Đề tài: CÔNG NGHỆ SINH KHÍ HYDRO CÓ SỬ DỤNG VI SINH VẬT

Chia sẻ: Gfgf Gfgf | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

152
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu sử dụng cho các phương tiện giao thông hiện tại như: xe hơi, xe lửa, máy bay… là từ dầu mỏ. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng nhiên liệu dầu, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch,

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: CÔNG NGHỆ SINH KHÍ HYDRO CÓ SỬ DỤNG VI SINH VẬT

ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BỘ MÔN LỌC - HÓA DẦU ---------- TIỂU LUẬN CÔNG NGỆ SINH HỌC ĐẠI CƯƠNG ĐỀ TÀI SỐ 42 CÔNG NGHỆ SINH KHÍ HYDRO CÓ SỬ DỤNG VI SINH VẬT Sinh viên: Nguyễn Văn Sơn GVHD: Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 TS. Tống Thị Thanh Hương Khóa học: 2008-2013 Hà nội, 14/10/2012 1
MỤC LỤC Mở đầu Thế giới chúng ta đang bị phụ thuộc nặng nề vào một nền kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu sử dụng cho các phương tiện giao thông hiện tại như: xe hơi, xe lửa, máy bay… là từ dầu mỏ. Hơn nữa, một tỉ lệ khá cao các nhà máy điện là nhiệt điện dùng nhiên liệu dầu, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu không có nhiên liệu hóa thạch, nền kinh tế cùng với các phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, sẽ r ơi vào khủng hoảng, ngưng trệ. Gần như toàn bộ nền kinh tế, chính xác hơn là toàn bộ xã hội hiện đại đã phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Trong khi nhiên liệu hóa thạch đóng một vài trò quan trọng trong việc đưa xã hội đến mức phát triển như ngày nay thì nó cũng tồn tại những vấn đề nan giải lớn của thế kỉ: ô nhiễm không khí, các vấn đề môi trường như tràn dầu, nguy hiểm và nóng bỏng hơn cả là vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu cùng với sự nóng lên c ủa trái đ ất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch chỉ là nguồn tài nguyên hữu hạn không thể đ ược tái tạo, và nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch còn làm cho một số nước không có nhiều tài nguyên sẽ bị phụ thuộc vào những nước vốn có nguồn dầu dồi dào ở vùng Trung Đông, từ đó dẫn đến nhiều hệ quả chính trị và kinh tế khác, thậm chí cả những cuộc chiến tranh giành dầu mỏ. Giữa bối cảnh đó, khái niệm về một nền kinh tế hydro dựa trên nguồn năng lượng sạch, dồi dào phục vụ mục tiêu phát triển bền vững của nhân loại xuất hiện như một giải pháp đầy tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” là một hệ thống lưu trữ, phân phối và sử dụng năng lượng dựa trên nhiên liệu chính hydrogen. Thuật ngữ này được tập đoàn General Motors đặt ra năm vào 1970. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất cả những vấn đề do nền kinh tế dựa trên nhiên liệu hóa thạch đã gây ra. Ta có thể kể ra một vài lợi ích chính của nền kinh tế hydrogen là: - Không gây ô nhiễm: khi hydrogen được sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nước, do đó sẽ không làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại như tràn dầu ... - Không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: quá trình điện phân nước tạo hydrogen không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý t ưởng và hoàn 2
