可再生資源回收前景
前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇可再生資源回收前景范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發現更多的寫作思路和靈感。
可再生資源回收前景范文第1篇
隨著適用性研究和開發的進展，人們可以發現許多經濟上可行的方案來滿足整個地球的需求。該"設想"確定了方向和相應的規劃，采取措施建立利用植物系統中能源和碳源的可再生資源基礎。面臨的挑戰是嚴重的，但機遇也是難以衡量的。人類可以適應變化，但必須接受所面臨的挑戰。序言中從兩方面進一步闡明“設想”提出的背景：
1、界定植物/農作物基資源
植物/農作物基(有時用生物基bio-based)資源是指來自于一定范圍的植物系統，主要是農作物、林產品和食品、飼料和纖維工業加工過程中的副產物。它們可以通過一年生的作物和樹種，多年生植物和短期輪作樹種等途徑在一個較短的時間內再生。石油化學品原本也是以植物為基礎，其基本分子為烴類。植物/農作物基可再生資源當前所用的大量基本分子是碳水化合物、木質素和植物油。也有一些量少高值的分子是來自二級植物新陳代謝。另一個主要區別是烴類及其提取系統已經開發并加工處理其所需要的原料型產品，而植物基可再生資源在某些程度上雖然也被認定，但某種植物會含有某種資源，加工后會留下什么，尚未完全搞清。
最近生物技術進展可以改變植物成分和酶提取系統，這就為現在需要的化學產品和新型中間人體及產品制造提供了新的經濟機遇。據統計，美國的森林、耕地、牧場等面積約22.46億英畝(1英畝=0.405公頃，下同)，其中主要農作物的種植面積有4.24億英畝，可以生產大量植物/農作物基資源。過去50年，這類資源的重點主要是面向食物、飼料和纖維生產。
2、烴類經濟
20世紀后期，世界經濟發展很快，生產增長率有很大提高，尤其是各發達國家，一些發展中國家也不斷增長。成功的增長和發展過程中起主要作用的是烴類經濟。自20年代以來，礦物化石燃料的采取和利用提供了人們當前所享受的經濟效益和生活水準。許多國家都依靠這種資源來滿足能源和原材料的需要。
在過去50年中，大量的研究開發在能源生產和基礎產品制造方面創造了許多可以大量增值的工藝過程。市場經濟明顯地受人們提高生活水準的意愿所驅動，以創造各種產品。生物基資源的(主要是用植物基)用量很小。據統計，在能源方面少于1%，在原材料方面亦低于5%。美國1996年玉米、黃豆和小米等生產用作食品和飼料量約為6900億磅(1磅=0.4536公斤，下同)。由此從經濟角度看還不能趕上工業原料，而以烴類為基礎的經濟卻繁榮昌盛。
烴類雖然將繼續起到非常有效的經濟發展平臺作用，但是在其未來應用中卻有若干問題有待解決。首先是對石油化學產品的應用環境問題日益受到關注，隨著又產生了許多相關的問題。化石燃料是一類正在減少的原料資源。應用植物/農作物基資源作為一種補充，由于它們是可再生的，所以為經濟有序地向可持續發展轉變創造了機會。
通過對能源狀態的審視就可看到可再生資源作為一種補充的必要性。烴類資源有限，許多專家提出世界可采和探明儲量，如按現在消費水平計算只能提供50-100年，此處的一個重要假設是“現在消費水平”是保持不變，但是從全世界人口增長和生活水準變化來考慮，此假設是不合理的。當前世界上按人口平均的能源消費水平差距很大，詳見表1，許多發展中國家都將增加能源消費。未來的能源供應問題是多方面的，因為發展中國家人口眾多。例如，中國按人口平均能源消費相當于美國水平的1/3，其需要增加的能量數量約相當于美國現在全年能源使用總量。
表1當前按人口平均能源消費水平kwh/人美國法國日本巴西泰國中國
122007500700015001200900
一些有效利用烴類的開發將有助于需要增長問題的解決，但是對烴類找到補充資源是完全必要的，只有如此才能保持可持續發展的工業基礎。
