向水要氫能源 在發(fā)展未來的動力預測中，人們對理想的未來的主要能源之棗氫，越來越重視了，有的科學家甚至將21世紀稱為氫能源水域的上空，刮過一陣兇猛的大風。大風過后，數(shù)千米的海面上，突然燃起了通天大火。大火引起的原因，是由于那陣以每小時200公里疾馳的大風與海水發(fā)生猛烈摩擦，產(chǎn)生了很高的熱量，將水中的氫原子和氧原子分離，并通過大風里電荷的作用，使氫離子發(fā)生爆炸，從而形成了“火海”。 據(jù)科學家估算，這場“火海”所釋放出的能量，相當于200顆氫彈爆炸時所產(chǎn)生的全部能量。氫氣不僅可以燃燒，而且燃燒時產(chǎn)生的熱量很高。氫氣在空氣中燃燒，可達到1000T的高溫；氫氣在氧氣中燃燒，可達2800℃的高溫，它產(chǎn)生的熱量比汽油高得多，每升氫放出的熱量為1千克汽油的3－4倍。 若將氫氣冷卻至一240℃以下，再經(jīng)過加壓，氫就變成一種無色的液體棗液態(tài)氫。這是火箭、火車、飛機、輪船、汽車等的極佳燃料。例如汽車用它作燃料，110公里只需消耗5000克氫氣。而且氫能具有很多優(yōu)點： 1．氫的放熱效率高，燃燒1克氫可以放出14萬焦耳的熱量，約為燃燒1克汽油放熱的3倍，并可以循環(huán)使用。 2．氫的原料主要是水，在1個水分子中就有兩個氫原子，所以資源非常豐富。因為，占地球表面71％的水中都含有大量的氫。 3．氫氣在燃燒過程中，除釋放出巨大的能量外，產(chǎn)生的廢物只有水，不會造成環(huán)境污染，因而又被稱為“清潔燃料”。 4．氫氣的重量輕、密度小、便于運送和攜帶，容易儲藏，與難儲存的電相比，優(yōu)越性更為顯著。 5．氫的用途極為廣泛，它不但能燃燒生熱，而且還可以產(chǎn)生化學能，并作為吸熱的工質(zhì)等。 氫具有這么多優(yōu)點，那么用什么方法來制取和利用呢？ 傳統(tǒng)的制氫方法棗電解水制氫及高壓、高溫制氫，都需要消耗大量的電能和煤或天然氣，消耗的能量比燃燒這種燃料所產(chǎn)生的能量還要多。這種費用上的不劃算使它只適用于專門用途，如推進太空火箭或在航天器中維持燃料電池?？蒲腥藛T經(jīng)過多年的研究，已尋找出兩種較為方便的制氫方法： 其一，是光電化學電池分解水制氫。利用太陽光照射到半導體氧化鈦表面時，在氧化鈦上產(chǎn)生的電流會使水分解，產(chǎn)生氫氣，效率已達12％，是一種很有前途的制氫方法。 其二，是生物制氫，人工模仿植物光合作用分解水制取氫氣。目前，美國、英國用1克葉綠素每小時可產(chǎn)生1升的氫氣，它的轉(zhuǎn)化效率高達 75％。 根據(jù)目前科學家的研究，制取氫的原料除水以外，還可利用微生物產(chǎn)生氫氣。這方面的最初探索，大概在1942年前后。科學家們首先發(fā)現(xiàn)一些藻類的完整細胞，可以利用陽光產(chǎn)生氫氣流。7年之后，又有科學家通過實驗證明某些具有光合作用的菌類也能產(chǎn)生氫氣。此后，許多科學工作者從不同角度展開了利用微生物產(chǎn)生氫氣的研究。近年來，已查明有16種綠藻和3種紅藻類有產(chǎn)生氫的能力。藻類主要是通過自身產(chǎn)生的脫氫酶，利用取之不盡的水和無償?shù)奶柲軄懋a(chǎn)生氫氣。不妨說，這是太陽能在微生物作用下，轉(zhuǎn)換利用的一種形式，這個產(chǎn)氫過程可以在 15－40℃的較低溫度下進行。 科學家們把具有產(chǎn)生氫氣能力的細菌劃分為4個類型： 一種是依靠發(fā)酵過程而生長的嚴格厭氧細菌；第二種是能在通氣條件下發(fā)酵和呼吸的兼性厭氧細菌；第三種是能進行厭氧呼吸的嚴格厭氧菌；第四種是光合細菌。 前三類細菌都能夠利用有機物，從而獲取其生命活動所需要的能量，被稱做“化能異養(yǎng)菌”。