hảo – điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo ra nước và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu. - Không phụ thuộc về kinh tế: không dùng dầu mỏ cũng có nghĩa là không phải phụ thuộc vào các thùng dầu nhập khẩu từ nước ngoài. - Hydrogen có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: nhất là từ các nguồn năng lượng tái sinh. Như vậy, những lợi ích về mặt môi trường, kinh tế và xã hội của hydrogen là rất đáng kể và ý nghĩa. Tất cả những thế mạnh này đã tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến nền kinh tế hydrogen. Khoa học đã có nhiều bước phát triển lớn trong việc nghiên cứu, tìm ra các phương pháp để sản xuất khí Hydrogen. Một trong những công nghệ được chú ý gần đây là công nghệ “Công nghệ sinh khí Hydrogen có sử dụng vi sinh vật”. Trong bài tiểu luận này sẽ đi sâu vào tìm hiểu về công nghệ này. Mặc dù đã có nhiều thời gian để nghiên cứu tìm hiểu, nhưng bài tiểu luận s ẽ không thể hoàn thiện nếu không có sự chỉnh sửa và xem sét của giáo viên hướng dẫn. Vì vậy, Em rất cám ơn nếu có sự đánh giá chỉnh sửa của Cô, Ts. Tống Thị Thanh Hương. 3
Chưng 1: Các khái niệm chung 1.1 Khí Hydrogen và ứng dụng 1.1.1 Khí Hydrogen Là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ Hydro (từ tiếng Latinh: hydrogenium) là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với nguyên tử số bằng 1. Trước đây còn được gọi là khinh khí (như trong "bom khinh khí" tức bom H); hiện nay từ này ít được sử dụng. Sở dĩ được gọi là "khinh khí" là do hydro là nguyên tố nhẹ nhất và tồn tại ở thể khí, với trọng lượng nguyên tử 1.00794 u. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75 % tổng khối lượng vũ trụ và tới trên 90 % tổng số nguyên tử. Các sao thuộc dải chính được cấu tạo chủ yếu bởi hydro ở trạng thái plasma. Hydro nguyên tố tồn tại tự nhiên trên Trái đất tương đối hiếm do khí hydro nhẹ nên tr ường hấp dẫn của Trái đất không đủ mạnh để giữ chúng khỏi thoát ra ngoài không gian, do đó hydro tồn tại chủ yếu dưới dạng hydro nguyên tử trong các tầng cao của khí quy ển Trái đất. Đồng vị phổ biến nhất của hydro là proti, kí hiệu là H, với hạt nhân là một proton duy nhất và không có neutron. Ngoài ra hydro còn có một đồng vị bền là deuteri, kí hiệu là D, với hạt nhân chứa một proton và một neutron và một đ ồng v ị phóng xạ là triti, kí hiệu là T, với hai neutron trong hạt nhân. Hình 1: Cấu trúc nguyên tử Hydro 4
Với vỏ nguyên tử chỉ có một electron, nguyên tử hydro là nguyên tử đơn giản nhất được biết đến, và cũng vì vậy nguyên tử hydro tự do có một ý nghĩa to l ớn về mặt lý thuyết. Chẳng hạn, vì nguyên tử hydro là nguyên tử trung hòa duy nhất mà phương trình Schrödinger có thể giải được chính xác nên việc nghiên cứu năng lượng và cấu trúc điện tử của nó đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cả cơ học lượng tử và hóa học lượng tử. Thuộc tính của hydro Ở điều kiện thường, các nguyên tử hydro kết hợp với nhau tạo thành những phân tử gồm hai nguyên tử H2. (Ở những nhiệt độ cao, quá trình ngược lại xảy ra.) Khí hydro lần đầu tiên được điều chế một cách nhân tạo vào đầu thế kỉ 16 bằng cách nhúng kim loại vào trong một axit mạnh. Vào những năm 1766-1781, Henry Cavendish là người đầu tiên nhận ra rằng hydro là một chất riêng biệt và rằng khi bị đốt trong không khí nó tạo ra sản phẩm là nước. Tính chất này chính là nguồn gốc của cái tên "hydrogen", trong tiếng Hi Lạp nghĩa là "sinh ra nước". Ở điều kiện tiêu chuẩn, hydro là một chất khí lưỡng nguyên tử không màu, không mùi, không vị và là một phi kim. Trong các hợp chất ion, hydro có thể có thể tồn tại ở hai dạng. Trong các hợp chất với kim loại, hydro tồn tại dưới dạng các anion hydrua mang một điện tích âm, kí hiệu H-. Hydro còn có thể tồn tại dưới dạng các cation H + là ion dương sinh ra do