并產(chǎn)生電能開動(dòng)汽車。2010年上海世博會(huì)園區(qū)中的百余輛交通車就是以氫燃料電池為動(dòng)力，它實(shí)現(xiàn)了碳的零排放。
氫氣很輕，密度很小(0.089g/L)，單位質(zhì)量占的體積大很難液化(臨界溫度一240℃)，且易于泄漏，作為車輛燃料，儲(chǔ)藏和攜帶氫氣是需要重點(diǎn)攻克的難題。采用低溫下液態(tài)的氫氣，溫度要在一250℃左右，用優(yōu)良的絕熱材料才能實(shí)現(xiàn)。采用高壓壓縮，高壓鋼瓶20MPa下儲(chǔ)氫，H2只占鋼瓶重量的1.6％。儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫合金中，如鐵鈦合金，鑭鎳合金，充氫氣時(shí)溫度較低，H2與合金結(jié)合在一起，當(dāng)加熱時(shí)，壓力在1MPa以下，放出H2，儲(chǔ)氫量?jī)H占合金重的1％-2％。上述幾種儲(chǔ)氫方法都不令人滿意。
攻克儲(chǔ)氫難關(guān)是利用氫能源的關(guān)鍵，化學(xué)家們正在進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，制備容易和氫結(jié)合又容易釋放出氫氣的化合物或某種組成的體系，相信在不久的將來(lái)一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。低碳產(chǎn)業(yè)和清潔能源的指引加上石油危機(jī)的催迫，實(shí)現(xiàn)氫氣汽車的理想一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。
生物質(zhì)能和沼氣
植物、動(dòng)物和微生物都是生物質(zhì)。生物質(zhì)分解或轉(zhuǎn)化時(shí)將其中蘊(yùn)藏的能量釋放出來(lái)，即為生物質(zhì)能。植物是生物能的創(chuàng)造者，它在陽(yáng)光下，依靠光合作用，將二氧化碳和水生成有機(jī)質(zhì)。在這過(guò)程中，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)藏在生物質(zhì)中，成為生物質(zhì)能。
地球上的植物每年通過(guò)光合作用固定下來(lái)的碳約達(dá)2000億噸，所含能量相當(dāng)于720億噸石油，相當(dāng)于當(dāng)前全世界每年能源消耗量的8倍。
生物質(zhì)能種類繁多，包括陸地和海洋中的動(dòng)植物，人類和動(dòng)物的排泄物，工業(yè)和人類生活的有機(jī)廢棄物，污水中的有機(jī)質(zhì)等。生物質(zhì)能資源雖然非常豐富，但并不可能都作為能源加以利用。人類衣食住行各個(gè)方面，除需要能源外，生活中所需的糧食、木材、棉花、牧草等都需要植物提供資源。另外自然界的生物質(zhì)的生成和分解是同時(shí)進(jìn)行著的，構(gòu)成復(fù)雜的平衡。由于人口增加，和不適當(dāng)?shù)乩米匀毁Y源，生態(tài)平衡受到?jīng)_擊，例如大面積砍伐森林、草原過(guò)度放牧、物種滅絕加速等。按照可持續(xù)發(fā)展的思維，利用生物質(zhì)能可在原有基礎(chǔ)上從兩方面進(jìn)行:一是植樹種草;二是廢物利用。
植樹種草、綠化大地其必要性已逐漸地為人類所共識(shí)
因?yàn)樗侨祟惛纳骗h(huán)境、提高生活質(zhì)量的最主要途徑。在此過(guò)程中，一部分可用以營(yíng)造薪柴林，即以獲取薪柴提供生物質(zhì)能為目的，可根據(jù)自然條件，選擇速生、密植、高產(chǎn)、發(fā)熱值高的樹種進(jìn)行營(yíng)造，這種林地不但可生產(chǎn)薪柴和木炭，同時(shí)也和其他林地一樣具有防風(fēng)、固沙、保持水土、保護(hù)田、改善生態(tài)等功能。有的國(guó)家從20世紀(jì)50年代開始實(shí)施，已取得顯著效果。有的樹種在每公頃土地上年產(chǎn)柴薪相當(dāng)于6噸石油，是解決能源問(wèn)題的途徑之一。
