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 Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Khóa học: 2008-2013 GVHD: TS. Tống Thị Thanh Hương Hà nội MỤC LỤC Mở đầu Thế giới bị phụ thuộc nặng nề vào kinh tế nhiên liệu hóa thạch. Nhiên liệu sử dụng cho phương tiện giao thông như: xe hơi, xe lửa, máy bay… từ dầu mỏ. Hơn nữa, tỉ lệ cao nhà máy điện nhiệt điện dùng nhiên liệu dầu, khí thiên nhiên hay than đá. Nếu nhiên liệu hóa thạch, kinh tế với phương tiện giao thông liên lạc, vận tải, rơi vào khủng hoảng, ngưng trệ. Gần toàn kinh tế, xác toàn xã hội đại phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Trong nhiên liệu hóa thạch đóng vài trò quan trọng việc đưa xã hội đến mức phát triển ngày tồn vấn đề nan giải lớn kỉ: ô nhiễm không khí, vấn đề môi trường tràn dầu, nguy hiểm nóng bỏng vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu với nóng lên trái đất. Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch nguồn tài nguyên hữu hạn tái tạo, kinh tế dựa nhiên liệu hóa thạch làm cho số nước nhiều tài nguyên bị phụ thuộc vào nước vốn có nguồn dầu dồi vùng Trung Đông, từ dẫn đến nhiều hệ trị kinh tế khác, chí chiến tranh giành dầu mỏ. Giữa bối cảnh đó, khái niệm kinh tế hydro dựa nguồn lượng sạch, dồi phục vụ mục tiêu phát triển bền vững nhân loại xuất giải pháp đầy tiềm năng. “Nền kinh tế hydro” hệ thống lưu trữ, phân phối sử dụng lượng dựa nhiên liệu hydrogen. Thuật ngữ tập đoàn General Motors đặt năm vào 1970. Nền kinh tế hydrogen hứa hẹn đẩy lùi tất vấn đề kinh tế dựa nhiên liệu hóa thạch gây ra. Ta kể vài lợi ích kinh tế hydrogen là: - Không gây ô nhiễm: hydrogen sử dụng pin nhiên liệu, công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ sinh nước, không làm nảy sinh vấn đề đáng lo ngại tràn dầu . - Không thải khí gây hiệu ứng nhà kính: trình điện phân nước tạo hydrogen không tạo nên khí nhà kính nào. Đó trình lý tưởng hoàn hảo – điện phân hydrogen từ nước, hydrogen lại tái kết hợp với oxygen để tạo nước cung cấp điện pin nhiên liệu. - Không phụ thuộc kinh tế: không dùng dầu mỏ có nghĩa phụ thuộc vào thùng dầu nhập từ nước ngoài. - Hydrogen sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: từ nguồn lượng tái sinh. Như vậy, lợi ích mặt môi trường, kinh tế xã hội hydrogen đáng kể ý nghĩa. Tất mạnh tạo nên cú hích mạnh mẽ hướng nhân loại tiến đến kinh tế hydrogen. Khoa học có nhiều bước phát triển lớn việc nghiên cứu, tìm phương pháp để sản xuất khí Hydrogen. Một công nghệ ý gần công nghệ “Công nghệ sinh khí Hydrogen có sử dụng vi sinh vật”. Trong tiểu luận sâu vào tìm hiểu công nghệ này. Mặc dù có nhiều thời gian để nghiên cứu tìm hiểu, tiểu luận hoàn thiện chỉnh sửa xem sét giáo viên hướng dẫn. Vì vậy, Em cám ơn có đánh giá chỉnh sửa Cô, Ts. Tống Thị Thanh Hương. Chưng 1: Các khái niệm chung 1.1 Khí Hydrogen ứng dụng 1.1.1 Khí Hydrogen Là nguyên tố phổ biến vũ trụ Hydro (từ tiếng Latinh: hydrogenium) nguyên tố hóa học hệ thống tuần hoàn nguyên tố với nguyên tử số 1. Trước gọi khinh khí (như "bom khinh khí" tức bom H); từ sử dụng. Sở dĩ gọi "khinh khí" hydro nguyên tố nhẹ tồn thể khí, với trọng lượng nguyên tử 1.00794 u. Hydro nguyên tố phổ biến vũ trụ, tạo nên khoảng 75 % tổng khối lượng vũ trụ tới 90 % tổng số nguyên tử. Các thuộc dải cấu tạo chủ yếu hydro trạng thái plasma. Hydro nguyên tố tồn tự nhiên Trái đất tương đối khí hydro nhẹ nên trường hấp dẫn Trái đất không đủ mạnh để giữ chúng khỏi thoát không gian, hydro tồn chủ yếu dạng hydro nguyên tử tầng cao khí Trái đất. Đồng vị phổ biến hydro proti, kí hiệu H, với hạt nhân proton neutron. Ngoài hydro có đồng vị bền deuteri, kí hiệu D, với hạt nhân chứa proton neutron đồng vị phóng