nguyên tử hydro bị mất đi một electron duy nhất của nó. Tuy nhiên một ion dương với cấu tạo chỉ gồm một proton trần trụi (không có electron che chắn) không thể tồn tại được trong thực tế do tính dương điện hay tính axit và do đó khả năng phản ứng với các phân tử khác của H+ là rất cao. Một cation hydro thực sự chỉ tồn tại trong quá trình chuyển proton từ các axit sang các bazơ (phản ứng axit-bazơ). Trong dung dịch nước H+ (do chính nước hoặc một loại axit khác phân ly ra) kết hợp với phân tử nước tạo ra các cation hydroni H3O+, thường cũng được viết gọn là H+. Ion này đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong hóa học axit-bazơ. Hydro tạo thành các hợp chất cộng hóa trị với hầu hết các nguyên tố khác. Nó có mặt trong nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ cũng như các cơ thể sống. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H2, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương. Hydro có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Khả năng kết hợp của hydro 5
Là nhẹ nhất trong mọi chất khí, hiđrô liên kết với phần lớn các nguyên tố khác để tạo ra hợp chất. Nó có độ điện âm 2,2 vì thế nó tạo ra hợp chất ở những chỗ mà nó là nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều hơn cũng như khi nó là nguyên tố mang tính kim loại nhiều hơn. Các chất loại đầu tiên gọi là hiđrua, trong đó hiđrô hoặc là tồn tại dưới dạng ion H- hay chỉ là hòa tan trong các nguyên tố khác (chẳng hạn như hiđrua palađi). Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, khi đó ion H + là một hạt nhân trần và có xu hướng rất mạnh để hút các điện tử vào nó. Các dạng này là các axít. Vì thế thậm chí trong các dung dịch axít người ta có thể tìm thấy các ion như hiđrôni (H3O+) cũng như prôton. Hiđrô kết hợp với ôxy tạo ra nước, H2O và giải phóng ra năng lượng, nó có thể nổ khi cháy trong không khí. Ôxít đơteri, hay D 2O, thông thường được nói đến như nước nặng. Hiđrô cũng tạo ra phần lớn các hợp chất với cacbon. Vì sự liên quan của các chất này với các loại hình sự sống nên người ta gọi các hợp chất này là các chất hữu cơ, việc nghiên cứu các thuộc tính của các chất này thuộc về hóa hữu cơ. Hydro có thể gây nổ Hiđrô là một chất khí dễ bắt cháy, nó cháy khi mật độ chỉ có 4%. Nó có phản ứng cực mạnh với clo và flo, tạo thành các axít hiđrôhalic có thể gây tổn thương cho phổi và các bộ phận khác của cơ thể. Khi trộn với ôxy, hiđrô nổ khi bắt lửa. Hidro cũng có thể nổ khi có dòng điện đi qua. Điều chế khí hydro Trong phòng thí nghiệm, hiđrô được điều chế bằng phản ứng của axít với kim loại, như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó đ ược điều chế từ khí thiên nhiên. Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản xuất hàng loạt hiđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phương pháp điều chế mới như sản xuất hiđrô sinh học sử dụng quá trình quang phân ly nước ở tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học như glucôda hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới. Hiđrô có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than (cacbon) nóng đỏ, phân hủy hiđrôcacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiềm) trong dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axít loãng với một kim loại (có khả năng đẩy hiđrô từ axít) nào đó, sử dụng vi sinh vật có khả năng sinh khí Hydro … 6
