跳到主要內容

Sun + Water = Fuel

從鹽水作物中提取生物燃料

Sun + Water = Fuel

With catalysts created by an MIT chemist, sunlight can turn water into hydrogen. If the process can scale up, it could make solar power a dominant source of energy.
  • NOVEMBER/DECEMBER 2008, BY KEVIN BULLIS
燃料作物:北非國家厄立特裏亞一片實驗田裏的耐鹽水作物海蓬子
"I'm going to show you something I haven't showed anybody yet," said Daniel Nocera, a professor of chemistry at MIT, speaking this May to an auditorium filled with scientists and U.S. government energy officials. He asked the house manager to lower the lights. Then he started a video. "Can you see that?" he asked excitedly, pointing to the bubbles rising from a strip of material immersed in water. "Oxygen is pouring off of this electrode." Then he added, somewhat cryptically, "This is the future. We've got the leaf."
What Nocera was demonstrating was a reaction that generates oxygen from water much as green plants do during photosynthesis--an achievement that could have profound implications for the energy debate. Carried out with the help of a catalyst he developed, the reaction is the first and most difficult step in splitting water to make hydrogen gas. And efficiently generating hydrogen from water, Nocera believes, will help surmount one of the main obstacles preventing solar power from becoming a dominant source of electricity: there's no cost-effective way to store the energy collected by solar panels so that it can be used at night or during cloudy days.
Solar power has a unique potential to generate vast amounts of clean energy that doesn't contribute to global warming. But without a cheap means to store this energy, solar power can't replace fossil fuels on a large scale. In Nocera's scenario, sunlight would split water to produce versatile, easy-to-store hydrogen fuel that could later be burned in an internal-combustion generator or recombined with oxygen in a fuel cell. Even more ambitious, the reaction could be used to split seawater; in that case, running the hydrogen through a fuel cell would yield fresh water as well as electricity.
Storing energy from the sun by mimicking photosynthesis is something scientists have been trying to do since the early 1970s. In particular, they have tried to replicate the way green plants break down water. Chemists, of course, can already split water. But the process has required high temperatures, harsh alkaline solutions, or rare and expensive catalysts such as platinum. What Nocera has devised is an inexpensive catalyst that produces oxygen from water at room temperature and without caustic chemicals--the same benign conditions found in plants. Several other promising catalysts, including another that Nocera developed, could be used to complete the process and produce hydrogen gas.