xạ triti, kí hiệu T, với hai neutron hạt nhân. Hình 1: Cấu trúc nguyên tử Hydro Với vỏ nguyên tử có electron, nguyên tử hydro nguyên tử đơn giản biết đến, nguyên tử hydro tự có ý nghĩa to lớn mặt lý thuyết. Chẳng hạn, nguyên tử hydro nguyên tử trung hòa mà phương trình Schrödinger giải xác nên việc nghiên cứu lượng cấu trúc điện tử đóng vai trò quan trọng phát triển học lượng tử hóa học lượng tử. Thuộc tính hydro Ở điều kiện thường, nguyên tử hydro kết hợp với tạo thành phân tử gồm hai nguyên tử H2. (Ở nhiệt độ cao, trình ngược lại xảy ra.) Khí hydro lần điều chế cách nhân tạo vào đầu kỉ 16 cách nhúng kim loại vào axit mạnh. Vào năm 1766-1781, Henry Cavendish người nhận hydro chất riêng biệt bị đốt không khí tạo sản phẩm nước. Tính chất nguồn gốc tên "hydrogen", tiếng Hi Lạp nghĩa "sinh nước". Ở điều kiện tiêu chuẩn, hydro chất khí lưỡng nguyên tử không màu, không mùi, không vị phi kim. Trong hợp chất ion, hydro có thể tồn hai dạng. Trong hợp chất với kim loại, hydro tồn dạng anion hydrua mang điện tích âm, kí hiệu H-. Hydro tồn dạng cation H + ion dương sinh nguyên tử hydro bị electron nó. Tuy nhiên ion dương với cấu tạo gồm proton trần trụi (không có electron che chắn) tồn thực tế tính dương điện hay tính axit khả phản ứng với phân tử khác H+ cao. Một cation hydro thực tồn trình chuyển proton từ axit sang bazơ (phản ứng axit-bazơ). Trong dung dịch nước H + (do nước loại axit khác phân ly ra) kết hợp với phân tử nước tạo cation hydroni H3O+, thường viết gọn H+. Ion đóng vai trò đặc biệt quan trọng hóa học axit-bazơ. Hydro tạo thành hợp chất cộng hóa trị với hầu hết nguyên tố khác. Nó có mặt nước hầu hết hợp chất hữu thể sống. Ở nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn hydro 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) nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương. Hydro có hóa trị phản ứng với hầu hết nguyên tố hóa học khác. Khả kết hợp hydro Là nhẹ chất khí, hiđrô liên kết với phần lớn nguyên tố khác để tạo hợp chất. Nó có độ điện âm 2,2 tạo hợp chất chỗ mà nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều nguyên tố mang tính kim loại nhiều hơn. Các chất loại gọi hiđrua, hiđrô tồn dạng ion H- hòa tan nguyên tố khác (chẳng hạn hiđrua palađi). Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, ion H + hạt nhân trần có xu hướng mạnh để hút điện tử vào nó. Các dạng axít. Vì chí dung dịch axít người ta tìm thấy ion hiđrôni (H3O+) prôton. Hiđrô kết hợp với ôxy tạo nước, H 2O giải phóng lượng, nổ cháy không khí. Ôxít đơteri, hay D2O, thông thường nói đến nước nặng. Hiđrô tạo phần lớn hợp chất với cacbon. Vì liên quan chất với loại hình sống nên người ta gọi hợp chất chất hữu cơ, việc nghiên cứu thuộc tính chất thuộc hóa hữu cơ. Hydro gây nổ Hiđrô chất khí dễ bắt cháy, cháy mật độ có 4%. Nó có phản ứng cực mạnh với clo flo, tạo thành axít hiđrôhalic gây tổn thương cho phổi phận khác thể. Khi trộn với ôxy, hiđrô nổ bắt lửa. Hidro nổ có dòng điện qua. Điều chế khí hydro Trong phòng thí nghiệm, hiđrô điều chế phản ứng axít với kim loại, kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại điều chế từ khí thiên nhiên. Điện phân nước biện pháp đơn giản không kinh tế để sản xuất hàng loạt hiđrô. Các nhà khoa học nghiên cứu để tìm phương pháp điều chế sản xuất hiđrô sinh học sử dụng trình quang phân ly nước tảo lục hay việc chuyển hóa dẫn xuất sinh học glucôda hay sorbitol nhiệt độ thấp chất xúc tác mới. Hiđrô điều chế theo nhiều cách khác nhau: nước qua than (cacbon) nóng đỏ, phân hủy hiđrôcacbon nhiệt, phản ứng bazơ mạnh (kiềm) dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axít loãng với kim loại (có khả đẩy hiđrô từ axít) đó, sử