新技術開發和應用需要時間。石油化學工業本身的發展就是一個事例。1920年烴類原材料經濟并不像今天這樣具有吸引力，過了50年，開始適應化石燃料狀況的工藝。因此，要使植物/農作物基系統達到同樣現代化水平也需要時間。
當前正是開展大量研究開發工作、利用各種可再生資源和各種新工藝、并開始在各種可供選擇的途徑中提出選擇標準的時候。現在進行研究并不意味系統要立即改變，但是，烴類經濟的經濟學未來將出現問題：要支付高額環境費用，或是由于原料缺少而價格上揚。
投資適用性研究可以在未來能源和原材料間進行相關的比較，提供非常需要的選擇。在中期至長期，選擇植物/農作物基可再生資源可能是要兼顧環境方面容許和經濟方面具有吸引力。而在近期，研究和開發可能只在一些領域內進行，使植物/農作物可再生資源能開始進入基本化學原料市場，從而擴大資源基礎，延長有價值的化石燃料儲備的應用壽命。
在上述背景環境下，通過研究討論，提出了2020年開發利用植物/農作物可再生資源的設想的目標；“設想”是要通過植物/農作物基可再生資源的開發來提供經濟繼續發展、生活的健康標準和強大的國家安全。植物/農作物基可再生資源可以改變當前對日益減少的非再生資源的依賴。
本“設想”的內涵重點是建立新的觀念，即植物基資源是越來越重要的工業原料資源。非再生資源可能因經濟和環境因素逐步被植物基再生資源所取代，“設想”反對等到危機發生時現開始啟動替代。
展望2020年，化石燃料可能仍將占90%，增加植物基可再生資源并不是可有可無的，它對滿足未來的需求非常迫切。當然，需要有效地加工和利用這些植物衍生原料。其新途徑的研究從現在就要開始，為經濟發展有足夠的時間，保證解決環境而進行良好的合作。
要取得有成效的進展，應當確定以下的方向性目標：
1、2020年化學基礎產品中至少有10%來自植物的可再生資源原料，到2050年提高到50%。
2、建立植物基(農作物，林產，加工業)系統，用有效的轉化加工工藝生產可再生原料，為2020年選中的產品提供經濟合理、對環境瓜敏感的制造平臺。用此生產鏈來示范一個綜合的植物/農作物基原料系統的經濟合理性和潛在效益，顯示工業應用機遇的新領域，為2020年以后國內和出口的需求做出貢獻。
3、在工業投資者、植物商、生產者、學術界和各級政府之間建立合作伙伴關系，開發從小范圍到大規模的工業應用，重新激活農村經濟，改進增值加工和制造鏈的集成，消除食品、飼料和纖維加工業與基礎材料制造業之間的差別。
“設想”中提出，科研與開發方面要制定有詳細目的和要求的相應計劃，支持上述方向性目標的實現，從而也可取得投資的優勢。
植物/農作物基資源利用現狀和前景
一、現狀
烴類提供人類能源和衣著。塑料、油料、油漆、染料、藥品等基礎原料，已經成為現代生活的主要依靠。1970-1990年間石油基的塑料增加了4倍，已經逐步代替了玻璃、金屬甚至紙張。植物/農作物基資源目前尚未有效利用，主要是因為可用性差、質量不高、供應不穩或是價格高。要推動和提高植物/農作物可再生資源應用的興趣，需要從以下幾個方面來分析。
1、實用性
盡管消費總量不高，但是植物基原料當前在化學品方面應用面很廣，如用于油漆、粘合劑及劑等。黃豆是植物袖的傳統原料，隨著基因工程進展，可以生產滿足特殊劑市場需要的專門油。最近，可用黃豆衍生物制造油墨，在乙醇、山梨醇、纖維素、擰槽酸、天然橡膠、多數氨基酸以及各種蛋白質等化學品生產中，植物基資源是主要原料，詳見表2。
表2、美國植物基資源用量萬t/a類別用量用途
木材8090紙，紙板，木質素纖維復合材料
工業淀粉300粘合劑，聚合物，樹脂
植物油100表面活性劑，油墨，油漆，樹脂
天然橡膠100輪胎，家用品
木材提取物90油料，膠
纖維素50紡織纖維，聚合物
木質素20粘合劑，丹寧，vanillin
在多數情況下，應用的植物基材料主要是原始狀態分子。如木質素纖維、植物油和橡膠等復雜分子的應用也只有有限的改性。這就與石油化學工業構成明顯的反差，石油化工則是用化學方法按需要將烴類裂解成幾種簡單分子，如甲烷、丙烯等。用這些基礎原料進行化學合成，制造所需要的復雜的分子。