第四類的光合細菌，可以利用太陽提供的能量，屬自養(yǎng)細菌范疇。近年來發(fā)現(xiàn)有30種化能異養(yǎng)菌可以發(fā)酵糖類、醇類、有機酸等產(chǎn)生氫氣，其中有些細菌產(chǎn)氫氣能力較強。一種叫酪酸梭狀芽抱桿菌的細菌，發(fā)酵1克重的葡萄糖可以產(chǎn)生約l／4升的氫氣。 在未來的年代，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自然界的各種形式的碳水化合物，都可以轉(zhuǎn)化為廉價的葡萄糖，從長遠觀點看，這條生產(chǎn)氫氣的途徑是值得探求的。為人們熟悉的大腸桿菌以及產(chǎn)氣桿菌，某些芽抱桿菌、反芻動物瘤胃中的很多種細菌，大都具有不同程度的產(chǎn)氫氣能力。在光合細菌中，發(fā)現(xiàn)約13種紫色硫細菌和紫色非硫細菌可以產(chǎn)生氫氣，這部分細菌可利用有機物或硫化物，有的在光照下，有的并不一定需要光的照射，經(jīng)過一系列生化反應而生成氫氣。 利用微生物生產(chǎn)氫氣，在一些國家曾做了中間工廠的試驗性生產(chǎn)，結(jié)果令人滿意。采用活力強的產(chǎn)氣夾膜桿菌，在容積為10升的發(fā)酵器中，經(jīng)8小時發(fā)酵作用后，產(chǎn)生約45升氫氣，最大產(chǎn)氫氣速度為每小時18－23升。人們期待著用遺傳變異手段大幅度提高微生物產(chǎn)氫氣能力，為利用微生物生產(chǎn)氫氣盡早投入實際生產(chǎn)和應用創(chuàng)造條件。 在利用微生物生產(chǎn)氫氣的探索道路上，需要科學家們不斷尋找產(chǎn)生氫氣能力高的各種微生物，深入研究微生物產(chǎn)氫的原理和條件，在上面各項工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計出相應的大規(guī)模生產(chǎn)裝置系統(tǒng)，達到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、成本低三項指標。雖然利用微生物生產(chǎn)氫氣燃料，目前尚處于研究探索或小規(guī)模試產(chǎn)階段，離大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)尚有不小距離。但是，有關(guān)這方面的研究進展，為我們展現(xiàn)了利用微生物生產(chǎn)清潔燃料棗氫氣的廣闊前景。 那么用什么方法來儲存氫氣呢？氫的儲存和攜帶也很困難。若把它壓縮到容積為40升的鋼瓶中，加到150個大氣壓時，鋼瓶內(nèi)才能容0．5千克的氫；若把氫液化又需消耗大量的能量。為此，科研人員經(jīng)過多年研究，已找出了幾種攜帶和儲存氫氣的好方法。這些方法是： 第一種：用海綿狀的吸氫金屬將氫儲存起來，使用時吸氫金屬將氫放出。這種方法既減輕重量，便于攜帶，又可儲存較多的氫。 第二種：利用某些金屬氫化物（例如釩化氫）可以隨溫度變化的特點來儲存和放出氫氣。當溫度由25℃升高到200℃時，釩化氫放出氫的壓力就由1．9個大氣壓急劇升高到870個大氣壓。 上述制造和儲存氫氣的方法正在改進和推廣過程中，可以預見氫能在下一個世紀中緩解能源緊張中顯露頭角，建功立業(yè)。 目前，氫能源的發(fā)展由于制造氫的價格昂貴而受到制約，它比礦物燃料要貴2－3倍。同時氫的密度很低、體積大，要縮小體積，需在零下252℃的極低溫和高壓下進行，僅此一項作業(yè)就要消耗大量的能源。目前一些國家都在研究使用氫的發(fā)動機，研制用氫作燃料的汽車和飛機。此外，開發(fā)、運輸和儲存技術(shù)也還有待進一步解決。 |
摘自《能源趣覽》