dụng vi sinh vật có khả sinh khí Hydro … Việc sản xuất thương mại hiđrô thông thường từ khí tự nhiên xử lý nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), nước tác dụng với mêtan để sinh mônôxít cacbon hiđrô. CH4 + H2O → CO + H2 Điện phân dung dịch có màng ngăn : 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2 Điện phân nước : 2H2O → 2H2 + O2 Lượng hiđrô bổ sung thu từ mônôxít cacbon thông qua phản ứng nước-khí sau: CO + H2O → CO2 + H2 1.1.2 Khả ứng dụng khí hydro Trong kỷ 21 chứng kiến thay đổi sâu sắc kinh tế giới sinh hoạt xã hội: chuyển đổi từ kinh tế dựa vào nhiên liệu hóa thạch sang kinh tế dựa vào nhiên liệu hyđrô nhờ lượng mặt trời. Nền kinh tế hyđrô nhờ lượng mặt trời không ý tưởng mơ hồ viễn tưởng khoa học, khả thực hóa kinh tế hyđrô khoảng 25-35 năm thôi! Như Tổng thống Mỹ G. Bush hy vọng, "chiếc xe ô tô đời trẻ sinh hôm ngồi cầm lái, xe hyđrô dòng ZEV". Hình 2: Mô hình sản xuất phân phối Hydro Một nguồn lượng mới, hydro (hydrogen, H2). Hydro loại khí có nhiệt cháy cao tất loại nhiên liệu thiên nhiên, sử dụng làm nhiên liệu phóng tàu vũ trụ. Đặc điểm quan trọng hydro phân tử không chứa nguyên tố hóa học khác, cacbon (C), lưu huỳnh (S), nitơ (N) nên sản phẩm cháy chúng nước (H 2O), gọi nhiên liệu lý tưởng. Hydro sản xuất từ nước lượng mặt trời, hydro thu gọi hydro nhờ lượng mặt trời (solar hydrogen). Nước ánh nắng mặt trời có vô tận khắp nơi hành tinh. Năng lượng mặt trời thiên nhiên ban cho hào phóng vĩnh hằng, khoảng 3×1024 J/ngày, tức khoảng 104 lần lượng toàn giới tiêu thụ năm. Vì vậy, hydro nhờ lượng mặt trời nguồn nhiên liệu vô tận, sử dụng từ kỷ qua kỷ khác bảo đảm an toàn lượng cho loài người mà không sợ cạn kiệt, có khủng hoảng lượng bảo đảm độc lập lượng cho quốc gia, không quốc gia độc quyền sở hữu tranh giành nguồn lượng hydro xảy với lượng hóa thạch. Hãy tưởng tượng trạm xăng tạo khí từ nước ánh sáng mặt trời . Một số trạm hydro xây dựng. Bằng cách kết nối lượng mặt trời với bình điện phân, điện từ mặt trời phân tách nước thành hydro oxy tinh khiết. Tại trạm , tiếp nhiên liệu vào xe chạy pin nhiên liệu hydro tái tạo chạy hàng trăm dặm mà khí thải. Một mô hình thực hình 3. Hình 3: Trạm phân phối Hydro Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu thiết bị điện hoá mà biến đổi hoá thành điện nhờ trình oxy hoá nhiên liệu, mà nhiên liệu thường dùng khí H khí O2 không khí. Quá trình biến đổi lượng pin nhiên liệu trực tiếp từ hoá sang điện theo phản ứng H + O2 = H20 + dòng điện, nhờ có tác dụng chất xúc tác, thường màng platin nguyên chất hỗn hợp platin, chất điện phân kiềm, muối Cacbonat, Oxit rắn . thực chất loại pin điện hoá. Người ta phân loại pin nhiên liệu theo chất điện phân, điện cực chất xúc tác pin nguồn nguyên liệu H2 O2/không khí. Trước người ta dùng khí H2 để biến đổi thành nhiệt dạng đốt cháy, sau từ nhiệt biến đổi thành qua tua bin khí tua bin dẫn động máy phát điện để biến đổi thành dòng điện, với biến đổi gián tiếp hiệu suất trình thấp. Từ ta dễ dàng so sánh trình biến đổi trực tiếp pin nhiên liệu có hiệu suất cao. Ngoài thu hút loại pin nhiên liệu có tên "pin nhiên liệu dạng màng trao đổi proton" phát triển công nghiệp ô tô vận tải, nguồn nguyên liệu xe hơi, phát triển công ty ô tô hàng đầu giới General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda . (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc) tiềm ngành công nghiệp phục vụ đời sống to lớn. Pin nhiên liệu nắm giữ vai trò chủ đạo viễn cảnh nguồn lượng giới tương lai. Những đặc điểm ưu việt hiệu suất cao, ổn định lớn, độ phát xạ thấp, không gây ồn, không gây ô nhiễm môi trường ., bắt buộc pin nhiên liệu sử dụng nhà máy điện tương lai. Có thể nói Hydro trở thành nguồn lượng kỷ 21, mà nghiên cứu rằng, pin nhiên liệu có ưu nghi ngờ tất thiết bị biến đổi lượng khác. Máy bay không tiếp đất Là phần dự án quan nghiên cứu nâng cao quốc phòng Mỹ (DARPA), Boeing tạo máy bay bay liên tục ánh sáng mặt trời mình. Các máy bay cánh rộng bao phủ thu lượng mặt trời. Nhưng làm bay vào ban đêm? Một tế bào nhiên liệu oxit rắn từ hệ thống động điện Versa máy bay cung cấp lượng vào ban đêm cách sử dụng nhiên liệu sản xuất từ hệ mặt trời dư thừa ngày. Nhiên liệu Hydro sản xuất từ 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 kinh tế với nhiên liệu hơn, xe chạy pin nhiên liệu (FCEVs) đưa thị trường nhiều hơn. Giống pin xe điện (BEVs), FCEVs sử dụng động điện cho động đẩy. Điều làm cho động hoàn toàn êm, chuyển động pittong, làm cho phương tiện hoạt động hiệu tiện lợi. Một bồn chứa hydro đổ đầy vài phút trạm tiếp nhiên liệu giống trạm xăng ngày nay. FCEVs hàng trăm dặm với bình chứa nhiên liệu, người tiêu dùng hoàn toàn yên tâm khả cung cấp nhiên liệu cho chặng đường dài. Nhiên liệu tốt điều kiện, từ mùa hè tới mùa đông, việc sử lí giống xe khác mà bạn lái. Kể từ cell nhiên liệu mở rộng kích thước, chúng sử dụng cho xe buýt, tên lửa, nhiều thứ khác. Sau là, FCEVs nhiên liệu 100%, không thải chất thải ngoại chừ nước. Gần tất nhà máy lớn lĩnh vực sản xuất ô tô dự kiến đến năm 2015 sản xuất hàng loạt phương tiện giao thông có khả chạy hydro. Hình số mẫu xe chạy nhiên liệu hydro. Về thiết kế bên xe giống xe bình thường khác chạy xăng, có điểm khác biệt động giống động điện. 10 Hình 5: Sử dụng pin nhiên liệu hydro quân Hình 6: Phương tiện quân sử dụng nhiên liệu hydro Sạc pin cho thiết bị di động với hydro Các nhà nghiên cứu Viện Nghiên cứu Công nghệ Công nghiệp Đài Loan (ITRI) phát triển loại máy sạc hydro cho điện thoại di động. Thiết bị sạc cho pin điện thoại di động mà không cần kết nối (hình 7). TSAU Fang-Hei, số nhà nghiên cứu tham gia phát triển thiết bị này, cho biết ITRI hoàn thiện thiết bị nhằm thay hệ thống sạc pin thông thường vào năm 2012. MA Hwong-Wen, nhà môi trường học Đại học Đài Loan, cho sáng chế có ý nghĩa, không sử dụng hydro - nguyên tố phổ biến vũ trụ - mà nhờ đặc tính không gây hại môi trường đặc điểm 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 mở triển vọng công nghệ cho Đài Loan lĩnh vực lượng thiết bị điện tử theo xu hướng công nghệ phát triển bền vững. 12 Hình 7: Sạc pin hydro Trước đó, công ty Tensor Nga chế tạo sạc pin bỏ túi dùng cho điện thoại di động sử dụng công nghệ hydro. Bộ sạc pin bỏ túi sạc đủ điện cho điện thoại di động kiểu thông minh hoạt động liên tục 30 giờ. Bộ sạc có kích thước khoảng bao diêm cho vừa vào túi quần túi áo. Đặc biệt sạc hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường. 1.2 Vi sinh vật Vi sinh vật gì? Vi sinh vật thể nhỏ bé, mà đa số không nhìn thấy mắt thường mà phải quan sát kính hiển vi. Chúng bao gồm nhiều loại thể, khác mức độ tổ chức tế bào lịch sử tiến hóa, 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), virut (viruses). Riêng virut thực thể chưa có cấu tạo tế bào, vi sinh vật khác thuộc hai loại tế bào: tế bào chưa có nhân điển hình tế bào có nhân điển hình. Những đặc tính chung vi sinh vật Vi sinh thường thể đơn bào, nên nói kích thước vi sinh vật nói kích thước tế bào chúng. Thông thường vi sinh vật có kích thước tế bào từ đến 10 micromet, tùy theo chúng thuộc nhóm procaryot hay eucaryot, tế bào thực vật hay động vật có đường kích khoảng 100 µm. Tuy nhiên với phát gần có tế bào procaryot nhỏ lớn. Mặc dù kích thước nhỏ bé, vi sinh vật thực hữu hiệu chức mà thể đa bào 13 thực hiện: hấp thụ tiêu hoá chất dinh dưỡng, thu nhậ lượng, sinh tổng