Việc sản xuất thương mại của hiđrô thông thường là từ khí tự nhiên được xử lý bằng hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), hơi nước tác dụng với mêtan để sinh ra mônôxít cacbon và hiđrô. CH4 + H2O → CO + 3 H2 Điện phân dung dịch có màng ngăn : 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2 Điện phân nước : 2H2O → 2H2 + O2 Lượng hiđrô bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phản ứng nước-khí sau: CO + H2O → CO2 + H2 1.1.2 Khả năng ứng dụng của khí hydro Trong thế kỷ 21 chúng ta sẽ được chứng kiến một sự thay đổi sâu sắc trong nền kinh tế thế giới và các sinh hoạt xã hội: sự chuyển đổi từ nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thạch sang nền kinh tế dựa vào nhiên liệu hyđrô nhờ năng lượng mặt trời. Nền kinh tế hyđrô nhờ năng lượng mặt trời không còn là ý tưởng mơ hồ hoặc chỉ là viễn tưởng khoa học, khả năng hiện thực hóa nền kinh tế hyđrô chỉ khoảng 25-35 năm nữa thôi! Như Tổng thống Mỹ G. Bush đã hy vọng, "chiếc xe ô tô đầu tiên trong đời của những trẻ mới sinh hôm nay ngồi cầm lái, sẽ là xe hyđrô dòng ZEV". 7
Hình 2: Mô hình sản xuất và phân phối Hydro Một nguồn năng lượng mới, đó là hydro (hydrogen, H2). Hydro là một loại khí có nhiệt cháy cao nhất trong tất cả các loại nhiên liệu trong thiên nhiên, đã được sử dụng làm nhiên liệu phóng các tàu vũ trụ. Đặc điểm quan trọng của hydro là trong phân tử không chứa bất cứ nguyên tố hóa học nào khác, như cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy của chúng chỉ là nước (H 2O), được gọi là nhiên liệu sạch lý tưởng. Hydro được sản xuất từ nước và năng lượng mặt trời, vì vậy hydro thu đ ược còn gọi hydro nhờ năng lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước và ánh nắng mặt trời có vô tận và khắp nơi trên hành tinh. Năng lượng mặt trời đ ược thiên nhiên ban cho hào phóng và vĩnh hằng, khoảng 3×1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần năng lượng toàn thế giới tiêu thụ hằng năm. Vì vậy, hydro nhờ năng lượng mặt trời là nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ thế kỷ này qua thế kỷ khác bảo đảm an toàn năng lượng cho loài người mà không sợ cạn kiệt, không thể có khủng hoảng năng lượng và bảo đảm độc lập về năng lượng cho mỗi quốc gia, không một quốc gia nào độc quyền sở hữu hoặc tranh giành nguồn năng lượng hydro như từng xảy ra với năng lượng hóa thạch. Hãy tưởng tượng một trạm xăng tạo ra khí từ nước và ánh sáng mặt trời . Một số trạm hydro hiện nay đã được xây dựng. Bằng cách kết nối các tấm năng l ượng mặt trời với một bình điện phân, điện từ mặt trời phân tách nước thành hydro và oxy tinh khiết. Tại các trạm như thế này , chúng ta có thể tiếp nhiên liệu vào xe ch ạy bằng pin nhiên liệu hydro tái tạo và có thể chạy hàng trăm dặm mà không có khí thải. Một mô hình thực như hình 3. Hình 3: Trạm phân phối Hydro 8
Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hoá mà trong đó biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H 2 và khí O2 hoặc không khí. Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu ở đây là trực tiếp từ hoá năng sang điện năng theo phản ứng H 2 + O2 = H20 + dòng điện, nhờ có tác dụng của chất xúc tác, thường là các màng platin nguyên chất hoặc hỗn hợp platin, hoặc các chất điện phân như kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn ... thực chất nó là một loại pin điện hoá. Người ta phân loại các pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực và các chất xúc tác trong pin nhưng nguồn nguyên liệu vẫn chỉ là H2 và O2/không khí. Trước đây người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt năng dưới dạng đốt cháy, sau đó từ nhiệt năng sẽ biến đổi thành cơ năng qua các tua bin khí và các tua bin đó dẫn động các máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp như vậy thì hiệu suất của quá trình sẽ thấp. Từ đó ta dễ dàng so sánh quá trình biến đổi trực tiếp trong pin nhiên liệu là có hiệu suất rất cao. Ngoài ra một trong những sự thu hút nhất của một loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" đã được phát triển trong công nghiệp ô tô vận tải, là nguồn nguyên liệu trong xe hơi, nó đang được phát triển trong các công ty ô tô hàng đầu thế giới như General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda ... (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc).... và tiềm năng của nó trong các ngành công nghiệp phục vụ đời sống là rất to lớn. Pin nhiên liệu sẽ có thể nắm giữ vai trò chủ đạo trong viễn cảnh nguồn năng lượng của thế giới trong tương lai. Những đặc điểm ưu việt của nó như hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ..., sẽ bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng trong các nhà máy điện trong tương lai. Có thể nói Hydro sẽ trở thành nguồn năng lượng của thế kỷ 21, mà như các nghiên cứu chỉ ra rằng, pin nhiên liệu có một ưu thế không thể nghi ngờ hơn tất cả các thiết bị biến đổi năng lượng khác. Máy bay không bao giờ tiếp đất Là một phần của một dự án của cơ quan nghiên cứu nâng cao qu ốc phòng M ỹ (DARPA), Boeing đã tạo ra một chiếc máy bay có thể bay liên tục trong ánh sáng m ặt tr ời một mình. Các máy bay cánh rộng được bao phủ bởi các tấm thu năng lượng m ặt tr ời. Nhưng làm thế nào nó bay vào ban đêm? Một tế bào nhiên li ệu oxit rắn t ừ h ệ th ống đ ộng cơ điện Versa của máy bay sẽ cung cấp năng lượng vào ban đêm bằng cách sử d ụng nhiên 9
liệu sản xuất từ thế hệ mặt trời dư thừa trong ngày. Nhiên liệu đó chính là Hydro được sản xuất từ năng lượng mặt trời vào ban ngày. Hình 3: Máy bay bay liên tục Sử dụng làm nhiên liệu cho ô tô Trong kỉ nguyên hướng đến một nền kinh tế với nhiên liệu sạch hơn, xe chạy bằng pin nhiên liệu (FCEVs) được đưa ra thị trường nhiều hơn. Giống như pin xe điện (BEVs), FCEVs sử dụng động cơ điện cho động cơ đẩy. Điều này làm cho động cơ hoàn toàn êm, không có sự chuyển động của pittong, nó làm cho các phương tiện hoạt động hiệu quả và tiện lợi. Một bồn chứa hydro có thể đổ đầy trong vài phút ở một trạm tiếp nhiên liệu nào đó giống như một trạm xăng ngày nay. FCEVs có thể đi hàng trăm dặm với một bình chứa nhiên liệu, vì thế người tiêu dùng hoàn toàn yên tâm về khả năng cung cấp nhiên liệu cho chặng đường dài. Nhiên liệu tốt trong mọi điều kiện, từ mùa hè tới mùa đông, và việc sử lí giống như bất kì chiếc xe nào khác mà bạn đã lái. Kể từ khi các cell nhiên liệu được mở rộng về kích thước, chúng còn được sử dụng cho xe buýt, tên lửa, và nhiều thứ khác. Sau nữa là, FCEVs là nhiên liệu sạch 100%, không thải ra bất kì chất thải gì ngoại chừ nước. Gần như tất cả các nhà máy lớn trong lĩnh vực sản xuất ô tô đều dự kiến đến năm 2015 sẽ sản xuất hàng loạt các phương tiện giao thông có khả năng chạy bằng hydro. Hình 4 là một số mẫu xe chạy bằng nhiên liệu hydro. Về thiết kế bên ngoài của những chiếc xe này thì giống như những chiếc xe bình thường khác chạy bằng xăng, chỉ có một điểm khác biệt là động cơ thì giống như động cơ điện. 10
