光化学,电化学和太阳能的转化

1、光化学和太阳能的转化 潘华 环境科学与工程系 1. 光化学 2. 太阳能及其转化 3. 光催化制氢 1.光化学 1.1 光化学概念 1.2光化学定律 1.3 光化学反应过程 1.4 大气中重要气体的光吸收 1.5 光化学烟雾 1.1 光化学概念 光化学是研究光与物质相互作用所引起的 永久性化学效应的化学分支学科。由于历史的 和实验技术方面的原因，光化学所涉及的光的 波长范围为1001000纳米，即由紫外至近红外 波段。 光化学过程是地球上最普遍、量重要的过程之一，绿 色植物的光合作用，动物的视觉，涂料与高分子材料的光 致变性，以及照相、有机化学反应的光催化等，无不与光 化学过程有关。近年来得到

2、广泛重视的同位素与相似元素 的光致分离、光控功能体系的合成与应用等，更体现了光 化学是一个极活跃的领域。但从理论与实验技术方面来看， 在化学各领域中，光化学还很不成熟。 光化学反应是由原子、分子、自由基或离子吸收光子所引起的化 学变化。光化学反应不同于热化学反应： 第一，光化学反应的活化主要是通过分子吸收一定波长的光来实 现的，而热化学反映的活化主要是分子从环境中吸收热能而实现的。 光化学反应受温度的影响小，有些反应与温度无关。 第二，一般而言，光活化的分子与热活化分子的电子分布及构型 有很大不同，光激发态的分子实际上是基态分子的电子异构体。 第三，被光激发的分子具有较高的能量，可以得到高内能

3、的产物， 如自由基、双自由基等。第四，光化学反应一般速度很快，反应很 难发生平衡，故常用反应速率常数代替平衡常数来说明光化学反应 的能力。 1.2 光化学定律 光化学第一定律 光化学第一定律又称格罗杜斯-德拉波（Grotthus-Draper）定律， 其内容为：只有被体系内分子吸收的光，才能有效地引起该体系 的分子发生光化学反应。 此定律虽然是定性的，但却是近代光化学的重要基础。例如理论 上只需284.5kJmol的能量就可以使H20分解，这相当于420 nm光子的能量，似乎只需可见光就可以了。但实际上在通常情况 下H20并不被光解，原因是H20不吸收波长为420nm的光。H20最大 吸收在5

4、0008000 nm和20000 nm的两个频段。因此，可 见光和近紫外光都不能使H20分解。 光化学第二定律 此定律又称为Einstein光化当量定律，是爱因斯坦 在1905年提出的，内容为：在光化学反应的初级过程 中，被活化的分子数(或原子数)等于吸收光的量子数， 或者说分子对光的吸收是单光子过程，即光化学反应 的初级过程是由分子吸收光子开始的。 光子能量与化学键能的关系光子能量与化学键能的关系 只有当激发态分子(活化分子)的能量足够使分子 内最弱的化学键断裂时，才能引起化学反应，即说明 光化学反应中，旧键的断裂与新键的生成都与光子的 能量有关。 根据Einstein公式，1摩尔分子吸收1

5、摩尔光子的总 能量为： E = N0h = N0hc/ = 1.196 105/(kJ/mol) 利用此公式可以从化学键能计算其相应的波长。 1.3 光化学反应过程 光化学初级过程和次级过程 化学物种(分子、原子等)吸收光量子后，可产生光化学 反应的初级过程和次级过程。 初级过程包括化学物种吸收光能形成激发态物种及该激 发态可能发生的反应，其基本步骤为： A + hv A* 式中 A* 物种A的激发态； hv 光量子。 随后激发态A*可能发生如下几种反应： 辐射跃迁： A* A hv （荧光、磷光） （1） 碰撞去活化： A* + M A + M (2) 光解离： A* B1 + B2 + (