hợp, tích lũy chất dự trữ, tiếp nhận sử lý tác động môi trường, chuyển sang giai đoạn nghỉ điều kiện môi trường bất lợi. Vi sinh vật có kích thước hiển vi có nhiều khả nắng sinh học đặc biệt mà tồn hầu khắp mợi nơi trái đất: xung quanh chúng ta, bề mặt thể, thể chúng ta. Trong tự nhiên, môi trường bình thường mà nơi điều kiện thuật lợi cho hầu hết thể sống có khu hệ sinh thái phong phú chủng loại đông đúc số lượng. số môi trường mà động thực vật không sống vi sinh vật sống được. Vai trò vi sinh vật tự nhiên Vật chất tự nhiên tuần hoàn: chuyển tù dạng vơ sang dạng hữu ngược lại. Trong trình tuần hoàn ấy, thể sống chia thành ba nhóm tùy theo vai trò chúng: • Toàn xanh vi sinh vật quang dưỡng tổng hợp chất hữu từ cacbondioxit nhờ sử dụng lượng mặt trời, nên gọi sinh vật sản suất • Toàn động vật sử dụng phần lớn sinh khối sơ cấp vào việc tạo lượng phần nhỏ vào việc tổng hợp sinh khối chúng, nên gọi sinh vật tiêu thụ • Nấm vi khuẩn có vai trò tích cực phân hủy chất hữu động thực vật thành vơ cơ, gọi sinh vật phân hủy. Nấm đóng vai trò môi trường đất, vi khuẩn môi trường nước môi trường đất. Vai trò vi sinh vật đời sống sản xuất người Chính nhờ vô hóa chất hữu mà nguyên tố chất hữu trở dạng vô để trả cho khí cho đất hay hơi, đó, sống không bị ngừng trệ: nhiều khí vô trả khí quyển, CO dùng cho xanh thực quang hợp, nhiều chất vô trả đất nước có muối N,P,S để thể sống hấp thụ tổng hợp trở lại chất hữu cơ. Cũng chình vô hóa mà vi sinh vật tham gia vào tự làm khu vực bị ô nhiểm hữu mức vừa phải, tham gia vào phân hủy xác sinh vật chất hữu xảy tự nhiên đất, làm cho mặt đất sống nói chung không bị ngập tràn xác động thực vật chí không chỗ cho sống. Mặt khác, vô hóa nhờ vi sinh vật sở hầu hết 14 trình sử lí sinh học (bioremediation) môi trường nước đất. Chương 2: Các công nghệ sinh khí hydro 2.1 Công nghệ Reforming nước Nhiên liệu hóa thạch nguồn chiếm ưu ngành công nghiệp hydro. Hydro tạo từ khí tự nhiên với hiệu suất khoảng 80%, từ hydrocacbon khác với hiệu suất khác nhau. Ở nhiệt độ cao (700 – 1100 0C), nước phản ứng với metan tạo khí tổng hợp. Trong hình thể sơ đồ công nghệ. CH4 + H2O → CO + H2 + 191.7 kJ/mol Trong giai đoạn thứ hai, hydro tạo khoảng 1300C theo phản ứng: CO + H2O → CO2 + H2 - 40.4 kJ/mol 15 Hình 8: Sơ đồ công nghệ Steam Reforming để sản xuất hydro 2.2 Công nghệ khí hóa Quá trình kết hợp phản ứng nước-carbon, nước-khí, phản ướng hấp thụ CO lò đơn, nhiệt độ khoảng 650 0C áp suất MPa cao hơn. Như sơ đồ hình 9, than, chất hấp thụ (CaO), nước cho vào lò phản ứng áp suất cao để phân hủy than, thời gian CO hình thành chuyển thành dạng CaCO 3. Hỗn hợp khí sinh cho qua thiết bị tách rắn cyclon, trao đổi nhiệt với dòng nước lạnh, qua tháp tách cuối ta thu khí hydro với độ tinh khiết định. 16 Hình 9: Sơ đồ công nghệ khí hóa sản xuất hydro 2.3 Sử dụng lượng mặt trời Hydro oxy sản xuất từ nước sử dụng điện với bình điện phân. Năng lượng mặt trời tạo dòng điện dòng điện sử dụng để điện phân nước. Hệ thống bao gồm: lượng mặt trời điện lưới, điều khiển nguồn, bình điện phân, hệ thống lọc hydro, hệ thống lọc oxy, thùng lưu trữ hydro oxy, bể chứa bơm vận chuyển, nước. Qúa trình thể hình 10,11. 