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用香蕉皮制造氢气和生物炭的新方法

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  随着全球能源需求的增加,化石燃料的消耗也逐渐增加。这导致了温室气体排放量大幅度上升,对环境能够造成严重的不利影响。研究人员正在寻找利用可再次生产的能源来缓解这样一些问题的方法。

  一个主要候选途径是利用生物质(biomass)来产生氢气。这种由动植物成分组成的有机废物,还能从大气中吸收、去除和储存二氧化碳,生物质分解也可实现负排放或去除温室气体。然而,最大限度地将生物质转化为能源的最佳方式,仍然是个问题。

  目前将生物质转化为能源的方法主要有两种:气化(gasification)和热解(pyrolysis)。气化将固体或液体生物质置于1000℃左右的环境中,将其转化为气体和固体化合物;气体称为“合成气”,而固体称为“生物炭”。

  合成气是氢气、甲烷、一氧化碳和其他碳氢化合物的混合物,这些碳氢化合物被用作“生物燃料”来发电。生物炭虽能被用于农业,但通常被认为是一种固体碳废物。

  生物质热解与气化类似,但是热解在相比来说较低的温度(400-800℃)和高达5bar压力的惰性气氛中进行。热解通常分为三种类型:常规、快速和闪速热解。前两种花费的时间最长,并且产生的焦炭最多。

  闪解在600℃下进行,产生最多的合成气,并且停滞时间最短。但是,闪解需要可承受高温和高压的专用反应器。

  近日,由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)基础科学学院教授Hubert Girault领导的研究团队开发了一种新的生物质光热解方法,该方法不但可以产生有价值的合成气,还可以产生能被重新利用的固体碳(生物炭)。这项工作发表在《化学科学》(Chemical Science)上。

  该方法使用通常用来固化电子科技类产品印刷用的金属油墨的氙灯进行闪光热解。Girault的团队在过去几年中也将该系统用于其他目的,例如合成纳米颗粒。

  氙灯的白色闪光灯提供高功率能源,以及促进光热化学反应的短脉冲。该方法目的是产生强大的闪光,使其被生物质吸收,并立即触发生物质光热转化为合成气和生物炭。

  该闪光热解技术可用于不同来源的生物质:香蕉皮、玉米芯、橙皮、咖啡豆和椰子壳,以上物质首先在105℃下干燥24小时,然后研磨并过筛成细粉。然后将粉末置于带有标准玻璃窗的不锈钢反应器中,在环境压力和惰性气氛下,打开氙气灯,整个转换过程在几毫秒内就能结束。

  “每千克干生物质可以产生大约100升氢气和330克生物炭,这达到了原始的干燥香蕉皮质量的33%。”参与这项研究的Bhawna Nagar表示。每千克干生物质还可以净输出4.09兆焦耳(MJ)的能量。

  这种方法的突出之处在于,最终产品氢气和固体的生物炭都是有价值的。氢气可用作绿色燃料,而生物炭既可以掩埋用作肥料,也能够适用于制造导电电极。

  “多年来,我们从大气中间接捕获二氧化碳储存,这一事实进一步提升了我们工作的相关性。”Nagar表示,“个人会使用氙气闪光灯,可以马上将生物质转化为有用的最终产品。”