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河南农业大学:光合生物制氢技术成长史

日期:2021-01-07    来源:中国能源报  作者:仲国彬

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2021
01/07
08:47
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关键词: 制氢技术 生物制氢 氢气制造

▲河南农业大学废弃物资源化利用团队

“科技发展,关键在人。这是河南农业大学废弃物资源化利用团队不忘初心,攻坚克难的基本遵循。”作为享受国务院特殊津贴专家、教育部首批“国家级优秀骨干教师”和河南省特色骨干学科(农业工程)的学术带头人,农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室主任、河南农业大学原副校长张全国教授从开始的常规能源煤炭及煤矸石和粉煤灰的清洁高效利用,到顺应国家碳中和潮流,深入开展生物质能领域的科学技术研究,利用专业知识解人民之所需,为可再生能源开发利用,尤其是为太阳能光合生物制氢提供了重要技术参考 。

率先开启国内

光合生物制氢研究先河

改革开放之初,国家启动了对农民家庭用能状况的调查,广大农民普遍存在的“夏无三炊薪,冬无御寒柴”的现状。河南农业大学在老校长张百良教授带领下,克服一缺知识、二缺技术、三缺人才的重重困难,率先开办了全国第一个农村能源工程专业,并建立了以农村可再生能源为主要研究方向的实验室。张全国毅然投入可再生能源领域的研究中,不断学习国内外先进知识,锐意进取、攻坚克难。

氢能因其能量密度高,燃烧无污染、应用形式多样等被认为是矿物燃料最理想的替代能源。目前,大家所能看见的氢动力汽车已经开始试运行。然而传统的化学法制氢,不仅消耗化石能源,还会造成环境污染。生物制氢是利用微生物自身的新陈代谢途径,在常温常压下生产氢气。国内外最初关于生物制氢的研究,主要集中在光解水制氢和暗发酵制氢两种,而对光发酵制氢的研究还比较少。河南农业大学废弃物资源化利用团队,率先开始了光合生物制氢的科学研究。

光合生物制氢有较高的理论产氢量,但光发酵制氢过程中的光转化效率普遍低、反应成本远远高于其他方法的制氢成本,张全国教授团队根据光合产氢菌吸收光谱特性和太阳能辐射特性,提出了利用太阳能为光源的光合生物制氢体系及其光谱耦合理论,设计了具有自动跟踪太阳能接收装置、可改变太阳光波长的光生化制氢装置。这种可选择光谱的滤光技术装置的改进,得到了光合产氢菌吸收光谱特性随太阳能辐射波长的变化规律,不仅极大的减少了制氢成本,还提高了光转化效率。

▲张全国在调试暗-光联合生物制氢中试系统

针对光合细菌代谢制氢过程中存在的大量热物理问题,会直接影响光合生物制氢体系的能量消耗、产氢酶活性、产氢速率等,研发团队首次提出光合生物产氢热效应理论,揭示生物制氢体系的温度场变化规律,开发出生物制氢反应器内部的温度场分布数值模拟方法,提高产氢菌活性,构建与高效光合产氢菌群热力学特性相耦合的绿色光合制氢体系。随后,团队开始转向以农业废弃物为底物的光合生物制氢研究。同时创制了世界上最大的秸秆类生物质光合生物制氢试验系统及其成套装置,优化设计了折流式联合制氢反应器内部结构,实现了太阳能光生化反应器的连续稳定运行,构建了高效节能型绿色光合制氢体系。

团队围绕光合生物制氢研究进展出版的《光合生物制氢光热质传递理论与数值分析》和《光合生物制氢理论与技术》等著作在2017年科学出版社农林专著销售排名中分别位列第一、第二名,《农业废弃物光生化制氢热效应理论与应用》专著于2020年获得国家科学技术著作出版基金资助。团队在秸秆类生物质光合生物制氢光谱耦合理论、热效应理论、多相流理论及光热质传输规律等关键科学问题取得了一系列成果,明晰了对秸秆类生物质光合生物制氢中的生物质多相流光热质传递特性及其稳定高效产氢体系,张全国教授及其团队于2019年获得“国际生物过程学会PANDEY突出成就奖”,研究成果“秸秆类生物质光合制氢光热质传递理论与调控机制”于2020年获得河南省自然科学二等奖,成功主办了第四届国际生物过程学会学术年会和第十三届亚洲生物制氢和生物炼制学术年会,并分别担任这两个高规格国际学术会的会议主席。