17 Hình 10: Điện phân nước Hình 10: Sơ đồ nguyên lí sản xuất hydro sử dụng lượng mặt trời 2.4 Sử dụng sinh khối hay biomass Sinh khối bao gồm nông nghiệp, gỗ, phế thải động vật, thực vật nước phần hữu phế thải sinh hoạt công nghiệp. Sản lượng sinh khối hàng năm toàn hành tinh ước tính 170 tỷ tấn, bao gồm 75% cacbonhydrat (đường), 20% lygnhin 5% chất khác dầu, mỡ, protein. Trong tổng sản lượng sinh khối này, có 3% dùng cho nhu cầu người. Phương pháp gọi fast-hydropyrolysis-hydrodeoxygenation (nhiệt phân nhanh khử oxy hóa hydro) biện pháp thêm khí hydro vào phản ứng biến đổi sinh khối. Sinh khối hydro đưa vào lò phản ứng áp suất cao nhanh chóng 18 bị đốt nóng nhiệt độ 900oF (tương đương 500oC) thời gian chưa đầy giây. Khí gas chứa hydro sản xuất cách “biến đổi” khí gas tự nhiên, với luồng xả nóng đưa trực tiếp vào lò phản ứng sinh khối. Sinh khối bị phân chia thành phân tử nhỏ nhờ hydro nóng xúc tác thích hợp. Sản phẩm phản ứng sau cô đặc thành dầu lỏng sử dụng làm nhiên liệu. Những khí không hóa lỏng metan, cacbon monoxit, hydro cacbon dioxit bị tách quay trở lại lò phản ứng sinh khối. Và hydro tách (hình 11). Hiện việc sản xuất hyđro từ sinh khối giai đoạn R&D theo dự báo, bắt đầu lên thị trường vào năm 2025. Nếu dự báo diễn việc sản xuất hyđro giúp phát triển pin nhiên liệu phục vụ ngành vận tải phát triển kinh tế hyđrô. Các công nghệ 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 đề cập có nhiều phương pháp sinh khí hydro, phương pháp có ưu nhược điểm định, công nghệ phức tạp khác nhau. Và nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện công nghệ tốt để sản xuất hydro với giá rẻ nữa. Một phương pháp sinh khí hydro phát triển có tiềm tương lai “công nghệ sinh khí hydro có sử dụng vi sinh vật”. Dưới trình bày phương pháp sinh khí hydro co sử dụng vi sinh vật. 3.1 Sử dụng tảo đơn bào Tảo Chlamydomonas reinhardtii Chlamydomonas reinhardtii loại tảo xanh đơn bào đường kính khoảng 10 micromet bơi với hai roi. Nó có tương tế bào làm hydroxyproline-rich glycoprotein, lục lạp hình chén lớn (hình 12). 20 Hình 12: Tảo Chlamydomonas reinhardtii Các nghiên cứu cho thấy loại tảo chứa enzyme hydrogenase có khả tách nước thành hai thành phần hydrogen oxygen. Các nhà khoa học xác định chế trình, điều giúp mang lại phương pháp gần vô hạn để sản xuất hydrogen tái sinh. Cơ chế phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn môi trường oxygen. Một chu trình này, tảo "thở" oxygen lấy từ nước giải phóng khí hydrogen (hình 13). Hình 13: Cơ chế sinh hydro tảo Chlamydomonas reinhardtii Arthur Grossman, nhà nghiên cứu tảo cho biết: “Chúng thực 21 đường lên men tồn tảo xanh tạo dòng đột biến. Phát cho thấy tính linh hoạt cách tảo xanh sống đất chuyển hóa cácbon điều kiến kỵ khí. Bằng cách ngăn chặn biến đổi số đường trao đổi chất, thay đổi lượng electron cho hydrogenase điều kiện kỵ khí tăng sản lượng hydro”. Hình 14: Nuôi cấy tảo xanh phòng thí nghiệm Phát nghiên cứu dẫn tới việc phát triển phương pháp để chế tạo hydro lượng sinh học phục hồi, đem lại lợi ích to lớn cho chúng ta. 3.2 Sử dụng vi khuẩn Vi khuẩn Thermococcus Onnurineus Vào năm 2002, Tiến sĩ Lee Jung-hyun tàu Onnuri để nghiên cứu vùng biển sâu gần Papua New Guinea thuộc biển Thái Bình Dương. Ông trực tiếp đến khám phá miệng thủy nhiệt sâu đến 1.650 m phun trào nước nóng magma tạo để thu thập vi khuẩn sống giải mã gien ADN chúng. Chính thời điểm đó, ông có phát kỳ diệu chưa giới khoa học đề cập tới. Ông phát vi khuẩn sống môi trường áp suất cao khí oxy gần miệng thủy nhiệt với nhiệt độ 80 0C tồn acid fomic thải khí hydro lượng sinh học. Sau đây, Tiến sĩ Lee giải 22 thích rõ khám phá mình: “Tôi đặt tên loại vi khuẩn Thermococcus Onnurineus. Loại vi khuẩn sống môi trường nhiệt độ cao đến 800C chí khí oxy. Trong môi trường đó, vi khuẩn tạo khí hydro đủ lượng hóa học để giúp chúng sinh trưởng. Các vi khuẩn gọi NA1 sử dụng gien đặc biệt chúng để chuyển lượng hóa học thành lượng sinh học. Tóm lại, nhận khí hydro phụ phẩm thu từ sinh trưởng vi khuẩn. Vì có nhiều vi khuẩn loại thu nhiều khí hydro chúng thải ra”. Hình 15: Vi khuẩn có khả sinh khí hydro Chỉ cần cấy acid fomic vào vi khuẩn sinh sôi nảy nở nhanh, từ sản