6、3) 与其它分子反应： A* + C D1 + D2 + . (4) 其中，（1）、（2）为光物理过程，前者为激发态物种通过辐 射荧光或磷光而失活，后者为激发态物种通过与其它分子M碰撞， 将能量传递给M，本身又回到基态，亦即碰撞失活。 式（3）和（4）为光化学过程，前者为光离解，即激发态物种 离解成为两个或两个以上新物种。后者为A*与其它分子反应生成 新的物种。对大气环境化学来说，光化学过程更为重要。激发态 物种会在什么条件下离解为新物种，以及与什么物种反应可产生 新物种，对于描述大气污染在光作用下的转化规律尤为重要。 次级过程是指在初级过程中激发态物种分解而产生了自由基， 自由基引发进一步的

7、反应过程。如氯化氢的光化学反应过程： HCl hv H Cl （激发光离解） （5） H HCl H2 Cl （反应物与生成物反应） （6） Cl Cl Cl2 （生成物之间的反应） (7) 其中，式（5）为初级过程，式（6）(7)（8）为次级过程。 在对流层气相中初级光化学过程的主要类型有： 光解 一个分子吸收一个光量子的辐射能时，如果所吸收的能量等于或 大于键的离解能，则发生键的断裂，产生原子或自由基，它们可 以通过次级过程进行热反应。这类反应在大气中很重要，光解产 生的自由基及原子往往是大气中OH、HO2、和RO2等的重要来源。 对流层清洁和污染大气中、平流层大气中的主要化学反应都与这

8、些自由基或原子的反应有关。 例如：在430 nm波长的作用下，NO2光解离产生的是电子 基态的产物： NO2 hv NO O（3P） O（3P）为三重态即基态原子氧，在一个大气压下的空气中O （3P）会立即发生发应： O（3P） O2 O3 这个反应是对流层大气中唯一已知的O3人为来源。 分子内重排 在一定条件下，化合物在吸收光量子后能够引起分子内重排。 例如：邻硝基苯甲醛在蒸汽、溶液或固相中的光解 光异构化 气相中的某些有机化合物吸收光能后，发生异构化反应，如： 光二聚合 某些有机化合物在光的作用下发生聚合反应，生成二聚体。 如光取向膜用材料的研制。 在双分子的光化学过程中，氢摘取是较为重要

9、的反应，它们 有可能发生在液相表面或水滴中。 氢的提取 羰基化合物吸收光能形成激发态后，在有氢原子供 体存在时，容易发生分子间氢的提取反应，如 光敏化反应 光敏化反应是指，有些化合物能够吸收光能，但自身并不参与 反应，而把能量转移给另一化合物使之成为激发态参与反应。吸 光的物质称为光敏剂（S），接受能量的化合物称为受体（A）。 光敏化反应可表示为： S（S0） hv S（S1） S（S1） S（T1） S（T1） A（S0） S（S0） A（T1） A（T1） 参与反应 上述化学过程以光解最为重要，此过程可生成反应性极强的碎 片，从而引发一系列的化学反应。 1.4 大气中重要气体的光吸收 由于

10、高层大气中的氧和臭氧近乎完全吸收了波长290 nm的 紫外辐射，因此，低层大气中的污染物主要吸收波长300 700 nm(相当于398167kJmol能量)范围的光线。迄今为止， 已知的比较重要的吸收光后能进行光解的污染物主要有：NO2、 O3、SO2、HONO、H2O2、RONO2、RONO、RCHO、 RCOR等。 表10.1 主要气体的光吸收特征波段 气体主要的光吸收带 NO2290410nm SO2340400nm, 240330nm, 180-240 O3200300nm, 300360nm, 最强吸收在254nm HONO300400nm HCHO290360nm NO2是城市大气

11、中最重要的吸光物质。在低层大气中，它能 吸收全部来自太阳的紫外光和部分可见光。NO2在290410nm 内有连续吸收光谱。 波长在300370 nm之间有90的NO2吸收光子分解为NO和 O；波长370nm，光解反应就很快下降；420nm，就不再 发生光解。这是因为NO和O之间的键能为3054kJmol，相 当于400nm左右光波所提供的能量。即吸收光波长420 nm时， NO2可发生光解： NO2 hv NO O O O2 O3 O3的光吸收特性 紫外区有两个吸收带200300nm和300360nm，最强吸收在 254nm，主要发生在平流层，由于臭氧的吸收，控制了到达对流 层辐射的短波长极限

