大学化学ⅱ小论文

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哈尔滨工业大学大学化学Ⅱ小论文题目：可再生氢能应用前景——氢的制取学院：专业：班级：学号：姓名：\n可再生氢能应用前景——氢的制取xxxxxxxxxxxxx摘要：本文综述了利用可再生资源制氢的主要技术，包括电解水制氢，太阳能热化学循环制氢和利用生物质转化制氢等，以及对各项技术的基本原理做了介绍，也对可再生氢能系统的应用前景做了展望。关键词：可再生能源；氢能；电解水；光伏电池；太阳能热化学循环；生物质0·引言技术和经济的发展以及人口的增长，使得人们对能源的需求越来越大。目前以石油，煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源。一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，大量的CO2，SO2，NOx气体以及其他污染物，导致了温室效应的产生和酸雨的形成。另一方面，由于化石燃料的不可再生性和有限的储量,日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。据估计，按照目前的消耗量，石油仅仅能维持不到50年,而煤也只能维持200年。据估计做为主要石油输出国的阿拉伯联合酋长国，将在2015年无法满足石油的需求，埃及的化石燃料资源，在未来的20年内就会耗尽!而作为能源需求大国的中国，目前已经有超过31%的石油需要进口，而到2010年，这一数字将会增长到45-55%!基于以上所述环境污染和能源短缺的双重危机，发展清洁的，可再生的新能源的要求越来越迫切。太阳能、风能、生物质、地热能、潮汐能，具有丰富、清洁、可再生的优点，今年来受到了国际社会的广泛关注。尤其以太阳能，风能以及生物质能,更被视为未来能源的主力军。根据简单估算，太阳能的利用率为20%时，利用陆地面积的0.1%就足以提供满足当前全球的能量需求。而中国仅仅依靠风力发电，就足以使目前的发电量翻一番。然而，这些可再生资源具有间歇性，地域特性，并且不易储存和运输的特点。氢，以其清洁无污染，高效，可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。目前各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统。在中国，清华大学已经进行了在2008年奥运会使用以氢为燃料的汽车的可行性分析,绿色奥运将成为2008年北京的一道靓丽的风景线[1]。本文主要归纳总结了利用可再生资源制氢技术的基本原理。通过对比分析并结合实际情况，对于发展可再生氢能源系统进行了展望。基于经济因素的考虑，目前的氢主要是通过化石燃料的重整来制取，比如天然气汽化重整，只有大约5%的氢是通过可再生资源的转换制取。利用太阳能电池和风力发电驱动的电解水反应，利用太阳能的热化学反应和利用生物质制氢是最主要的从可再生能源中制取氢的技术。其他可再生氢的制取技术，比如生物制氢，光电化学技术，光催化技术和光化学技术，虽然具备很大发展前景，但由于还处于很早期的发展阶段，其技术发展，经济性等都还不明朗，本文不做详细讨论。1·电解水制氢1.1·电解水基本原理及分类电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术。\n当两个电极(阴极和阳极)分别通上直流电，并且浸入水中时，水将会被分解并在阴极和阳极分别产生氢气和氧气。这个过程就是电解水。这样的装置则为电解槽。电解水由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成，如式(1),(2)和(3)：Anode：H2O+electricalenergy→1/2O2+2H++2e-(1)Cathode：2H++2e-→H2(2)Overall：H2O+electricalenergy→H2+1/2O2(3)电解水的基本原理：在催化剂和直流电的作用下，水分子在阳极失去电子，被分解为氧气和氢离子，氢离子通过电解质和隔膜到达阴极，与电子结合生成氢气。