随着各类制氢技术日趋完善，氢能源行业规模逐渐壮大，越来越被人们关注。本文对高中化学课制氢实验展开深入探究，从生物制氢方面进行实验设计，力求客观全面地分析问题和解决问题，提高高中化学课的教学质量。生物制氢的原理及优点生物制氢是生物质通过气化和微生物催化脱氢方法，在生理代谢过程中产生分子氢的过程。
1.生物制氢的原理
原理1：生物质制氢，包括生物质气化制氢和生物油重整制氢。生物质气化主要是采用木屑、秸秆末等为原料；生物油高温重整制氢，其原料来源于生物质高温裂解。原理2：主要是利用微生物自身的代谢作用将有机质或水转化为氢气，实现能源产出来获得氢气，同时获得一些有价值的副产物。由图可知，生物质制氢主要有三个方向：（1）生物质直接生物转化，微生物进行光解和发酵；（2）生物质直接燃烧制取氢气（农作物秸秆、柴）；（3）生物质热化工转化制氢，主要有两个方向：裂解、气化。2.生物制氢的优点（1）生物制氢消耗能量低、效率高。（2）生物制氢节能，氢气为可再生能源。（3）生物制氢原理成本低、制氢不污染环境。（4）一些生物制氢过程具有较好的环境效益。高中化学生物制氢实验的设计1.光水解制氢实验分析光解水制氢机理：光合生物体在厌氧条件下，通过光合作用分解水，生成有机物，同时释放出氢气。其作用机理和绿色植物光合作用机理相似，在某些藻类和真核生物（蓝细菌）体内拥有PSⅠ、PSⅡ等两个光合中心。PSⅠ产生还原剂用来固定CO2，PSⅡ接收太阳光能分解水产生H+、电子和O2；PSⅡ产生的电子，由铁氧化还原蛋白携带，经由PSⅡ和PSⅠ到达氢酶，H+在氢酶的催化作用下形成H2。（1）直接生物光解制氢系统：利用藻类光解水产氢的系统。（2）间接生物光解制氢系统：利用蓝细菌进行产氢的系统。（3）藻类产氢的主要优势：藻类的产氢反应受氢酶催化，可以利用水作为电子和质子的原始供体。
2.生物质热化学制氢实验分析
在实验过程中将组成生物质的碳氧化合物转化成含特定比例的CO和H等可燃气体，并且将伴生的焦油经过催化裂化进一步转化为小分子气体，同时将CO通过蒸汽重整（水煤气反应）转换为氢气等。生物质热化学制氢的基本方法为将生物质原料（薪柴、锯末、麦秸、稻草等）压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或热裂解反应，获得富氢燃料气，再将富氢燃料气中的氢与其他气体通过变压吸附或变温吸附分离，获得高品质氢。研究重点在于获得理想组分与产率的富氢燃料气上。
3.生物质热化学制氢实验分析
（1）一级气化法制氢。生物质在某一反应器内被气化介质直接气化后，获得富氢气体的过程。该气化反应器优点为结构较为简单，反应过程容易实现，操作比较方便。当以空气为气化介质时，氢气约10％，热值约为5MJ／Nm3。（2）二级气化发制氢。生物质在第一级反应器内被直接气化后，进入第二级反成器发生裂化或蒸汽重整反应的过程。劣势为气化反应生成的燃料气中氢气含量较低，焦油、烷烃等K链烃含量高，就此分离除去，易造成能源浪费和环境污染。改善措施为增加第二级气化反应器对初级燃料气进行（催化）裂化分解和蒸汽重整反应，以提高氢气浓度，可得25％～45％的富氢燃料气。（3）一级快速热解法制氢。生物质在某一反器内被直接快速热解（>5s）后，获得富氢气体的过程。反应原理相当于气化一步法，但热解过程在隔绝氧气条件下进行，温度较低、物分布不同。（4）二级快速热解法制氢。生物质在第一级反应器内被直接快速热解后，再进入第二级反应器发生焦油裂化和蒸汽重整反应生成富氢气体的过程。与一级制氢相比，二级焦油裂解和蒸汽重整可保证焦油、大分子烷烃等长链烃的分解，增加产品氢气的体积份额。获得的富氢气体，氢气比重高达55%。（5）超临界水制氢技术。超临界水是压力和温度均高于其临界点时的水。临界压力为220bar，临界温度为374℃。作为化学反应介质，它具有良好的传递性和溶解特性。在此条件下，水的物理性质会产生许多显著变化。超临界水制氢过程可以在热力学平衡条件下实现。水-有机化合物混合体系在没有界面传递限制的情况下可以进行高效率的化学反应，因此，转化率非常高（大于90％），而且在气体组分中氢气的含量也相当高（达到50％）。化学实验课开展过程中教师同时要向学生阐述其优点：临界水是匀相介质，使得在异构化反应中因传递而产生的阻力冲击有所减小；高固体转化率，有机化合物和固体残留均很少；氢气在热力学平衡下获得。从而强化学生的认知，开拓学生的视野，明确化学原理的同时，提高课堂氛围。
作者:崔永乐 单位:山东省莱西市实验学校