12、。可见光区还有一个吸收带，波长为450 850nm这个吸收是很弱的。O3吸收紫外光后发生光解反应： O3 hv O O2 当波长290nm，O3对光的吸收就相当弱了。因此O3主要吸 收来自太阳波长290nm的紫外光。产物是否为激发态则取决于 激发能(吸收光能)。在200320nm之间O3光解生成的两个产物都 处于激发态；而320440nm之间(O3光解反应发生了自旋跃迁(O 为3P态)；450850nm之间O3光解产物都为基态。 SO2的光吸收特性 在SO2吸收光谱中有三条吸收带。第一条为340400nm， 于370nm处有一强的吸收，但它是一个极弱的吸收区。第二条为 240330nm，是个较

13、强的吸收区。第三条从240nm开始，随 波长下降吸收变得很强，直到180nm，是一个很强的吸收区。 SO和O之间键能为564.8kJmol，相当于218nm的光波 能量，因此240400nm的光不能使其离解，即在对流层大气中， SO2的光吸收并不发生光解反应，而是形成二种激发态的SO2* 。 SO2 hv 3SO （三重态） 或 SO2 hv 1SO2 （单重态） HONO(亚硝酸)的光吸收特性 HONO是对流层大气中除NO2之外第二个重要的吸光物质， 它可以强烈吸收300400nm范围的光谱，并发生光解，一个 初级过程为： HONO hv HO NO 这是对流层大气中HO自由基的主要来源。

14、另一个初级过程为： HONO hv H NO2 次级过程为： HO NO HNO2 HO HNO2 H2O NO2 HO NO2 HNO3 HCHO的光吸收特性的光吸收特性 HCHO也是对流层大气中的重要吸光物质，它能吸收 290360nm波长范围内的光、并进行光解，初级过程为： HCHO hv H HCO HCHO hv H2 CO 次级过程为： HO HCO H2 CO 2H M H2 M 2HCO H2 2CO 在对流层中，由于O2存在，初级过程生成的HCO和H自 由基很快与O2反应形成HO2即： H O2 HO2 HCO O2 HO2 CO 其它醛类的光解也可以同样方式生成HO2自由基

15、，如乙 醛光解： CH3CHO hv H CH3CO H O2 HO2 所以醛类的光解是大气中HO2自由基的主要来源。 过氧化物的光吸收性 过氧化物ROOR在300700nm范围内有微弱吸收，过 氧化物中OO键能为143kJmol，CO键能为350kJ mol，R中的CC键能为344kJmol，CH键能为415kJ mol，所以过氧化物发生的光解反应如下： ROOR hv RO RO 由此可见，大气中光化学反应(光解离)的产物主要为自由 基。由于自由基的存在，使大气中化学反应活跃，它们能诱 发或参与大量其它反应，使一次污染物转变成二次污染物。 1.5 光化学烟雾 大气中的烃和NOx等为一污染物

16、，在太阳光中紫外线照射下 能发生化学反应，衍生种种二次污染物。由一次污染物和二 次污染物的混合物（气体和颗粒物）所形成的烟雾污染现象， 称为光化学烟雾。NOx是这种烟雾的主要成分，又因其1946 年首次出现在美国洛杉矶，因此又叫洛杉矶型烟雾，以区别 于煤烟烟雾（伦敦型烟雾）。 这种洛杉矶型烟雾是由汽车的尾气所引起，而日光在其中起 了重要作用： 2NO+O22NO2 NO2 NO+O O+O2O3 NO2光分解成NO和氧原子时，光化学烟雾的循环就开始了。 原子氧会和氧分子反应生成臭氧(O3)，O3是一种强氧化剂，O3与 烃类发生一系列复杂的化学反应，其产物中有烟雾和刺激眼睛的 物质，如醛类、酮类

17、等物质。在此过程中，NO2还会形成另一类 刺激性强烈的物质如PAN（硝酸过氧化乙酰）。另外，烃类中一 些挥发性小的氧化物会凝结成气溶胶液滴而降低能见度。 目前对控制光化学烟雾的主要对策有： （1）控制污染源 即控制NOx及烃的浓度，使的浓度符合大气 质量标准的要求。如改善汽车发动机的结构与工作状态以降低 燃料消耗、减少有害气体排放，安装尾气催化转化器以使尾气 无害化等等。 （2）采用清洁能源 如使用氢作为发动机燃料，利用氢氧燃料 电池供电来驱动运输工具（电动车），利用电磁感应的方法推 动火车（超导悬浮列车）等。 （3）使用化学抑制剂 目的使消除自由基，以抑制链式反应 的进行，从而控制光化学烟雾

