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随着全球经济的不断快速发展,地球上的化石燃料不断枯竭,开发与利用可再生的清洁新能源是当今人类社会生存和发展的当务之急。氢气是重要的清洁能源,随着科学技术的不断快速发展,其在燃料电池和燃料电池电动车方面的应用将不断扩大,这对氢气气源和制氢方法都提出了新的要求。利用生物质乙醇制取氢气的方法是一种具有良好应用前景的制氢技术,其既可以增加农民收入,加大对农业发展的贡献度,又可以减少温室气体排放,实现资源优化,是当前低碳能源经济领域的研究热点。但现有的乙醇制氢技术需要在较高温度和添加贵金属催化剂的条件下才能实现,这样不仅会增加生产成本,还会因金属催化剂的回收不完全而造成环境污染;并且其生产的氢气含有大量的CO2、CO,这会导致温室效应和燃料电池的铂电极中毒,限制了氢气应用与发展。
本研究旨在提出一种新的醇碱制氢体系,可以实现由廉价的生物质乙醇,在温和、无催化剂的条件下快速制取不含CO2、CO的高纯度氢气。综合研究了反应温度、水含量、压力等参数对反应体系的影响。实验结果表明,醇碱制氢体系具有以下优势:反应温度较温和(<240℃),减少加热能耗;无需特定的压力和催化剂参与,降低了氢气生产成本;生物质发酵所得乙醇水溶液即可进行反应,节省精蒸浓缩乙醇水溶液所需能耗;生成的氢气不含CO2、CO,最高纯度可达99.6%,不会引起温室气体和燃料电池电极中毒,降低分离成本;生成固体为高纯度的乙酸钠,其是高附加值的化工原料。
同时,本文对醇碱反应机理进行了初步探讨,推导出乙醇与氢氧化钠的反应式为:
^OH+NaOHnon-catatyat→heat2H2+(-o-ona)
其醇碱反应机理是乙醇在氢氧化钠存在时受热脱出氢气并产生乙醛,之后产生的乙醛再与氢氧化钠发生Cannizzaro反应生成乙酸钠和乙醇。
另外,进一步研究发现,甲醇、丁醇、辛醇、十六醇等都能与氢氧化钠反应产生较高纯度的氢气,反应所产生的固体产物为高纯的羧酸盐,是具有很高附加值的化工原料。此外,还发现氢氧化钾、氢氧化钙都能与乙醇反应产生氢气,但气体的产量与碱的强度有关。这些研究为不同的醇碱体系制取高纯度氢气提供理论基础,从而实现合理、高效、多元化的利用生物质资源。
本研究提出的醇碱制氢工艺所生产的氢气可以应用于燃料电池,是一条环境友好、原料可再生、清洁无污染的新工艺,有望实现氢气燃料代替传统的化石燃料,实现经济与资源、环境协调可持续发展。