“三化”协同开创

农业废弃物综合利用新途径

截至目前,研发团队在太阳能光合生物制氢方面的研究已有20年。以解决实际问题出发,从开始提出的光谱耦合、热效应、多相流等理论,到现在的规模化实验,一步一个脚印,逐步阐释了光合生物制氢体系内部机理,突破了光合生物制氢技术上的瓶颈,并实现了中试规模化应用,引领了基于农业废弃物的太阳能光合生物制氢科学研究与技术发展,为农业废弃物高效梯级利用的绿色生物制氢工业化应用提供科学参考。

2019年3月,中国和意大利签署了19份政府间双边合作文件,进一步深化了中意双方全面战略伙伴关系。在中意双方政府间全面合作的背景下,张全国团队与意大利国家研究委员会大气污染研究所签署了“基于农业废弃物的生物氢气和生物甲烷及缓释营养剂联产技术研究与示范”合作研究协议,并达成“中意农业废弃物资源化利用技术联合研究中心”的共建意向,深入开展合作研究,共同努力为“一带一路”沿线国家提供农业废弃物资源生态安全利用的新理论与新方法,开创农业废弃物综合利用的新途径。

除了生物制氢,团队也一直在对废弃物资源化清洁利用方面进行研究。农业废弃物量大面广,且能量低,如何能将农业废弃物转化为高品质能源和肥料等产品,使其产生显著的社会、经济和环境效益。目前,较为成熟的厌氧发酵产出沼气的同时,还会产生大量的发酵尾液(沼渣、沼液等),尾液中含有丰富的氮磷钾等营养元素,尾液的随意排放不仅浪费资源,还会造成环境污染。

针对以上问题,团队提出了农业废弃物燃料化、肥料化、基料化于一体的“三化”协同多联产技术,实现了“三化”系统中物质和能量的双元循环高效清洁利用,研究成果分别获得中国专利优秀奖、中国沼气学会科技创新一等奖、河南省科技进步一等奖等多项奖励。同时根据不同区域特征和用户需求,研制了一系列多联产装备,如辅热集箱式和双效增温式等,产生了显著的社会经济效益。

建立资源节约型

绿色消费体系是当务之急

“我们要做的,就是让学生们进入社会后,充分运用所学的专业知识,能为社会发展贡献智慧。”张全国教授坦言。正是这样朴素的坚守,为实施国家碳中和战略和可再生能源发展输送了一批又一批新鲜血液。

科学研究,最终要为生产实践服务。作为中国科协首席科普专家、“科创中国”农业工程科技服务团副团长,张全国教授率领团队,积极服务乡村。2020年,举办科普讲座5场,同时还创办微信公众号、做客直播间、出版科普读物,尤其结合团队研发成果“农业废弃物双元循环多联产资源化技术及应用”,在南阳、驻马店等科普实践基地进行宣传推广,创建了农业废弃物全方位高值化利用新模式,于2017年获河南省科普成果一等奖,为乡村振兴和脱贫攻坚提供了新途径。

多年担任十一和十二届全国政协委员、十二届全国政协教科文卫体委员会委员、民革中央委员、农业农村部科技委农业工程学部委员、中国农业工程学会副理事长、中国高等教育学会工程热物理专业委员会副理事长和河南省党外知识分子联谊会副会长等社会职务的经历,让张全国教授对民之所需、民心所向有很深刻的认识。自2008年任全国政协委员以来,他就一直集中选题调研,建言献策。

其中,他提交的关于减免农业高等教育涉农专业学生学费、家电下乡的农村能源供需、新农村人才队伍建设、粮食核心产区的低碳农业发展、农村沼气科技推广能力建设、涉农专业学生素质教育、提高涉农专业学生创新就业能力、建立资源节约型绿色消费体系等提案,都取得了较好的效果。其中,关于建立资源节约型绿色消费体系的提案得到了国家发改委和财政部的高度重视,该提案还被评为十一届全国政协优秀提案。


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