18、的形成。人们发现二乙基羟胺、 苯胺、二苯胺、酚等对产生的自由基有不同程度的抑制作用， 尤其是二乙基羟胺对光化学烟雾有较好的抑制作用。但抑制 剂可能造成新的污染，许多科学家对此方法持有不同意见。 2. 太阳能及其转化 2.1 太阳能概述 2.2 太阳能利用(热能转换、电能转化、化学转化、 氢能转化、生物质能转化和机械能转换等方式) 2.1 太阳能概述 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生 的能量。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐 射能量（约为3.751026 W）的22亿分之一，太阳每秒 钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤。地球上的风能、 水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以

19、及部分潮汐能 都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料（如煤、石 油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太 阳能。 由于太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变 反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和 对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心 向表面逐渐降低。由核聚变可知，氢聚合成氦在释 放巨大能量的同时，每1g质量将亏损0.00729。根据 目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维 持600亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。 以下为有关太阳能的一些数据： 1. 每年照射到地球表面的太阳能，估计为1.781017 W/a，约为目 前全世界每年所需能量的一万多倍。 2. 其中有

20、30%之太阳能被反射回太空。 3. 约有50%为地球表面吸收后，再重新辐射出去，因此得以维持地球 表面的温度。 4. 约20%的太阳能将地表的水蒸发成水蒸气，形成云、雨及空气的流 动(水力和风力的由来)，同时也造成海洋表面和底层的温差。 5. 只有很小的比例(约0.06%)用於进行植物生长所需的光合作用，太 阳能被转化储存在植物体内碳氢化合物的化学能。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰 富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但 太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度 受各种因素（季节、地点、气候等）的影响，不能维持常 量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。

21、 太阳能利用的优点 1、 普遍性：太阳光照射的面积散布在地球大部分角落，仅差入射角不 同而造成的光能有异，但至少不会被少数国家或地区垄断，造成无谓的 能源危机。 2、 永久性：太阳的能量极其庞大，科学家计算出至少有六百万年的期 限，对于人类而言，这样的时间可谓是无限。 3、 无污染性：现今使用最多的矿物能源，其滋生的问题不外是废物的 处理，物体不灭，能源耗竭越多，产生污染也相对增加，太阳能则无危 险性及污染性。 太阳能利用的缺点 1、 稳定性差：受日夜季候的影响，太阳能不断地生变化。 2、 装置成本过高：吸收太阳能的受光面积须达一定规模方有效果，因 此相对地成本提高。 3、 污染问题：有人针对

22、太阳能的污染问题提出“目视污染”，即庞大 的太阳能收集器造成视觉上的污染。 2.2 太阳能利用(热能转换、电能转化、化学转化、 氢能转化、生物质能转化和机械能转换等方式) 光热转换 光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来，用收集 到的热能为人类服务。早期最广泛的太阳能应用是将 水加热，现今全世界已有数百万个太阳能热水装置。 太阳能热水系统主要包括收集器、储存装置及循环管 路三部分。 太阳能的光热转换是目前技术最为成熟、成本最为低 廉、因而应用最为广泛的形式。其基本原理是将太阳辐 射能收集起来利用温室效应来加热物体而获得热能，如 地膜、大棚、温室等。目前使用较多的太阳能收集装置 有两种：一种是平

23、板式集热器，如太阳能热水器等；另 一种是聚焦型集热器，如反射式太阳灶、高温太阳炉等。 山东德州经济开发区袁桥乡庄科村建起了村集体太阳能浴室 1、按传热介质分类：可分为液体集热器和空气集热器两 大类，其中以液体为传热介质的大多用水作介质，即构成 各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太 阳能干燥器。太阳能集热器的核心是吸热板，它的功能是 吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为 介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式 等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面 涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质的太阳能集热器吸 热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。