Nocera sees two ways to take advantage of his breakthrough. In the first, a conventional solar panel would capture sunlight to produce electricity; in turn, that electricity would power a device called an electrolyzer, which would use his catalysts to split water. The second approach would employ a system that more closely mimics the structure of a leaf. The catalysts would be deployed side by side with special dye molecules designed to absorb sunlight; the energy captured by the dyes would drive the water-splitting reaction. Either way, solar energy would be converted into hydrogen fuel that could be easily stored and used at night--or whenever it's needed.
Nocera's audacious claims for the importance of his advance are the kind that academic chemists are usually loath to make in front of their peers. Indeed, a number of experts have questioned how well his system can be scaled up and how economical it will be. But Nocera shows no signs of backing down. "With this discovery, I totally change the dialogue," he told the audience in May. "All of the old arguments go out the window."
一個研究項目將能生產可用於噴氣式發動機的生物燃料,而又不必消耗淡水和耕地
--作者 Kevin Bullis
在中東,有一個研究項目致力於從生長在沙漠中的耐鹽水作物中制造可用於噴氣式發動機的燃料。阿聯酋的馬斯達爾學院的研究者們在兩平方公裏的一個示範農場的內 種植海蓬子,海蓬子的種子含有大量的油,可以被轉化成燃料。同時研究人員還把種植海蓬子和魚蝦養殖、培育紅樹林結合了起來。 燃料作物:在北非國家厄立特裏亞的實驗地裏種植著耐鹽水作物海蓬子
領導這個研究項目的馬斯達爾學院助理教授司各特肯尼迪說,傳統的生物燃料有兩大缺點:一是它占用了大量的本可以用來種植糧食作物的土地,二是耗費大量的淡 水,而他的這項研究的目標是既生產生物燃料,又避免這兩大弊端。這個計劃還得到了波音、阿提哈德航空(阿拉伯聯合酋長國國家航空公司)等大企業的資助, UOP霍尼韋爾公司提供轉化化學前物質和燃料的技術。瑪斯達爾學院位置處於阿聯酋最大的酋長國阿布紮比的一個零排放城市內。
肯尼迪和他的 同事們將要對一個被稱作整體型海水農業的技術進行改進。一開始要從海裏開鑿一個灌溉水渠,水渠把海水引向這個工程中的幾個部分。首先,把海水抽到水塘裏, 或者讓海水流過養著魚蝦的籠子。通常情況下這樣的水產養殖會造成為“環境災難”。肯尼迪說,比如,養殖使用後的廢水含有大量的渣滓、廢物,導致危險的赤 潮。但在馬斯達爾的實驗系統中,研究人員將利用池塘裏流出的廢水來給海蓬子提供養料。海蓬子生長在用海水灌溉的田地裏,成熟後可以象稻麥一樣收割。灌溉完 海蓬子的水變得鹽度更高,同時還攜帶著來自養魚塘的廢物,和灌溉渠裏的水一起流到一片紅樹林裏,而紅樹林是可以生長在鹽度更高的水裏的。紅樹林形成了一個 屏障,使得養魚塘裏的水不會直接排到海裏,樹葉還能作為魚蝦的飼料被利用起來。
富含油分的海蓬子種子可以使用和壓榨其他油料作物種子,如向日葵一樣的工藝榨油。榨出的油使用UOP霍尼韋爾的專利工藝進行精煉,使之可以添加入噴氣發動機油。植物剩下的部分可以被進一步利用,生產液體燃料,或者用來燃燒,產生蒸汽發電。
在生產生物燃料的過程中中,肥料的生產和使用通常是一個巨大的碳排放源,而魚塘既可以成為人們的收入來源,又能提供肥料,這樣還能降低整體碳排量。紅樹林的 的根系可以起到隔絕碳的作用。大多數生物燃料頂多達到碳平衡,即他們生長時吸收的二氧化碳與被制成生物燃料和燃燒後釋放的二氧化碳等量。馬斯達爾研究項目 的一個重要部分就是確定到底有多少碳可以被商業性地隔離開來。
海水基金會主席,也是其創始人卡爾霍奇斯已經在北非國家厄立特裏亞示範這個 項目體系。(他現在也是馬斯達爾項目的特別顧問)。在厄立特裏亞的項目中,海蓬子及紅樹林的樹葉被用來當作動物飼料。海蓬子果實的一部分油可以被轉化成生 物燃料。霍奇斯先生說他的項目因這個國家的政治動亂而終止,但是它還是表明了這種綜合的方式是可以起效的。
堪薩斯州立大學生物和農業工程 教授馬克施洛克說,不耗費淡水,不占用種植糧食的土地來生產生物燃料的舉措應該得到贊揚。但是他還說盡快研制出收割海蓬子的機械設備也很重要。亞利桑那大 學旱地研究室韋恩柯茲教授說,盡管可以利用現有的設備來收割海蓬子,但是這種植物的鹽分很高,可能會損壞這些機器。
這種作物還將要與其他 的生物燃料作物相競爭。每英畝海蓬子的油料收成與 大豆相當(與非油料作物相比,能產生額外的經濟價值),但是與棕櫚相比,它的收獲只是棕櫚的八分之一。然而海水種植體系有不需要昂貴的土地和淡水的優點, 而且還能自身生產肥料。肯尼迪說初步估計從海蓬子中提取的燃料可以和石油燃料媲美,但他同時還警告說這些還需要更細致的研究。

