氢循环(Hydrogen cycle)

作者: 分类: H嘉生活 发布于:2020-07-19 763次浏览 36条评论

根据估计,所有生物 $$99\%$$ 都会利用到 $$\mathrm{H_2}$$(hydrogen)。即使这些种类大部份是微生物,但事实上,几乎所有的细菌和古细菌都具有非常活跃的金属酶(metalloenzyme),称为氢化酶(hydrogenase),这些氢化酶可以让 $$\mathrm{H_2}$$ 和 $$\mathrm{H^+}$$ 互相转换,当微生物产生 $$\mathrm{H_2}$$ 后,这些 $$\mathrm{H_2}$$ 会被别人利用作为燃料,这有助于解释为什幺大气中 $$\mathrm{H_2}$$ 的侦测量那幺少的原因。在人的肠道中也存在着细菌,这些细菌也含有氢化酶,所以在人的呼吸当中,也会有少量的 $$\mathrm{H_2}$$ 可被侦测到。

那幺这些 $$\mathrm{H_2}$$ 又是怎幺循环呢?如图(一)所示

氢循环(Hydrogen cycle)

图(一):氢循环示意图

由图(一)可以知道,利用太阳光中的能量通过光伏电池(photovoltaic cell)的装置并转换成电能。再利用这些电能来电解水,产生氢气和氧气。氧气被释放于大气中,氢气则被储存利用。氢连同氧气被燃烧并释放能量,释放水或蒸气到大气中。

$$\mathrm{2H_2O\rightarrow 2H_2+O_2}$$ (电解 $$2$$ 分子水产生 $$2$$ 分子氢气和 $$1$$ 分子氧气)

$$\mathrm{2H_2+O_2\rightarrow 2H_2O}$$ ($$2$$ 分子氢气和 $$1$$ 分子氧气燃烧产生 $$2$$ 分子水)

但是利用太阳光伏电池的方法有几个缺点,就是如果没有太阳光照射便无法运作,以及所需要的土地面积较大,成本也相对提高,如图(二)所示利用太阳光伏电池的方法需要 $$30$$ 公顷的土地,与高温气冷式反应器(air-cooled reactor)所需要的 $$6$$ 公顷土地比较,足足相差了 $$5$$ 倍,而且所提供的氢气也较经济许多

氢循环(Hydrogen cycle)

图(二):各能源设施所需土地面积

所以现代发展另一种製备氢气的方法那就是利用高温气冷式反应器,高温气冷式反应器是利用高温的氦气进行热交换或是直接驱使气轮机发电,此方法的好处是可以利用较低的成本来製备氢气,其製备氢气的示意图如下

氢循环(Hydrogen cycle)

图(三):高温气冷式反应器

利用化学性质为惰性的氦气作为反应器的冷却剂,而让反应器出口温度达到 $$850^\circ C$$,再藉由热化学的硫碘循环来製备氢气,其示意图如下图(四)

氢循环(Hydrogen cycle)

图(四) :硫碘循环製备氢

硫碘循环主要由三个反应式组成

Bunsen反应(约 $$100^\circ C$$)
$$\mathrm{I_2+SO_2+2H_2O\rightarrow 2HI+H_2SO_{4(g)}}$$

硫酸分解反应(约 $$900^\circ C$$)
$$\mathrm{H_2SO_4\rightarrow H_2O+SO_2+\frac{1}{2}O_2}$$

氢碘酸分解反应(约 $$400^\circ C$$)
$$\mathrm{2HI\rightarrow H_2+I_2}$$

净反应只要提供水跟高温的环境,就能够产生 $$\mathrm{H_2}$$ 跟 $$\mathrm{O_2}$$,其他物质可循环再利用。

总结

能源的利用是全世界都关注的议题,虽然现在大部分都是利用石油或天然气等来当作能源的来源,但是这些来源在燃烧过后会产生 $$\mathrm{CO}$$ 等温室气体,造成地球环境汙染,现在有了利用氢循环来产生能源的方法,不论是在环保或是能源需求上,都是目前最为理想的方法,氢能将是今后能源的发展方向。

参考文献:

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