24、太阳能集热器的分类： 2、按采光方式分类：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器 两大类。 非聚光式集热器是利用热箱原理（也称温室效应）将太阳能转 变为内能的设备。最常见的太阳能集热器是非聚光式平板型集热 器。它的吸热体基本上为平板形状，吸热面积与采光面积近似相 等，其结构如图（a）是利用温室效应的非聚光型集热器。在温室 充入CO2可提高温室效应。 聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线的反射和折射原理， 采用反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集集中照射在 吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器 获得更高的温度。世界上最大的一面太阳能聚光集热器是法国比 利牛斯山坡上的太阳能高

25、温炉。它的抛物面聚光反射镜有9层楼高， 面积有1830米2，它是由9500块小镜片拼接而成的。反射镜把安 装在对面山坡上的63块巨型平面镜反射过来的阳光聚焦，焦点处 安装高温熔炉，温度可达4000度以上。 3、按吸热体周围的状态分类：可分为普通集热器和真空管 集热器。 真空管集热器是在玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度， 以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层 代替黑色的吸热板，还可抑制吸热体的辐射热损。因此，真空管 集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。在高温和低温 环境下均有较高的集热效率。真空管集热器按其材料结构可分为 全玻璃型和金属吸热体型两大类。其中全玻璃真空

26、太阳能集热管 具有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及全年使用 时间长等优良特性，同时制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较 低，全玻璃真空管热水器的使用日益广泛。 光电转换 光电转换即将太阳能转换成电能。目前，太阳能用于发 电的途径有二：一是热发电，就是先用聚热器把太阳能 变成热能，再通过汽轮机将热能转变为电能；二是光发 电，就是利用太阳能电池的光电效应，将太阳能直接转 变为电能。图为利用太阳能电池提供动力的太阳能飞机。 光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由 几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。 由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何

27、损耗。 简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统 可为房屋照明，并为电网供电。 光伏板组件可以制成不同形状， 而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均 会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分， 这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 现在，太阳能的利用还不很普及，利用太阳能发电还存在 成本高、转换效率低的问题，但是太阳电池在为人造卫星提 供能源方面得到了应用。 目前对於降低太阳能电池价格的发展分成两个方向，一边 是致力於光线的获取并增加转换效率，另一边则是专注於制 造更现代的高效率电池，开发更便宜的物质或降低制程的成 本。 目前，全球最

28、大的屋顶太阳能面板系统位于德国南部比兹 塔特(Buerstadt)，面积为四万平方米，每年的发电量为450万 千瓦。 日本为了达成京都议定书的二氧化碳减量要求，全日本都 普设太阳能光电板，位于日本中部的长野县饭田市，居民在 屋顶设置太阳能光电板的比率甚至达2%，堪称日本第一。 我国的太阳能光电技术自70年代以来，经过“六五”“七 五”、“八五”三个五年计划攻关 ，有了一定的发展，但比起太 阳能热水器产业显得势单力薄。现有光电生产厂家6家，年生 产能 力为44.4MW，实际的销量为2.02.5MW，平均以1520%的 速度增长。产品主要为 单晶硅光电池和非晶硅电池，其他类型的 光电池目前还处于研

29、制阶段。单晶硅太阳电池转换 效率已达14%， 实验室最高为20%，组件制造成本3035元/W，售价4248元/W。 单结非晶硅太阳电池的稳定效率58.5%，实验室最高效率为 8.35%，制造成本3元/W，售价 为24元/W。 目前为止，我国太阳能光电系统的总安装容量在10MW.p以上， 多数用于交通信号、通信和 阴极保护等方面，约占60%以上，其 余用于我国西部阳光资源丰富的边远地区。 1. 目前太阳能电池的种类主要有硅、硫化镉、砷化镓等 电池。 2. 电池技术较成熟，主要用于航天、无人灯塔、无线电 中继站、无人气象站、浮标和电围栏等作为电源。 光电转换利用太阳能的形式：光电转换利用太阳能的形

