氢能及其他可再生能源
化学试剂,九料化工商城 / 2020-11-05
氢能
氢元素几乎都以化合物的状态存在，主要存在于水和碳氢化合物中，是取之不尽、用之不竭的元素。氢气是清洁、高效燃料，燃烧产物是水，没有其他污染物。以摩尔为单位，氢气燃烧放热的化学方程式如下：
2H2+O2→2H2O+483.6kJ
按质量计，氢气的燃烧热为1.2×105kJ/kg，是汽油的3倍。这种高密度能量的氢气可作航天动力燃料(但要注意爆炸和渗人金属等特性)，可以像天然气、汽油一样储存起来调剂使用。
要从化合物中得到氢气作为能源使用，需要用另外的能源来交换。最常用的是用电能电解水制得氢气。一般电解水用15％KOH水溶液作电解质，电极反应如下:
阴极:2K++2H2O+2e-→2KOH+H2
阳极:2OH-→H2O+½O2+2e-
电解时所用电极最理想的是铂系金属，但因太贵，可用镍或镍上镀微量的铂，为了降低成本，常用遮镀镍的铁电极。
当今世界上汽车已超过6亿辆，文明世界离不开汽车。汽车业发达的原因主要在于有廉价的汽油。氢燃料电池汽车已出现，将会逐渐和汽油汽车争雄。
氢燃料电池的构造示意于图4.6.1。汽车上安装这种电池，同时携带氢气和氧气，使它们在电池中转化为水，并产生电能开动汽车。2010年上海世博会园区中的百余辆交通车就是以氢燃料电池为动力，它实现了碳的零排放。
氢气很轻，密度很小(0.089g/L)，单位质量占的体积大很难液化(临界温度一240℃)，且易于泄漏，作为车辆燃料，储藏和携带氢气是需要重点攻克的难题。采用低温下液态的氢气，温度要在一250℃左右，用优良的绝热材料才能实现。采用高压压缩，高压钢瓶20MPa下储氢，H2只占钢瓶重量的1.6％。储存在储氢合金中，如铁钛合金，镧镍合金，充氢气时温度较低，H2与合金结合在一起，当加热时，压力在1MPa以下，放出H2，储氢量仅占合金重的1％-2％。上述几种储氢方法都不令人满意。
攻克储氢难关是利用氢能源的关键，化学家们正在进行研究实验，制备容易和氢结合又容易释放出氢气的化合物或某种组成的体系，相信在不久的将来一定会实现。低碳产业和清洁能源的指引加上石油危机的催迫，实现氢气汽车的理想一定会实现。
生物质能和沼气
植物、动物和微生物都是生物质。生物质分解或转化时将其中蕴藏的能量释放出来，即为生物质能。植物是生物能的创造者，它在阳光下，依靠光合作用，将二氧化碳和水生成有机质。在这过程中，将太阳能转化为化学能储藏在生物质中，成为生物质能。
地球上的植物每年通过光合作用固定下来的碳约达2000亿吨，所含能量相当于720亿吨石油，相当于当前全世界每年能源消耗量的8倍。
生物质能种类繁多，包括陆地和海洋中的动植物，人类和动物的排泄物，工业和人类生活的有机废弃物，污水中的有机质等。生物质能资源虽然非常丰富，但并不可能都作为能源加以利用。人类衣食住行各个方面，除需要能源外，生活中所需的粮食、木材、棉花、牧草等都需要植物提供资源。另外自然界的生物质的生成和分解是同时进行着的，构成复杂的平衡。由于人口增加，和不适当地利用自然资源，生态平衡受到冲击，例如大面积砍伐森林、草原过度放牧、物种灭绝加速等。按照可持续发展的思维，利用生物质能可在原有基础上从两方面进行:一是植树种草;二是废物利用。
植树种草、绿化大地其必要性已逐渐地为人类所共识
因为它是人类改善环境、提高生活质量的最主要途径。在此过程中，一部分可用以营造薪柴林，即以获取薪柴提供生物质能为目的，可根据自然条件，选择速生、密植、高产、发热值高的树种进行营造，这种林地不但可生产薪柴和木炭，同时也和其他林地一样具有防风、固沙、保持水土、保护田、改善生态等功能。有的国家从20世纪50年代开始实施，已取得显著效果。有的树种在每公顷土地上年产柴薪相当于6吨石油，是解决能源问题的途径之一。
废物利用、发展沼气。沼气是生物质在厌氧条件下，经过细菌的发酵作用的最终产物。各种生物质如秸杆、杂草垃圾、人畜粪便、工业有机废物等都可以作为原料。沼气的主要成分为甲烷(CH4)，通常占沼气总体积的60％-70％其次是二氧化碳，约占沼气总体积的25％-35％，其余约5％是硫化氢、氮气、氢气和一氧化碳等。纯甲烷燃烧时火焰呈淡蓝色，发热值达36.84MJ/m2，由于沼气中甲烷含量随不同的有机废物和生成条件不同，燃烧热值也有差异，一般在20-25MJ/m3间。
采用沼气池生产沼气的温度在5℃-60℃均能正常产气，而最适宜温度为35℃左右。沼气池适合于在农村兴建原因是:(1)原料来源丰富，农户在从事庄稼生产和禽畜铜养中，可汇集人畜粪便、作物秸、地边杂草和生活垃圾等作原料，来源不断。(2)农村生活能源的消费除电器需要电能外，炊事和取暖都可由沼气承担，通常一个8m＇容积的常温沼气池，每天可产气2m2，能满足能源要求。(3)沼气的副产物残渣和废水是优质的有机肥料，便于就地施用于农田。农村实现沼气化为提供能源、改善生态环境起重要作用。
醇能
甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)可以替代部分汽油，作内燃机燃料。乙醇制成车用的乙醇汽油或称生物燃料，在世界上已很普遍。巴西利用本国盛产的甘蔗生产乙醇，是世界上最大的车用乙醇汽油的生产国和消费国，该国生产的乙醇燃料已替代本国40％以上的汽油消耗，还大量出口，国内已没有使用纯汽油的汽车。乙醇汽油的使用是科学技术上的项成果，世界每年生产乙醇汽油已超过千万吨级规模，使人们增加了一种调制能源的手段。
乙醇可以方便地用粮食或糖为原料，也可用非粮食来制造。在立足于生物质综合利用的基础上，应优先把粮食供人们吃的需求，也不宜毁林拓地种植宜醇作物、损害环境地去生产乙醇。
制取乙醇的原料除粮食外，可用甘蔗、甜菜、玉米、結秆、锯屑等。对含糖和淀粉的原料，可直接发酵，含釬维素的原料先用酸水解使纤维素糖化，然后发酵生成乙醇。
乙醇汽油首先是将乙醇脱水，加入变性剂，成为变性燃料乙醇，将它与一定量汽油调和，成为车用乙醇汽油。乙醇汽油具有增氧剂效果，有提高车用燃料辛烷值、清洁汽车引擎、降低汽车尾气有害物含量的效果。
甲醇的燃烧性能比乙醇更优越，它的生产原料既可以用生物质，也可以由H2和CO催化合成:
催化剂
2H2+CO-----→CH3OH
另外，可利用甲醇制氢，是一种间接而方便的储存氢气的方法。这方法的化学反应式如下:
催化剂
CH3OH+H2O------→CO2+3H2
按这方法得到的气体，通过净化装置除去CO2和其他杂质气体，得到高纯H2，可用于车载的氢燃料电池。
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