留言

這個網誌中的熱門文章

蔬菜對溫度日照條件的要求

蔬菜對溫度日照條件的要求 全日照  8個小時日照 瓜類、茄果類、豆類、山藥、豆薯(地瓜)。番茄、黃瓜、茄子、辣椒等喜溫中、強光性 蔬菜夏秋季生產,玉米、青椒、西瓜、南瓜、西紅柿、茄子、芝麻、向日葵類。 其次是根莖類,如:馬鈴薯、甜菜、胡蘿蔔、白蘿蔔、甘藷、山藥等等。至少需半日照,才能生長,芋頭雖喜歡全日照,但比其他蔬菜耐蔭。  需要中等光照大白菜、甘藍、芥菜、蒜、洋蔥。  長日性蔬菜白菜、甘藍、芥菜、蘿蔔、胡蘿蔔、芹菜、菠菜、萵苣、蠶豆、豌豆、大蔥、洋蔥。 短日性蔬菜豇豆、扁豆、莧菜、空心菜。          中光性蔬菜黃瓜、番茄、茄子、辣椒、菜豆 菜豆 菜豆喜溫暖,不耐高溫和霜凍。菜豆種子發芽的適溫為20-30℃;在40℃以上的高溫和10℃以下的低溫,種子不易發芽。幼苗生長適宜氣溫為18-25℃。花芽分化的適宜氣溫為20-25℃,過高或過低溫度易出現發育不完全的花蕾、落花。 菜豆對光照強度的要求較高。在適宜溫度條件下,光照充足則植株生長健壯,莖的節間短而分枝多,開花結莢比較多,而且有利於根部對磷肥的吸收。當光照強度減弱時,植株易徒長,莖的節間長,分枝少,葉質薄,而且開花結莢數少,易落花落莢。 菜豆根系強大,能耐一定程度乾旱,但喜中度濕潤土壤條件,要求水分供應適中,不耐澇。生長期適宜土壤濕度為田間最大持水量的60%-70%,空氣相對濕度以80%為宜。開花結莢期對水分最敏感,此期土壤乾旱對開花結莢有不良影響,開花數、結莢數及莢內種子數減少。土壤水分過大時,下部葉片黃化,早脫落。空氣濕度過大會引起徒長、結莢不良。 菜豆具有深根性和根瘤菌,對土壤的要求不甚嚴格,但仍以土層深厚肥沃、排水良好的輕砂壤土或粘質壤土為好。土壤過於粘重、低溫、排水和通氣不良則生長不良,炭疽病重。菜豆喜中性至微酸性土壤,適宜的土壤pH為5-7.0,其中以州6.2-6.8最適宜。菜豆最忌連作,生產中應實行2-3年輪作。 菜豆生育過程中,主要吸收鉀和氮較多,還要吸收一定量的磷和鈣,才能良好發育。結莢期吸收磷鉀量較大。磷鉀肥對菜豆植株的生長發育、根瘤菌的發育、花芽分化、開花結莢和種子的發育等均有影響。缺乏磷肥,菜豆嫩莢和種子的品質和產量就會降低。缺鈣,幼葉葉片捲曲,葉緣失綠和生長點死亡。缺硼,則根係不發達,影響根瘤菌固氮,使花和...