30、式： 光化转换 光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电 能等其他能量。我们知道，植物靠叶绿素把光能转 化成化学能，实现自身的生长与繁衍，若能揭示光 化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电。目前， 太阳能光化转换正在积极探索、研究中。 70年代科学家发现：在阳光辐照下TiO2之类宽频带间 隙半导体，可对水的电解提供所需能 量，并析出O2和H2， 从而在太阳能转换领域产生了一门新兴学科-光电化学。 随着光 电化学及光伏技术和各种半导体电极试验的发展， 使得太阳能制氢成为发展氢能产业的最佳 选择。 1995年，美国科学家利用光电化学转换中半导体/电介 质界面产生的隔栅电压，通过固定两 个光粒子床

31、的方 法，来解决水的光催化分离问题取得成功。其两个光 粒子床概 念的光电化学水分解机制为： H2的光反应4H2O+4M2H2+4OH-+4M+ O2的光反应4OH-+M+O2+2H2O+4M 净结果为：2H2O2H2+O2(其中M为氧化还原介质) 在太阳能制氢产业方面，1990年德国建成一座500kW太阳能制氢 示范厂，沙特阿拉伯已建成 发电能力为350kW的太阳能制氢厂。 印度于1995年推出了一项制氢计划，投资4 800万美元，在每年 有300个晴天的塔尔沙漠中建造一座500kW太阳能电站制氢，用 光伏-电解 系统制得的氢。自90年代以来，德、英、日、美等国 已投资积极进行氢能汽车的开发。

32、美 国佛罗里达太阳能中心研究 太阳能制氢(SH)已达10年之久，最近用SH作为汽车燃料-压缩天 然气的一种添加剂，使SH在高价值利用方面获得成功，为氢燃料 汽车的实用化 提供了重要基础。其他，在对重量十分敏感的航天、 航空领域以及氢燃料电池和日常生活中 “贮氢水箱”的应用等方 面氢能都将获得特别青睐。 生物质能 生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能 成为21世纪主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约 相当于世界主要燃料消耗的10倍；而作为能源的利用量还不到其 总量的l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环， 其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到自然界

33、中。生物 质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大， 污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源， 生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。 而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给 环境造成的污染。 1、 通过光合作用使太阳能吸收和储存在生物质内经过化学和 生物处理，制成液体或固体燃料。 2、将糖类作物、谷物和植物纤维作原料，生产燃料酒精，渗 到汽油中合成酒精汽油，例如巴西已从甘蔗中提炼酒精和汽油 合成汽车用油。、 3、发展薪炭林。烧炭是一种古老的生物能利用方式，若有计 划的植林，不仅可作燃料以及作为酒精沼气原料，而且还能保 护环境

34、，防止水土流失。 4、将高等有机废物进行分解，在厌氧微生物作用下，可产生 沼气。 5、尚在研究利用藻类和某些微生物的光合作用，在阳光下分 解制氢，提供燃料。 生物转换利用太阳能的方式：生物转换利用太阳能的方式： 生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015年，全 球总能耗将有40%来自生物质能源。光合作用即利用空气中 的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合 物和氧气的过程，光合作用是生命活动中的关键过程，植物 光合作用的简单过程如下： 水 + 二氧化碳 太阳能 - 植物 有机体 + 氧 生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式， 一种以生物质为载体的能量，它直接

35、或间接地来源于植物的光合作 用。 据估计地球上每年植物光合作用固定的碳达21011t，含能量 31021J，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、茎、叶中的太阳 能，相当于全世界每年耗能量的10倍。生物质遍布世界各地，其蕴 藏量极大，仅地球上的植物，每年生产量就像当于目前人类消耗矿 物能的20倍，或相当于世界现有人口食物能量的160倍。虽然不同国 家单位面积生物质的产量差异很大，但地球上每个国家都有某种形 式的生物质，生物质能是热能的来源，为人类提供了基本燃料。 国外生物质能技术的发展状况 生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家 的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在 日本的

36、阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农 场和巴西的酒精能源计划等发展计划。其它诸如丹麦、 荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在 进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能 源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。 沼气技术 主要为厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水，是发展较早的生物 质能利用技术。80年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以 农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料。如印度 和中国的家用沼气池；而发达国家则主要发展厌氧技术，处理禽畜 粪便和高浓度有机废水。目前，日本、丹麦、荷兰、德国、法国、 美国等发达国家均普遍采取厌氧法处理禽畜粪便，而象印度、