xuất nhiều khí hydro tạo nguồn lượng “xanh-sạch” mà người cần. Thêm vào đó, có tác dụng ăn khí ôxít cácbon (CO) nhà máy công nghiệp nên giúp giảm lượng khí thải cacbon. Vi khuẩn ruột mối Loại côn trùng này, với nhiều vi khuẩn ruột giải pháp cho nguồn nhiên liệu vô tận. Bởi mối tiêu hóa sợi Xenlulo bị phân huỷ gỗ. Xenlulo thứ nhiên liệu thô có cành thân Nhà nghiên cứu Jared Leadbetter thuộc Viện công nghệ California (Mỹ) nghiên cứu enzymes có ruột mối nghiên cứu ông cho thấy, trình mà mối tiêu hoá gỗ nguồn ethanol cho nhiên liệu. Một dạng lượng khác tìm thấy sản phẩm phụ trình mối tiêu hóa Xenlulo, khí Hydro (hình 16). Hình 16: Vi khuẩn ruột mối có khả sinh khí hydro 23 Theo Jared, vi khuẩn sống ruột mối sản sinh khí Hydro mà Xenlulo qua máy tiêu hóa. Bằng việc nhân rộng Enzyme phòng thí nghiệm xây dựng phương pháp thu hoạch, ông Jared tin tạo Ethanol hay khí Hydro từ trình tiêu hóa. Hiện nay, số phòng thí nghiệm nghiên cứu tập trung vào Enzymes làm để chuyển đổi vật liệu cối hay chất thải sinh học rẻ tiền thành loại đường lên men khí Hydro. Nếu khí Hydro thu gom lại, trình sản xuất khí nhân rộng triển vọng có nguồn nhiên liệu khí Hydro trở thành thực vài năm nữa. Khi đó, nguồn lượng cung cấp cho phương tiện xe cộ chạy khí Hydro ngày dồi so với mà khí Hydro chủ yếu điều chế từ nước. Sử dụng Enzym ngành công nghiệp giảm thiểu tác hại hoá chất độc hại, ô nhiễm môi trường giảm phụ thuộc vào dầu mỏ. Tuy nhiên, nhà khoa học cho rằng, phải từ đến hai thập kỷ nghiên cứu họ ứng dụng rộng rãi. Vi khuẩn có khả quang hóa tạo hydro Trong năm 2000 nhà khoa học Mỹ lần tìm thấy nhiều vi khuẩn biển có gen DNA chúng mã hóa cho sắc tố hấp thu ánh sáng, proteorhodopsin. Loại vi khuẩn tạo enzym hydrogenase nitrogenase để tiêu hóa nito, vầ tạo hydro (hình 17). Hình 17: Qúa trình vi khuẩn tạo hydro từ trình quang hợp Loại vi khuẩn sống mặt nước biển nhiều. Việc nghiên cứu phát triển loại vi khuẩn nhằm mục đích thu khí hydro tiến hành thời gian tương lai tới, thành công 24 mặt thương mại sản xuất hydro với khối lượng lớn. Kết luận Hydro pin nhiên liệu chìa khóa giải vấn đề ô nhiễm bầu khí biến đổi khí hậu toàn cầu mối lo toàn giới sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Một kinh tế hydro xuất xuất kinh tế dầu – khí, buộc phải thay đổi tận gốc hạ tầng sở kinh tế hóa thạch hoạt động người. Phương thức sản xuất nguồn lượng không tìm kiếm, thăm dò, khai thác; phương thức tồn chứa, vận chuyển, cung ứng hydro cho nhu cầu tiêu thụ buộc phải cấu trúc, xây dựng hạ tầng sở mới. Động chế tạo theo nguyên lý phù hợp nguồn lượng hydro, tất nhiên khác hẳn động xăng, dầu. Ngày nay, kinh tế hydro trở thành xu đảo ngược giới. Ở Mỹ, năm 2003 Tổng thống G. Bush công bố chương trình gọi “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với định dành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy pin nhiên liệu hydro phải triển khai thương mại hóa thành công vào thực tế. Nền kinh tế hydro nhờ lượng mặt trời không ý tưởng mơ hồ viễn tưởng khoa học, khả thực hóa kinh tế hydro khoảng 25-35 năm thôi! Như Tổng thống Mỹ G. Bush hi vọng “chiếc ôtô đời trẻ sinh hôm ngồi cầm lái xe hydro dòng ZEV”. Các nhà khoa học giới nổ lực nghiên cứu, tìm tòi khám phá cách tốt để sản xuất nhiên liệu hydro, tương lai không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch. Và hydro chủ yếu sản xuất công nghệ reforming nước khí metan điện phân nước, giá thành sản xuất cao. Nhưng tương 25 lai không xa nữa, nhà khoa học thương mại hóa thành công “quy trình sản xuất hydro sử dụng vi sinh vật” nguồn hydro cung cấp cho xã hội vô tận, vi sinh vật nuôi cấy sinh sản nhanh. Đoạn kết xin trích dẫn đoạn viết Trần Mạnh Trí viết