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隨著各類制氫技術日趨完善，氫能源行業規模逐漸壯大，越來越被人們關注。本文對高中化學課制氫實驗展開深入探究，從生物制氫方面進行實驗設計，力求客觀全面地分析問題和解決問題，提高高中化學課的教學質量。生物制氫的原理及優點生物制氫是生物質通過氣化和微生物催化脫氫方法，在生理代謝過程中產生分子氫的過程。
1.生物制氫的原理
原理1：生物質制氫，包括生物質氣化制氫和生物油重整制氫。生物質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，其原料來源于生物質高溫裂解。原理2：主要是利用微生物自身的代謝作用將有機質或水轉化為氫氣，實現能源產出來獲得氫氣，同時獲得一些有價值的副產物。由圖可知，生物質制氫主要有三個方向：（1）生物質直接生物轉化，微生物進行光解和發酵；（2）生物質直接燃燒制取氫氣（農作物秸稈、柴）；（3）生物質熱化工轉化制氫，主要有兩個方向：裂解、氣化。2.生物制氫的優點（1）生物制氫消耗能量低、效率高。（2）生物制氫節能，氫氣為可再生能源。（3）生物制氫原理成本低、制氫不污染環境。（4）一些生物制氫過程具有較好的環境效益。高中化學生物制氫實驗的設計1.光水解制氫實驗分析光解水制氫機理：光合生物體在厭氧條件下，通過光合作用分解水，生成有機物，同時釋放出氫氣。其作用機理和綠色植物光合作用機理相似，在某些藻類和真核生物（藍細菌）體內擁有PSⅠ、PSⅡ等兩個光合中心。PSⅠ產生還原劑用來固定CO2，PSⅡ接收太陽光能分解水產生H+、電子和O2；PSⅡ產生的電子，由鐵氧化還原蛋白攜帶，經由PSⅡ和PSⅠ到達氫酶，H+在氫酶的催化作用下形成H2。（1）直接生物光解制氫系統：利用藻類光解水產氫的系統。（2）間接生物光解制氫系統：利用藍細菌進行產氫的系統。（3）藻類產氫的主要優勢：藻類的產氫反應受氫酶催化，可以利用水作為電子和質子的原始供體。
2.生物質熱化學制氫實驗分析
在實驗過程中將組成生物質的碳氧化合物轉化成含特定比例的CO和H等可燃氣體，并且將伴生的焦油經過催化裂化進一步轉化為小分子氣體，同時將CO通過蒸汽重整（水煤氣反應）轉換為氫氣等。生物質熱化學制氫的基本方法為將生物質原料（薪柴、鋸末、麥秸、稻草等）壓制成型，在氣化爐（或裂解爐）中進行氣化或熱裂解反應，獲得富氫燃料氣，再將富氫燃料氣中的氫與其他氣體通過變壓吸附或變溫吸附分離，獲得高品質氫。研究重點在于獲得理想組分與產率的富氫燃料氣上。
3.生物質熱化學制氫實驗分析
（1）一級氣化法制氫。生物質在某一反應器內被氣化介質直接氣化后，獲得富氫氣體的過程。該氣化反應器優點為結構較為簡單，反應過程容易實現，操作比較方便。當以空氣為氣化介質時，氫氣約10％，熱值約為5MJ／Nm3。（2）二級氣化發制氫。生物質在第一級反應器內被直接氣化后，進入第二級反成器發生裂化或蒸汽重整反應的過程。劣勢為氣化反應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，易造成能源浪費和環境污染。改善措施為增加第二級氣化反應器對初級燃料氣進行（催化）裂化分解和蒸汽重整反應，以提高氫氣濃度，可得25％～45％的富氫燃料氣。（3）一級快速熱解法制氫。生物質在某一反器內被直接快速熱解（>5s）后，獲得富氫氣體的過程。反應原理相當于氣化一步法，但熱解過程在隔絕氧氣條件下進行，溫度較低、物分布不同。（4）二級快速熱解法制氫。生物質在第一級反應器內被直接快速熱解后，再進入第二級反應器發生焦油裂化和蒸汽重整反應生成富氫氣體的過程。與一級制氫相比，二級焦油裂解和蒸汽重整可保證焦油、大分子烷烴等長鏈烴的分解，增加產品氫氣的體積份額。獲得的富氫氣體，氫氣比重高達55%。（5）超臨界水制氫技術。超臨界水是壓力和溫度均高于其臨界點時的水。臨界壓力為220bar，臨界溫度為374℃。作為化學反應介質，它具有良好的傳遞性和溶解特性。在此條件下，水的物理性質會產生許多顯著變化。超臨界水制氫過程可以在熱力學平衡條件下實現。水-有機化合物混合體系在沒有界面傳遞限制的情況下可以進行高效率的化學反應，因此，轉化率非常高（大于90％），而且在氣體組分中氫氣的含量也相當高（達到50％）?；瘜W實驗課開展過程中教師同時要向學生闡述其優點：臨界水是勻相介質，使得在異構化反應中因傳遞而產生的阻力沖擊有所減??；高固體轉化率，有機化合物和固體殘留均很少；氫氣在熱力學平衡下獲得。從而強化學生的認知，開拓學生的視野，明確化學原理的同時，提高課堂氛圍。
作者:崔永樂 單位:山東省萊西市實驗學校