燈籠果

燈籠果 燈籠果屬於醋栗科茶蔍屬多年生灌木。株叢高1.2 米左右,果子是一個套着燈籠型莢子的小圓果,比拇指大一點,里面有很多小籽。未成熟時味極酸,成熟後呈黄綠色,完全成熟後呈紫紅色,非常甜,可以用來烤果餅,做果醬。燈籠果花朵燈籠果原產祕魯和智利,但是並不是什麼重要得產品。當地人隨便吃一點,偶爾也在菜市場看到。但是被廣泛的引入各熱帶和亞熱帶地區,所有番茄可以存活的地方都可以種。果醬和罐頭是居民的常用品,也經常出口。中部非洲國家,如加蓬,也有小型果園。 一、燈籠果的生育週期 1、發芽期:從種子吸水萌動到真葉露心為發芽階段,由播種到種子萌芽長出土,達到80%以上,大約需要7~15天。 2、幼苗期:苗出齊後,有80%的植株達到三片真葉,即第一個花萼形成前約20~30天。此期主要是根、莖、葉的生長時期,在生產上要採取良好的措施,培育生長發育健壯的幼苗,為高產、優質、豐產打下良好的基礎。 3、開花期:從開第一朵花開始到最後開的一朵花所持續的天數,為開花日數。最早開的第一朵花達5%的植株為開花始期,以月、日表示,植株最後開的花,而漿果又能在霜前充分成熟的日期為終花期。 4、結果期:結果期分為始期和終期。結果始期,即有5%的植株落花後,坐住果的日期。結果終期,即是終花期的花坐住果的日期。   5、成熟期:漿果成熟期,可分為始熟期和終熟期。始熟期,即有5%的植株第一個果成熟的日期。終熟期即最後充分成熟漿果的日期。燈籠果是由下向上陸續開花結果成熟的。第一個花果實膨大生長,第2~4朵花相繼現蕾、開花和結果。 二、燈籠果對環境條件的要求:   1、溫度:燈籠果性喜溫,不耐霜凍。種子發芽以30℃左右發芽迅速;幼苗生長期20~25℃、夜間不低於17℃適宜生長;開花結果期白天以20~25℃、夜間不低於15℃為宜,否則易引起落花落果。氣溫10℃以下植株停止生長。0℃以下植株受凍。經調查看,幼苗耐低溫能力不成熟,所以露地生殖時期不能過早,而必須在晚霜過後方可栽植。   2、光照:燈籠果對光照要求比較敏感,需要充足的光照。在3000~4000米燭光範圍內,生長發育協調,果實品質優良。光照不足時,植株徒長而細弱,產量下降,漿果著色差,品味不佳。因此,在生產上必須注意種植密度的合理性和打尖、抹芽、整枝的必要性。   3、水分:燈籠果需水較多,尤其在漿果開始成熟前期,枝葉和果實同時生長,需水較多,當漿果大量...

連通管原理與應用

英 文版, English version   中 文版, Chinese version 西班牙文版, Espanol version  連通管基本原理 1. 連通管原理指的是,在一般開放的空間中,幾個液體容器的底部都相通的裝置,而若任一容器內注入液體,則當液體靜止時,各容器的液面必在同一水平面。 2. 兩 端的大氣壓力一樣,但管內兩端的水受重力作用而各自下墜,下墜瞬間,在圓弧頂部拉出一個真空,因真空而有壓力差,此時兩端的大氣壓 力再次從兩端將兩管的水壓回,但壓回的力量是大氣壓力減去管內的水壓(F=(Patm-PH2O)*A),而長管內的水比短管內的水還要重,所以壓回的力 量是短管的壓力大於長管的壓力,所 以,虹吸管內的水就會不斷的由短管端流入而由長管端流出。   3. 如果我們用兩根連通管,所以效率會變成兩倍。 4. 如果用兩根連通管,但是其中一個連接抽水馬達 , 此時 一根連通管是抽水,所以另一根把水送回 , 大氣壓力將兩管的水平衡,所 以,一個馬達可以有兩倍的動力 , 水就會不斷的循環。 問題1:請比較上連通管與下連通管的差異? 問題2:請問雙連通管時,管徑與高度差的關係?   簡易潮汐開關  (外部連通管)  1. 由於水持續進入水箱,水在水箱和潮汐開關內以同樣的速度上升。(潮汐開關內的底部是連通的)。虹吸管是通到外部的。水會持續上升到外部的開口端。 2. 一旦水上升到內部的開口端,它變成一個密封空間。由於水繼續上升,在水箱內水位繼續上升,但速度變慢。同時,水箱內水壓漸大。 3. 由於水位接近高水位線,壓力在開關內鐘將水位上升到臨界,造成部份水會先進入管道。 (同時會將管道上端部份空氣帶出,因為空氣在管內流動,也是噪音最大的時候) 4. 由於水在水箱到達高水位線後,體積空氣被迫壓縮管道,並透過虹吸作用,排出的空氣壓力後,進而開始大量排水。 (一旦開始大量排水,也是聲音最小的時候) 5 .水會一直流出,直到水位低到讓潮汐開關吸入空氣。然後,潮汐開關回歸起始位置。 6. 由於水持續進入水箱,水在水箱和潮汐開關內以同樣的速度上升。(潮汐開關內的底部是連通的)。虹吸管是通到外部的。水會持續上升到內部的開口端。  可以參考以下的...