最早的电解水现象是在1789年被观测到。之后，电解水技术得到了较快的发展。到1902年，世界上就已经有超过400台电解槽装置。目前市场上的电解槽可以分为三种：(1)碱性电解槽；(2)质子交换膜电解槽；(3)固体氧化物电解槽。1.2·电解海水制氢海水是世界上最为丰富的水资源，同时也是理想的制氢资源。尤其在沿海的沙漠地区，比如中东和非洲，淡水资源缺乏，电解海水制氢则成了唯一的选择。但海水富含盐份(NaCl)和其他杂质，并且通常电解槽的电极电势超过了产生氯气所需的电势,这使得在电解海水时，往往是氯气从阳极析出，而非氧气。虽然氢气的产生不会受此影响，但产生的氯气具有强烈的毒性，需要完全避免。在所有常用的电极材料中，只有锰和锰的氧化物及其化合物在电解海水时可以在阳极产生氧气，而抑制氯气的产生。1.3·利用可再生资源电解水制氢如前所述，电解水需要消耗电。由化石燃料产生电能推动电解槽制氢由于会消耗大量的不可再生资源，只能是短期的制氢选择。由可再生资源产生电能，比如通过光伏系列和风机发电，具有资源丰富，可再生，并且整个生命周期影响较小等优点，是未来的发展趋势。光伏电池在吸收太阳光能量后，被光子激发出的自由电子和带正电的空穴在PN结的电场力作用下，分别集中到N型半导体和P型半导体，在连接外电路的情况下便可对外提供直流电流。风能发电由于具有较高的能量利用效率和很好的经济性，在最近几年得到了很快展。风力发电机组利用风的动能推动发电机而产生交流电。在风力充足的条件下，风力发电的规模越大，其经济性越好。因此，近几年风力发电朝着大规模的方向发展。另外，由于海上风力较陆地大，并且不占陆地面积，最近也有将风力发电机组建在海上的趋势。风能发电只需交流-直流转换即可与电解槽相接产氢，经济性较好，目前不少风力资源充足的国家都将风能-电解槽系统列为重点发展的方向。另外，地热能，波浪能所发的电都可以作为电解槽的推动力，但和太阳能与风能一样，都受地域的限制。2·太阳能热化学循环制氢2.1·水的热分解制氢由太阳能聚光器产生的高温可以用于对水进行加热，直接分解而产生氢气和氧气。反应式如(4)：\n2H2O→2H2+O2(4)在这个反应中，水的分解率随温度的升高而增大，提高反应温度，可以有效产氢量。然而，反应所需的高温也带来了一系列的问题。由于温度极高，给反应装置材料的选择带来了很大限制。适合的材料必须在2000K以上的高温具有很好的机械和热稳定性。另一个问题就是氢和氧的分离问题。由于该反应可逆，高温下氢和氧可能会重新结合生成水，甚至发生爆炸。常用的分离方法是通过对生成的混合气体进行快速冷却，再通过Pd或Pd-Ag合金薄膜将氢和氧分离。这种方法将会导致大量的能量损失。近几年有研究人员采用微孔膜分离也取得一些成功[2,3]，使得直接热分解水制氢研究又重新受到广泛关注。2.2·H2S的热分解H2S是化学工业广泛存在的副产品。由于其强烈的毒性，在工业中往往都要采用Clausprocess将其去除，见式(5)：2H+S+O2→2H2O+S2(5)这个过程成本昂贵，还将氢和氧和结合生成水和废热，从而浪费了能源。对H2S的直接热分解可以将有毒气体转化为有用的氢能源，变废为宝，一举两得。H2S的热分解制氢反应式见(6)：2H2S→2H2+S2(6)该反应的转化率受温度和压力的影响。温度越高，压力越低，越有利H2S的分解。据报道，在温度1200K,压力1bar时，H2S的转化率为14%，而当温度为1800K，压力为0.33bar时，转化率可达70%[4]。由于反应在1000K以上的高温进行，硫单质呈气态，需要与氢气进行有效的分离。氢与硫的分离往往通过快速冷却使硫单质以固态形式析出。同样,这种方法也会导致大量的能量损失。3·利用生物质制氢3.1·生物质热裂解制氢生物质热裂解是在高温和无氧条件下对生物质的热化学过程。热裂解有慢速裂解和快速裂解。快速裂解制取生物油是目前世界上研究比较多的前沿技术。得到的产物主要有：(1)以氢(H2)，甲烷(CH4)，一氧化碳(CO)，二氧化碳(CO2)以及其它有机气体等气体成分；(2)以焦油，丙酮，甲醇，乙酸等生物混合油液状成分；(3)以焦碳为主的固体产物[5]。为了最大程度的实现从生物质到氢的转化，需要尽量减小焦碳的产量。