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隨著各類制氫技術(shù)日趨完善，氫能源行業(yè)規(guī)模逐漸壯大，越來(lái)越被人們關(guān)注。本文對(duì)高中化學(xué)課制氫實(shí)驗(yàn)展開(kāi)深入探究，從生物制氫方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，力求客觀全面地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，提高高中化學(xué)課的教學(xué)質(zhì)量。生物制氫的原理及優(yōu)點(diǎn)生物制氫是生物質(zhì)通過(guò)氣化和微生物催化脫氫方法，在生理代謝過(guò)程中產(chǎn)生分子氫的過(guò)程。

1.生物制氫的原理

原理1：生物質(zhì)制氫，包括生物質(zhì)氣化制氫和生物油重整制氫。生物質(zhì)氣化主要是采用木屑、秸稈末等為原料；生物油高溫重整制氫，其原料來(lái)源于生物質(zhì)高溫裂解。原理2：主要是利用微生物自身的代謝作用將有機(jī)質(zhì)或水轉(zhuǎn)化為氫氣，實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)出來(lái)獲得氫氣，同時(shí)獲得一些有價(jià)值的副產(chǎn)物。由圖可知，生物質(zhì)制氫主要有三個(gè)方向：（1）生物質(zhì)直接生物轉(zhuǎn)化，微生物進(jìn)行光解和發(fā)酵；（2）生物質(zhì)直接燃燒制取氫氣（農(nóng)作物秸稈、柴）；（3）生物質(zhì)熱化工轉(zhuǎn)化制氫，主要有兩個(gè)方向：裂解、氣化。2.生物制氫的優(yōu)點(diǎn)（1）生物制氫消耗能量低、效率高。（2）生物制氫節(jié)能，氫氣為可再生能源。（3）生物制氫原理成本低、制氫不污染環(huán)境。（4）一些生物制氫過(guò)程具有較好的環(huán)境效益。高中化學(xué)生物制氫實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)1.光水解制氫實(shí)驗(yàn)分析光解水制氫機(jī)理：光合生物體在厭氧條件下，通過(guò)光合作用分解水，生成有機(jī)物，同時(shí)釋放出氫氣。其作用機(jī)理和綠色植物光合作用機(jī)理相似，在某些藻類和真核生物（藍(lán)細(xì)菌）體內(nèi)擁有PSⅠ、PSⅡ等兩個(gè)光合中心。PSⅠ產(chǎn)生還原劑用來(lái)固定CO2，PSⅡ接收太陽(yáng)光能分解水產(chǎn)生H+、電子和O2；PSⅡ產(chǎn)生的電子，由鐵氧化還原蛋白攜帶，經(jīng)由PSⅡ和PSⅠ到達(dá)氫酶，H+在氫酶的催化作用下形成H2。（1）直接生物光解制氫系統(tǒng)：利用藻類光解水產(chǎn)氫的系統(tǒng)。（2）間接生物光解制氫系統(tǒng)：利用藍(lán)細(xì)菌進(jìn)行產(chǎn)氫的系統(tǒng)。（3）藻類產(chǎn)氫的主要優(yōu)勢(shì)：藻類的產(chǎn)氫反應(yīng)受氫酶催化，可以利用水作為電子和質(zhì)子的原始供體。

2.生物質(zhì)熱化學(xué)制氫實(shí)驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將組成生物質(zhì)的碳氧化合物轉(zhuǎn)化成含特定比例的CO和H等可燃?xì)怏w，并且將伴生的焦油經(jīng)過(guò)催化裂化進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為小分子氣體，同時(shí)將CO通過(guò)蒸汽重整（水煤氣反應(yīng)）轉(zhuǎn)換為氫氣等。生物質(zhì)熱化學(xué)制氫的基本方法為將生物質(zhì)原料（薪柴、鋸末、麥秸、稻草等）壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進(jìn)行氣化或熱裂解反應(yīng)，獲得富氫燃料氣，再將富氫燃料氣中的氫與其他氣體通過(guò)變壓吸附或變溫吸附分離，獲得高品質(zhì)氫。研究重點(diǎn)在于獲得理想組分與產(chǎn)率的富氫燃料氣上。

3.生物質(zhì)熱化學(xué)制氫實(shí)驗(yàn)分析

（1）一級(jí)氣化法制氫。生物質(zhì)在某一反應(yīng)器內(nèi)被氣化介質(zhì)直接氣化后，獲得富氫氣體的過(guò)程。該氣化反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，反應(yīng)過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)，操作比較方便。當(dāng)以空氣為氣化介質(zhì)時(shí)，氫氣約10％，熱值約為5MJ／Nm3。（2）二級(jí)氣化發(fā)制氫。生物質(zhì)在第一級(jí)反應(yīng)器內(nèi)被直接氣化后，進(jìn)入第二級(jí)反成器發(fā)生裂化或蒸汽重整反應(yīng)的過(guò)程。劣勢(shì)為氣化反應(yīng)生成的燃料氣中氫氣含量較低，焦油、烷烴等K鏈烴含量高，就此分離除去，易造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。改善措施為增加第二級(jí)氣化反應(yīng)器對(duì)初級(jí)燃料氣進(jìn)行（催化）裂化分解和蒸汽重整反應(yīng)，以提高氫氣濃度，可得25％～45％的富氫燃料氣。（3）一級(jí)快速熱解法制氫。生物質(zhì)在某一反器內(nèi)被直接快速熱解（>5s）后，獲得富氫氣體的過(guò)程。反應(yīng)原理相當(dāng)于氣化一步法，但熱解過(guò)程在隔絕氧氣條件下進(jìn)行，溫度較低、物分布不同。（4）二級(jí)快速熱解法制氫。生物質(zhì)在第一級(jí)反應(yīng)器內(nèi)被直接快速熱解后，再進(jìn)入第二級(jí)反應(yīng)器發(fā)生焦油裂化和蒸汽重整反應(yīng)生成富氫氣體的過(guò)程。與一級(jí)制氫相比，二級(jí)焦油裂解和蒸汽重整可保證焦油、大分子烷烴等長(zhǎng)鏈烴的分解，增加產(chǎn)品氫氣的體積份額。獲得的富氫氣體，氫氣比重高達(dá)55%。（5）超臨界水制氫技術(shù)。超臨界水是壓力和溫度均高于其臨界點(diǎn)時(shí)的水。臨界壓力為220bar，臨界溫度為374℃。作為化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)，它具有良好的傳遞性和溶解特性。在此條件下，水的物理性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生許多顯著變化。超臨界水制氫過(guò)程可以在熱力學(xué)平衡條件下實(shí)現(xiàn)。水-有機(jī)化合物混合體系在沒(méi)有界面?zhèn)鬟f限制的情況下可以進(jìn)行高效率的化學(xué)反應(yīng)，因此，轉(zhuǎn)化率非常高（大于90％），而且在氣體組分中氫氣的含量也相當(dāng)高（達(dá)到50％）。化學(xué)實(shí)驗(yàn)課開(kāi)展過(guò)程中教師同時(shí)要向?qū)W生闡述其優(yōu)點(diǎn)：臨界水是勻相介質(zhì)，使得在異構(gòu)化反應(yīng)中因傳遞而產(chǎn)生的阻力沖擊有所減小；高固體轉(zhuǎn)化率，有機(jī)化合物和固體殘留均很少；氫氣在熱力學(xué)平衡下獲得。從而強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)知，開(kāi)拓學(xué)生的視野，明確化學(xué)原理的同時(shí)，提高課堂氛圍。

作者:崔永樂(lè) 單位:山東省萊西市實(shí)驗(yàn)學(xué)校