《生物氢气》PPT课件

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1、第四章生物氢气随着能源危机、环境污染、温室效应等问题的加剧，各国政府对清洁、可再生能源的研究投入正在不断增加。氢气因其相对密度低，燃烧热值高，在转化为热能或电能时只产生水蒸气，不会产生有毒气体和温室气体，是最清洁的环保能源，特别适用于交通运输，同时也是航天航空的理想燃料。因此，在21世纪氢能经济所描绘的蓝图中，氢气是未来最理想的终端能源载体，它的实现将会为人类文明带来新的变革。4.1.1氢气的性质4.1氢气的燃料特性在各种气体中（包括空气等混合气体），氢气的相对密度最小。标准状况下（常压与0℃时），H2以无色、无味无臭的气体存在，1L氢气的质量是0.08

2、99g；在常压下，温度为-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；温度为-259.1℃时，变成雪状固体。由于氢键键能大，燃烧1g氢能释放出142kJ的热能，是汽油发热量的3倍。与汽油、天然气、煤油相比，氢的质量特别轻，携带、运送方便，因而是航天、航空等高速飞行交通工具最合适的燃料。氢与氧气反应的火焰温度可高达2500℃，因此也常是切割或者焊接钢铁材料的最佳燃料。氢气可以被金属氢化物、碳基吸附剂以及金属-有机配位子结构等多孔性且具有非常大表面积的材料大量吸附。当外界加热或加压时，吸附于这些材料中的氢气释放出来，这是目前开发新型氢气储运方法的理论基础。4.

3、1.2氢的特性在大自然中，氢主要以化合态的形式存在于水、石油、煤炭、天然气、各种生命有机体及其有机产物中。地球表面约71%为水所覆盖，储水量很大，其中海洋的总体积约为13.7亿km3，因此，水是氢的大“仓库”，以原子百分比表示，水中含有11%的氢。生物体及其所产生的各种有机物中也含有大量的氢，而地球上有机物归根结底来源于光合作用，其中蕴藏的氢来源于水。由于氢气燃烧后仍然形成水，所以，水和有机物是氢气“取之不尽、用之不竭”的源泉，关键是用什么样的方法从水中或来源于光合作用的各种有机物中制取氢气。生物制氢技术可以在常温、常压、能耗低、环境友好的条件下，从水或

4、各种有机物中制取氢气，这一技术将有望取代目前主要来源于钢铁厂、焦化厂、氯碱厂等的副产品回收纯化及煤、烃类、天然气和生物质的水蒸气重整技术。正因为如此，对生物制氢技术的研究正在受到人们普遍关注。2005年以来，有关生物制氢方面的论文数量和专利数量在急剧增加，这说明了生物制氢技术的研究步伐正在大大加快。4.2生物制氢原理自Nakamura于1937年首次发现微生物的产氢现象，到目前为止已报道有20多个属的细菌种类及真核生物绿藻具有产氢能力。其中，产氢细菌分属兼性厌氧或厌氧发酵细菌、光合细菌、固氮菌和蓝细菌四大类。依据产氢能力，目前备受关注的微生物产氢代谢途径

5、主要有三种：以厌氧或兼性厌氧微生物为主体的暗发酵产氢，它以各种废弃生物质为原料、工艺条件要求简单、产氢速度最快，因此，暗发酵产氢技术的研究进展最快，离规模化生产的距离最近；以紫色光合细菌为主体的光发酵产氢，是暗发酵产氢的最佳补充，既能在暗发酵产氢的基础上，进一步提高底物向氢气的转化效率，又能消除暗发酵产氢过程中积累的有机酸对环境危害的隐患，暗、光发酵偶联制氢技术有望成为由废弃物或废水制氢的清洁生产工艺；蓝细菌和绿藻进行裂解水制氢，尽管目前生物裂解水制氢技术在效率上仍处于劣势，但其以水为制氢底物，在原料上具有优势。虽然，许多固氮菌也具有产氢能力，但是因为这

6、类微生物产氢时需要的ATP来源于氧化有机物，而这些微生物氧化有机物产生ATP的效率非常低，所以，相对于以上其他产氢微生物，其产氢速率低，应用前景不是很好。4.2.1生物制氢的微生物学——依据产氢代谢途径及产氢机理不同，我们将分别介绍光解水产氢的微藻和蓝细菌、光发酵产氢的紫色光合细菌及暗发酵产氢的厌氧或兼性厌氧微生物。4.2.1.1光解水产氢的微生物近年，随着对绿藻光水解制氢技术研究的不断深入，发现了许多能够用于生物制氢的绿藻，主要包括淡水微藻和海水微藻。莱茵衣藻是一种研究生物制氢的模式微藻，另外，斜生栅藻、海洋绿藻、亚心形扁藻和小球藻等都具有产氢的能力。

7、能够产生氢气的蓝细菌有固氮菌鱼腥藻、海洋蓝细菌颤藻、丝状蓝藻等和非固氮菌如聚球藻、黏杆蓝细菌等。研究表明，鱼腥藻属蓝细菌生成氢气的能力远远高于其他蓝细菌属，其中，丝状异型胞蓝细菌和多变鱼腥蓝细菌都具有强大的产氢能力，因而受到人们的广泛关注。目前研究比较深入的放氢蓝细菌主要有鱼腥藻属，念珠藻属的几种异型胞蓝细菌如丝状异型胞蓝细菌、多变鱼腥蓝细菌和念珠藻，个别胶州湾聚球菌属和集胞藻属的蓝细菌种类，它们的产氢速率为0.17—4.2μmolH2/(mgchla·h)。绿藻研究的种类也非常少，最常见的是莱茵衣藻，其最高速度低于2mL/(L·h)蓝细菌或绿藻都具有两

8、个光合作用系统，其中，光合作用系统Ⅱ（PSⅡ）能吸收光能分解水，产生质子和电子，