这需要尽量快的加热速率和传热速率和适中的温度。热裂解的效率和产物质量除与温度，加热速率等有关外，也受反应器及催化剂的影响。目前国内外的生物质热裂解决反应器主要有机械接触式反应器,间接式反应器和混合式反应器。其中混合式反应器主要以对流换热的形式辅以热辐射和导热对生物质进行加热，加热速率高，反应温度比较容易控制均匀，且流动的气体便于产物的析出，是目前国内外广泛采用的反应器，主要有流化床反应器，循环流化床反应器等[6]。目前用于生物质热裂解的催化剂主要有以Ni为基的催化剂，沸石[7]，K2CO3，Na2CO3，Ca2CO38]以及各种金属氧化物比如Al2O3，SiO2，ZrO2，TiO2[9\n]等都被证实对于热裂解能起到很好的催化作用。热裂解得到的产物中含氢和其他碳氢化合物，可以通过重整和水气置换反应以得到和提高氢的产量。如下式所示：合成气H2O+C→H2+CO(7)CO+H2O→CO2+H2(8)3.2·生物质气化制氢生物质气化是在高温下(约600-800oC)下对生物质进行加热并部分氧化的热化学过程。气化和热裂解的区别就在于裂解决是在无氧条件下进行的，而气化是在有氧条件下对生物质的部分氧化过程。首先，生物质颗粒通过部分氧化生成气体产物和木碳,然后，在高温蒸汽下，木碳被还原，生成CO，H2，CH4，CO2以及其他碳氢化合物。对于生物质气化技术，最大的问题就在于焦油含量。焦油含量过高,不仅影响气化产物的质量，还容易阻塞和粘住气化设备，严重影响气化系统的可靠性和安全性。目前处理焦油主要有三种方法。一是选择适当的操作参数，二是选用催化剂加速焦油的分解,三是对气化炉进行改造。以上分析的利用生物质高温裂解和气化制氢适用于含湿量较小的生物质，含湿量高于50%的生物质可以通过光合细菌的厌氧消化和发酵作用制氢，但目前还处于早期研究阶段，效率也还比较低。另一种处理湿度较大的生物质的气化方法是利用超临界水的特性气化生物质，从而制得氢气。3.3·生物质超临界水气化制氢流体的临界点在相图上是气-液共存曲线的终点，在该点气相和液相之间的差别刚好消失，成为一均相体系。水的临界温度是647K，临界压力为22.1Mpa，当水的温度和压力超过临界点是就被称为超临界水。在超临界条件下，水的性质与常温常压下水的性质相比有很大的变化。在超临界状态下进行的化学反应，通过控制压力，温度以控制反应环境，具有增强反应物和反应产物的溶解度，提高反应转化率，加快反应速率等显著优点，近年来逐渐得到各国研究者的重视[10,11]。在超临界水中进行生物质的催化气化，生物质的气化率可达100%，气体产物中氢的体积百分比含量甚至可以超过50%，并且反应不生成焦油，木碳等副产品，不会造成二次污染，具有良好的发展前景。但由于在超临界水气中所需温度和压力对设备要求比较高，这方面的研究还停留在小规模的实验研究阶段。我国也只进行了少量的研究，比如西安交大多相流实验室就研究了以葡萄糖为模型组分在超临界水中气化产氢，得到了95%的气化效率[12]。中科院山西煤炭化学研究所在间隙式反应器中以氧化钙为催化剂的超临界水中气化松木锯屑,得到了较好的气化效果。到目前为止，超临界水气化的研究重点还是对不同生物质在不同反应条件下进行实验研究，得到各种因素对气化过程的影响。4·小结本文综述了目前利用可再生资源制氢的主要技术，介绍了其基本原理。对各项制氢技术进行了对比分析,总结出利用风能发电再推动电解水，以及利用生物质的热化学制氢具有良好的经济性,对环境的污染较小，技术成熟，可以作为大规模制氢的选择。利用光伏-电解水技术具有诱人的发展前景，但目前还未显示出其经济性。\n而太阳能热化学制氢则处于研究阶段，还难以用于大规模制氢。香港具有比较丰富的可再生资源，利用风力发电和有机废物制氢是可行的制氢技术，而光伏电池还需要大量研究以进一步降低成本。尽管还有大量的研究和更深入的分析要做，利用可再生资源制氢以同时解决污染和能源问题已经为我们展开了一个良好的前景。参考文献：[1]WenFeng，ShujuanWang，WeidouNi，ChangheChen，Thefutureofhydrogeninfrastructuref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