Hình 4: Một vài mẫu xe sử dụng nhiên liệu hydro. Trong lĩnh vực quân sự Các khoang nhiên liệu cung cấp lợi thế quân sự mà có thể làm giảm gánh nặng cho binh sĩ và cứu sống con người trong chiến trường. Khi thiết bị quân sự đã trở nên ngày càng điện tử, nhu cầu sử dụng năng lượng trong lĩnh vực này đã tăng lên đáng kể. Và nếu như sử dụng các pin nhiên liệu thì những người lĩnh chỉ phải mang trên người khoảng 5 lbs. Công nghệ này thì ngày nay và đã được sử dụng trong các trương trình trình diễn. Các phương tiện quân sự sử dụng nhiên liệu hydro tạo ra lợi thế vô cùng lớn, máy bay không tạo ra tiếng ồn, các phương tiện hoạt động trên mặt đất cũng nh ư dưới nước sẽ hoàn toàn bí mật vì không tạo ra tiếng ồn. Hơn nữa khi trong chi ến trường hoàn toàn có thể sử dụng pin nhiên liệu tạo ra điện cho các doanh trại. Trong hình 5 và 6 là hình ảnh về việc sử dụng pin nhiên liệu hydro và đ ộng cơ sử dụng nhiên liệu hydro. 11
Hình 5: Sử dụng pin nhiên liệu hydro trong quân sự Hình 6: Phương tiện quân sự sử dụng nhiên liệu hydro Sạc pin cho thiết bị di động với hydro Các nhà nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Đài Loan (ITRI) đã phát triển được một loại máy sạc hydro cho điện thoại di động. Thiết bị này có thể sạc cho pin điện thoại di động trong 2 giờ mà không cần kết nối (hình 7). TSAU Fang-Hei, một trong số các nhà nghiên cứu tham gia phát triển thiết bị này, cho biết ITRI có thể sẽ hoàn thiện thiết bị mới này nhằm thay thế các hệ thống s ạc pin thông thường hiện nay vào năm 2012. MA Hwong-Wen, một nhà môi trường học tại Đại học Đài Loan, cho rằng sáng chế này rất có ý nghĩa, không chỉ bởi nó s ử dụng hydro - nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ - mà còn nhờ đ ặc tính không gây hại môi trường và đây chính là đặc điểm của các thiết bị điện tử tương lai. Theo YEH Hui-Ching, Trưởng phòng Năng lượng thuộc Bộ Các vấn đề Kinh tế Đài Loan, thành công mới này có thể mở ra những triển vọng công nghệ mới cho Đài 12
Loan trong lĩnh vực năng lượng và thiết bị điện tử theo xu hướng công nghệ phát triển bền vững. Hình 7: Sạc pin hydro Trước đó, công ty Tensor của Nga cũng đã chế tạo ra bộ sạc pin bỏ túi dùng cho điện thoại di động sử dụng công nghệ hydro. Bộ sạc pin bỏ túi này có thể sạc đủ điện cho điện thoại di động kiểu thông minh hoạt động liên tục trong 30 giờ. Bộ sạc này có kích thước bằng khoảng 4 bao diêm và có thể cho vừa vào túi quần hoặc túi áo. Đặc biệt bộ sạc mới này hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường. 1.2 Vi sinh vật Vi sinh vật là gì? Vi sinh vật là những cơ thể rất nhỏ bé, mà đa số không được nhìn thấy bằng mắt thường mà phải quan sát bằng kính hiển vi. Chúng bao gồm nhiều loại cơ thể, khác nhau rất cơ bản về mức độ tổ chức tế bào và lịch sử tiến hóa, cũng như về ý nghĩa thực tiễn. Những nhóm vi sinh vật chủ yếu là: vi khuẩn (bacteria), cổ khuẩn (archaea), nấm (fungi), tảo (algae), động vật nguyên sinh (protozoa), và virut (viruses). Riêng virut là những thực thể chưa có cấu tạo tế bào, các vi sinh vật khác đều thuộc một trong hai loại tế bào: tế bào chưa có nhân điển hình và tế bào có nhân điển hình. Những đặc tính chung của vi sinh vật Vi sinh thường là những cơ thể đơn bào, nên khi nói về kích thước của vi sinh vật cũng là nói về kích thước tế bào của chúng. Thông thường vi sinh vật có kích thước tế bào từ 1 đến 10 micromet, tùy theo chúng thuộc nhóm procaryot hay 13