cho tạp chí “Tạp chí Tia Sáng” : “Ở nước châu Á, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan . có chương trình nghiên cứu phục vụ cho kinh tế hyđrô tương lai. Còn nước ta, nói đến kinh tế hyđrô xa lạ phù phiếm. Nhà nước chương trình quốc gia trọng điểm liên quan đến việc chuẩn bị cho thời kỳ “hậu hóa thạch” có lẽ nghĩ nước ta đồi tài nguyên dầu, khí than đá. Trong đó, xu hướng lựa chọn nguồn lượng hạt nhân để phát triển thành nguồn lượng chủ đạo nước ta vài thập kỷ tới đề cập nhiều. Theo TS Đinh Hữu Đức, Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc Công ty American Technologies, Inc (ATI), nguyên Giám đốc điều hành nhà máy điện nguyên tử Water Ford III, bang Louisiana (Mỹ) cho rằng, 20 năm tới Việt Nam phải cần 20 nhà máy điện nguyên tử bảo đảm đủ điện cho phát triển kinh tế, thời vàng cho Điện nguyên tử Việt Nam (báo Nhân Dân điện tử ngày 8-8-2007) ! Thật khó hình dung tính khả thi chương trình điện nguyên tử vậy, biết vốn đầu tư cho nhà máy điện nguyên tử Việt Nam công suất 2.000 MW khoảng tỷ USD phải xây dựng vòng 13 - 15 năm tiến độ. Không lẽ đứng chơi giới vấn đề này?”. 26 Tài liệu tham khảo 1) 2) 3) 4) Vi sinh vật học môi trường - PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành Bài giảng: Công nghệ sinh học đại cương – TS. Tống Thị Thanh Hương Hydrogen Production by the Bacterium - Suellen A. Van Ooteghem Hydrogen from Biomass - Thomas A. Milne, Carolyn C. Elam and Robert J. Evans 5) Wikipedia.org 6) Hoahocngaynay.com 7) Khoahoc.com.vn 8) hydrogen-fuelcell.blogspot.com 9) Fchea.org 10) Energydigital.com 11) Baygen.hu 12) Alternative-energy-news.info 27 [...]... 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... 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. .. 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... 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 vi c tạo ra năng lượng và một phần nhỏ vào vi c 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... sống Mặt khác, sự vô cơ hóa nhờ vi sinh vật là cơ sở của hầu hết các quá 14 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... phẩm thu được từ sự sinh trưởng của vi khuẩn Vì thế càng có nhiều vi khuẩn loại này chúng ta càng thu được nhiều khí hydro do chúng thải ra” Hình 15: Vi khuẩn có khả năng sinh khí hydro Chỉ cần cấy acid fomic vào vi khuẩn này thì nó sẽ sinh sôi nảy nở rất nhanh, từ đó sản xuất ra nhiều khí hydro và tạo ra nguồn năng lượng “xanh-sạch” mà con người cần Thêm vào đó, nó còn có tác dụng ăn khí ôxít cácbon (CO)... về vi c sử dụng pin nhiên liệu hydro và động 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 Vi n 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... 3 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 để điện... liệu hydro, một tương lai không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch Và mặc dù hiện này hydro chủ yếu được sản xuất bằng công nghệ reforming hơi nước khí metan và điện phân nước, giá thành sản xuất còn khá cao Nhưng trong tương 25 lai không xa nữa, khi các nhà khoa học thương mại hóa thành công “quy trình sản xuất hydro sử dụng vi sinh vật thì nguồn hydro cung cấp cho xã hội là vô tận, bởi vi sinh. .. Bộ Các vấn đề Kinh tế Đài Loan, thành công mới này có thể mở ra những triển vọng công nghệ mới cho Đài Loan trong lĩnh vực năng lượng và thiết bị điện tử theo xu hướng công nghệ phát triển bền vững 12 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 . 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. 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. 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 Hà nội MỤC LỤC 1 Sinh vi n: Nguyễn Văn Sơn Lớp: Lọc Hóa Dầu A-K53 Khóa