37、菲律 宾、泰国等发展中国家也建设了大中型沼气工程处理禽畜粪便的应 用示范工程。采用新的自循环厌氧技术。荷兰IC公司已使啤酒废水 厌氧处理的产气率达到10m3/m3.d的水平，从而大大节省了投资、运 行成本和占地面积。 美国、英国、意大利等发达国家将沼气技术主要用于 处理垃圾，美国纽约斯塔藤垃圾处理站投资2000万 美元，采用湿法处理垃圾，日产26万m3沼气，用于 发电、回收肥料，效益可观，预计10年可收回全部 投资。英国以垃圾为原料实现沼气发电18MW，今后 10年内还将投资1.5亿英镑，建造更多的垃圾沼气发 电厂。 生物质热裂解气化 早在70年代，一些发达国家，如美国、日本、加拿大、欧共体诸

38、 国，就开始了以生物质热裂解气化技术研究与开发，到80年代， 美国就有19家公司和研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究 与开发；加拿大12个大学的实验室在开展生物质热裂解气化技术 的研究；此外，菲律宾、马来西亚、印度、印尼等发展明家也先 生开展了这方面的研究。芬兰坦佩雷电力公司开始在瑞典建立一 座废木材气化发电厂，装机容量为60MW,产热65MW,1996年运行： 瑞典能源中心取得世界银行贷款，计划在巴西建一座装机容量为 20-3OMW的发电厂，利用生物质气化、联合循环发电等先进技 术处理当地丰富的蔗渣资源。 生物质液体燃料 另一项令人关注的技术，因为生物质液体燃料，包括乙醇、植物 油等，可

39、以作为清洁燃料直接代替汽油等石油燃料。巴西是乙醇 燃料开发应用最有特色的国家，70年代中期，为了摆脱对进口石 油的过度依赖，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，到1991 年，乙醇产量达到130亿升，在980万辆汽车中，近400万辆为纯 乙醇汽车，其余大部分燃用20%的乙醇-汽油混合燃料，也就是说 乙醇燃料已占汽车燃料消费量的50%以上。1996年，美国可再生 资源实验室已研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美 国哈斯科尔工业集团公司建立了一个1MW稻壳发电示范工程：年 处理稻壳12，000吨，年发电量800万度，年产酒精2，500吨，具 有明显的经济效益。 其它技术 此外,生物质压缩技

40、术可书固体农林废弃物压缩成型,制成可代 替煤炭的压块燃料。如美国曾开发了生物质颗粒成型燃料： 泰国、菲律宾和马来西亚等第三世界国家发展了棒状成型燃 料。 我国的生物质能源 我国基本上是一个农业国家农村人口占总人口的70%以上， 生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构成中也占有 益要地位。 生物质能资源：我国现有森林、草原和耕地面积41.4亿公 顷，理论上生物质资源理可达650亿吨/年以上（在但第平方公里 土地面积上，植物经过光合作用而产生的有机碳量，每年约为 158吨）。以平均热值为15,000千焦/公斤计算，折合理论资源 最为33亿标准煤，相当于我国目前年总能耗的3倍以上. 实际上，目

41、前可以作为能源利用的生物质主要包括秸秆、 薪柴、禽畜粪便、生活垃圾和有机废渣废水等。据调查，目前 我国秸秆资源量已超过7.2亿吨,约3.6亿吨标准煤，除约1.2亿 吨作为饲料、造纸、纺织和建材等用途外其余6亿吨可作为能 源用途：薪柴的来源主要为林业采伐、育林修剪和薪炭林，一 项调查表明：我国年均薪柴产量约为1.27亿吨，折合标准煤 0.74亿吨：禽畜粪便资源量约1.3亿吨标准煤；城市垃圾量生产 量约1.2亿吨左右，并以每年8%-10%的速度增，据估算，我国 可开发的生物质能资源总量约7亿吨标准煤。 生物质能源和利用 我国生物质的能源利用绝大部分用于农村生活能源，极少 部分用于乡镇企业的工业生产：而利用方式长期来一直以直接 燃烧为主，只是近年来才开始