eucaryot, trong khi tế bào thực vật hay động vật có đường kích khoảng 100 µm. Tuy nhiên với phát hiện gần đây thì có những tế bào procaryot rất nhỏ hoặc rất lớn. Mặc dù kích thước rất nhỏ bé, vi sinh vật vẫn thực hiện rất hữu hiệu mọi ch ức năng mà mỗi cơ thể đa bào thực hiện: hấp thụ và tiêu hoá chất dinh dưỡng, thu nhậ năng lượng, sinh tổng hợp, tích lũy chất dự trữ, tiếp nhận và sử lý các tác động của môi trường, chuyển sang giai đoạn nghỉ trong những điều kiện môi trường bất lợi. Vi sinh vật do có kích thước hiển vi do có nhiều khả nắng sinh học rất đặc biệt mà tồn tại ở hầu khắp mợi nơi trên trái đất: xung quanh chúng ta, và ngay trên bề mặt cơ thể, trong cơ thể chúng ta. Trong tự nhiên, ở những môi trường bình thường mà nơi các điều kiện thuật lợi cho hầu hết cơ thể sống thì có một khu hệ sinh thái phong phú về chủng loại và đông đúc về số lượng. ở một số môi trường mà mọi động thực vật đều không sống được thì vi sinh vật vẫn sống được. Vai trò của vi sinh vật trong tự nhiên Vật chất trong tự nhiên luôn tuần hoàn: chuyển tù dạng vơ cơ sang dạng hữu cơ và ngược lại. Trong quá trình tuần hoàn ấy, các cơ thể sống được chia thành ba nhóm tùy theo vai trò của chúng: • Toàn bộ cây xanh và các vi sinh vật quang dưỡng tổng hợp các chất hữu cơ từ cacbondioxit nhờ sử dụng năng lượng mặt trời, nên gọi là sinh vật sản suất • Toàn bộ động vật thì sử dụng phần lớn sinh khối sơ cấp vào việc tạo ra năng lượng và một phần nhỏ vào việc tổng hợp sinh khối của chúng, nên được gọi là sinh vật tiêu thụ • Nấm và vi khuẩn có vai trò tích cực trong sự phân hủy chất hữu cơ của động thực vật thành vơ cơ, do đó gọi là sinh vật phân hủy. Nấm thì đóng vai trò này trong môi trường đất, còn vi khuẩn thì cả trong môi tr ường nước và môi trường đất. Vai trò của vi sinh vật trong đời sống và sản xuất của con người Chính nhờ sự vô cơ hóa chất hữu cơ mà các nguyên tố trong chất hữu cơ đ ược trở về dạng vô cơ để trả về cho khí quyển và cho đất hay hơi, do đó, sự sống không bị ngừng trệ: nhiều khí vô cơ được trả về khí quyển, trong đó CO 2 được dùng cho cây xanh thực hiện quang hợp, nhiều chất vô cơ được trả về đất và nước trong đó có muối của N,P,S để cơ thể sống hấp thụ và tổng hợp trở lại các chất hữu cơ. Cũng chình bằng sự vô cơ hóa mà vi sinh vật tham gia vào sự tự làm sạch các khu vực bị ô nhiểm hữu cơ ở mức vừa phải, cũng như tham gia vào sự phân hủy xác sinh 14
vật và chất hữu cơ vẫn xảy ra tự nhiên trong đất, làm cho mặt đất chúng ta đang sống nói chung không bị ngập tràn trong xác động thực vật thậm chí không còn chỗ cho chúng ta sống. Mặt khác, sự vô cơ hóa nhờ vi sinh vật là cơ sở c ủa hầu h ết các quá trình sử lí sinh học (bioremediation) đối với các môi trường nước và đất. Chương 2: Các công nghệ sinh khí hydro 2.1 Công nghệ Reforming hơi nước Nhiên liệu hóa thạch là nguồn chiếm ưu thế của ngành công nghiệp hydro. Hydro có thể được tạo ra từ khí tự nhiên với hiệu suất khoảng 80%, hoặc từ các hydrocacbon khác với các hiệu suất khác nhau. Ở nhiệt độ cao (700 – 1100 0C), hơi nước phản ứng với metan tạo ra khí tổng hợp. Trong hình 8 thể hiện sơ đồ công nghệ. CH4 + H2O → CO + 3 H2 + 191.7 kJ/mol Trong giai đoạn thứ hai, hydro được tạo ra ở khoảng 1300C theo phản ứng: 15
CO + H2O → CO2 + H2 - 40.4 kJ/mol Hình 8: Sơ đồ công nghệ Steam Reforming để sản xuất hydro 2.2 Công nghệ khí hóa Quá trình này là sự kết hợp của một phản ứng nước-carbon, nước-khí, và phản ướng hấp thụ CO2 trong một lò đơn, ở nhiệt độ khoảng 650 0C và áp suất 3 MPa hoặc cao hơn. Như sơ đồ hình 9, than, chất hấp thụ (CaO), và nước được cho vào lò phản ứng áp suất cao để phân hủy than, trong thời gian đó CO2 hình thành được chuyển thành dạng CaCO3. Hỗn hợp khí sinh ra được cho đi qua thiết bị tách rắn cyclon, trao đổi nhiệt với dòng nước lạnh, qua tháp tách và cuối cùng ta thu được khí hydro với độ tinh khiết nhất định. 16