廢物利用、發(fā)展沼氣。沼氣是生物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過(guò)細(xì)菌的發(fā)酵作用的最終產(chǎn)物。各種生物質(zhì)如秸桿、雜草垃圾、人畜糞便、工業(yè)有機(jī)廢物等都可以作為原料。沼氣的主要成分為甲烷(CH4)，通常占沼氣總體積的60％-70％其次是二氧化碳，約占沼氣總體積的25％-35％，其余約5％是硫化氫、氮?dú)?、氫氣和一氧化碳等。純甲烷燃燒時(shí)火焰呈淡藍(lán)色，發(fā)熱值達(dá)36.84MJ/m2，由于沼氣中甲烷含量隨不同的有機(jī)廢物和生成條件不同，燃燒熱值也有差異，一般在20-25MJ/m3間。
采用沼氣池生產(chǎn)沼氣的溫度在5℃-60℃均能正常產(chǎn)氣，而最適宜溫度為35℃左右。沼氣池適合于在農(nóng)村興建原因是:(1)原料來(lái)源豐富，農(nóng)戶在從事莊稼生產(chǎn)和禽畜銅養(yǎng)中，可匯集人畜糞便、作物秸、地邊雜草和生活垃圾等作原料，來(lái)源不斷。(2)農(nóng)村生活能源的消費(fèi)除電器需要電能外，炊事和取暖都可由沼氣承擔(dān)，通常一個(gè)8m＇容積的常溫沼氣池，每天可產(chǎn)氣2m2，能滿足能源要求。(3)沼氣的副產(chǎn)物殘?jiān)蛷U水是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，便于就地施用于農(nóng)田。農(nóng)村實(shí)現(xiàn)沼氣化為提供能源、改善生態(tài)環(huán)境起重要作用。
醇能
甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)可以替代部分汽油，作內(nèi)燃機(jī)燃料。乙醇制成車用的乙醇汽油或稱生物燃料，在世界上已很普遍。巴西利用本國(guó)盛產(chǎn)的甘蔗生產(chǎn)乙醇，是世界上最大的車用乙醇汽油的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，該國(guó)生產(chǎn)的乙醇燃料已替代本國(guó)40％以上的汽油消耗，還大量出口，國(guó)內(nèi)已沒有使用純汽油的汽車。乙醇汽油的使用是科學(xué)技術(shù)上的項(xiàng)成果，世界每年生產(chǎn)乙醇汽油已超過(guò)千萬(wàn)噸級(jí)規(guī)模，使人們?cè)黾恿艘环N調(diào)制能源的手段。
乙醇可以方便地用糧食或糖為原料，也可用非糧食來(lái)制造。在立足于生物質(zhì)綜合利用的基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)先把糧食供人們吃的需求，也不宜毀林拓地種植宜醇作物、損害環(huán)境地去生產(chǎn)乙醇。
制取乙醇的原料除糧食外，可用甘蔗、甜菜、玉米、結(jié)稈、鋸屑等。對(duì)含糖和淀粉的原料，可直接發(fā)酵，含釬維素的原料先用酸水解使纖維素糖化，然后發(fā)酵生成乙醇。
乙醇汽油首先是將乙醇脫水，加入變性劑，成為變性燃料乙醇，將它與一定量汽油調(diào)和，成為車用乙醇汽油。乙醇汽油具有增氧劑效果，有提高車用燃料辛烷值、清潔汽車引擎、降低汽車尾氣有害物含量的效果。
甲醇的燃燒性能比乙醇更優(yōu)越，它的生產(chǎn)原料既可以用生物質(zhì)，也可以由H2和CO催化合成:
催化劑
2H2+CO-----→CH3OH
另外，可利用甲醇制氫，是一種間接而方便的儲(chǔ)存氫氣的方法。這方法的化學(xué)反應(yīng)式如下:
催化劑
CH3OH+H2O------→CO2+3H2
按這方法得到的氣體，通過(guò)凈化裝置除去CO2和其他雜質(zhì)氣體，得到高純H2，可用于車載的氫燃料電池。
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