Hình 9: Sơ đồ công nghệ khí hóa sản xuất hydro 2.3 Sử dụng năng lượng mặt trời Hydro và oxy có thể được sản xuất từ nước sử dụng điện với bình điện phân. Năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện và dòng điện được sử dụng đ ể điện phân nước. Hệ thống bao gồm: năng lượng mặt trời hoặc điện lưới, bộ điều khiển nguồn, bình điện phân, hệ thống lọc hydro, hệ thống lọc oxy, thùng lưu trữ hydro và oxy, bể chứa và bơm vận chuyển, nước. Qúa trình thể hiện như hình 10,11. Hình 10: Điện phân nước 17
Hình 10: Sơ đồ nguyên lí sản xuất hydro sử dụng năng lượng mặt trời 2.4 Sử dụng sinh khối hay biomass Sinh khối bao gồm các cây nông nghiệp, gỗ, phế thải động vật, thực vật dưới nước và phần hữu cơ của phế thải sinh hoạt và công nghiệp. Sản lượng sinh khối hàng năm trên toàn bộ hành tinh ước tính là 170 tỷ tấn, bao gồm 75% cacbonhydrat (đường), 20% lygnhin và 5% các chất khác như dầu, mỡ, protein. Trong tổng sản lượng sinh khối này, chỉ có 3% được dùng cho nhu cầu con người. Phương pháp được gọi là fast-hydropyrolysis-hydrodeoxygenation (nhiệt phân nhanh và khử oxy hóa hydro) là biện pháp thêm khí hydro vào phản ứng biến đổi sinh khối. Sinh khối cùng hydro sẽ được đưa vào lò phản ứng áp suất cao và nhanh chóng bị đốt nóng dưới nhiệt độ 900oF (tương đương 500oC) trong thời gian chưa đầy 1 giây. Khí gas chứa hydro sẽ được sản xuất bằng cách “biến đổi” khí gas tự nhiên, với luồng xả nóng đưa trực tiếp vào lò phản ứng sinh khối. Sinh khối sẽ bị phân chia thành các phân tử nhỏ hơn nhờ hydro nóng và xúc tác thích hợp. Sản phẩm của phản ứng sau đó sẽ được cô đặc thành dầu lỏng và được sử dụng làm nhiên liệu. Những khí không hóa lỏng như metan, cacbon monoxit, hydro và cacbon dioxit sẽ bị tách ra và quay trở lại lò phản ứng sinh khối. Và hydro sẽ được tách ra (hình 11). Hiện việc sản xuất hyđro từ sinh khối đang ở giai đoạn R&D và theo dự báo, nó sẽ bắt đầu nổi lên ở thị trường vào năm 2025. Nếu dự báo này diễn ra đúng như vậy 18
thì khi đó việc sản xuất hyđro sẽ giúp phát triển các pin nhiên liệu ph ục v ụ ngành vận tải và phát triển nền kinh tế hyđrô. Các công nghệ này sẽ được phát triển từ 2020 trở đi. Hình 11: Công nghệ biomass sản xuất hydro 19
Chương 3: Công nghệ sinh khí hydro có sử dụng vi sinh vật Như trên đã đề cập thì hiện này có khá nhiều phương pháp sinh khí hydro, mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm nhất định, công nghệ phức tạp khác nhau. Và cho tới giờ thì các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện một công nghệ tốt nhất để sản xuất hydro với giá rẻ hơn nữa. Một trong các phương pháp sinh khí hydro hiện đang phát triển hiện này và rất có tiềm năng trong tương lai “công nghệ sinh khí hydro có sử dụng vi sinh vật”. Dưới đây sẽ trình bày các phương pháp sinh khí hydro co sử dụng vi sinh vật. 3.1 Sử dụng tảo đơn bào Tảo Chlamydomonas reinhardtii Chlamydomonas reinhardtii là một loại tảo xanh đơn bào đường kính khoảng 10 micromet và bơi với hai roi. Nó có một tương tế bào làm bằng hydroxyproline-rich glycoprotein, một lục lạp hình chén lớn (hình 12). Hình 12: Tảo Chlamydomonas reinhardtii Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần hydrogen và oxygen. Các nhà khoa học đã xác đ ịnh đ ược cơ chế quá trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong môi trường không có oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "thở" bằng oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí hydrogen (hình 13). 20