在少數情況下，植物/農作物原料進行裂解成為不同的基礎分子，例如高果糖的玉米生產糖漿和玉米淀粉發酵生產燃料乙醇。1996年美國用211億磅(1磅=0.4536公斤，下同)玉米采用新型酶發酵方法生產9億加侖(1加侖=4.546l,下同)乙醇，從而加工為90億加侖混合汽油。從許多實例看，植物基原料有一定實用性，雖還未生產像藥物那樣的高度專業化的分子，但卻包括了大量生產的中間體及產品。
2、供應及質量
植物系統地區分布廣，由于土壤和氣候條件不同，導致供應和質量的差異。森林和農業系統的發展已經縮小了天然野生植物的供應差異。
生物質的總產量雖然很大，但是由于沒有經濟的轉化技術而使其應用受限制。一些新進展如快速裂解提供了從中獲得低分子量產品的機會，如果能在分離技術上進一步創新，就可以推動此應用。生物質資源可以來自快速增長木材、田邊作物以及其他專門培植的植物物種。另一潛在的生物質資源是當前為食用和飼料種植的農作物，如玉米、黃豆、小麥和高梁等。一般情況下這些作物只應用其產量的一半。此4種作物估計每英畝(1英畝=0.405公頃,下同)約有2600磅(以干物質計,下同)遺留在田地中，總計約有5200億磅。一部分留在耕地以改良土壤結構，但大部分運出去，作為原料應用。因此要求有適當的、成本低的儲運系統和加工技術。
供應方面的主要問題是對原始生產的管理。當前，樹木可作木材和紙漿，種植農作物只是為食品、飼料和纖維加工，沒有在綜合利用上進行優化。對植物/農作物投入的成本評價基礎是未經優化的植物生產系統，因此經濟性不佳。一些邊際土地的利用可以擴大植物基可再生資源原料基地。但是從經濟上比較，其很難達到經濟可行目標。在估算其經濟回報時，要考慮化肥、農藥等化學品的使用費用。要增加可再生資源來源，除了要提高邊際土地利用率外，主要應是如何對良田建立優化種植生產系統。
當前低投入、低產出的植物生產對農民難以盈利，并不利于農村發展，也不能為加工業提供低價原料。但是在產出方面，數量和質量相差甚大，從此系統得到的產品必然價格較高，嚴重地限制了經濟上的可行性。而且，由于低產出生產就需要更多的土地，其對環境的單位影響常常大于更為強化、密集的系統。因此要優化生產系統，同時改善邊際土地的利用。此外利用生產率高的土地作為植物/農作物可再生資源的原料基地，這也有利于解決數量和質量上的波動變化。
農村根據市場需求規劃種植計劃，如根據乙醇市場還是植物油供需情況，做出種玉米還是種黃豆的選擇，其次則要進行第2輪對品種的選擇，作乙醇則要種高淀粉含量的玉米品種，如要種飼料，則種含高油量玉米更佳。這些選擇都對產出經濟效益有很大影響。面對“設想”需要擴大食品或飼料、飼料或原料、油料或淀粉、纖維或糖、藥品或聚合物等等選擇范圍。要根據供應或需求來決策，就需要進一步仔細研究有關課題。
3、植物/農作物基原料成本
利用植物/農作物基可再生資源主要是成本問題，它與烴類相比是不經濟的。工業生產要求大量的便宜原料。植物原料價格便宜，如果能開發適當的系統將極具競爭能力。利用植物/農作物基原料生產化學品的成本比較，詳見表3。
表3、植物/農作物基化學品生產成本類別生產量萬噸通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占總產量%
糠醛300.750.7897.0
粘合劑5001.651.4040.0
脂肪酸2500.460.3340.0
表面活性劑3500.450.4535.0
醋酸2300.330.3517.5
增塑劑801.502.5015.0
炭黑1500.500.4512.0
洗滌劑12601.101.7511.0
顏料15502.005.806.0
染料45012.0021.006.0
墻涂料7800.501.203.5
油墨3502.002.503.5
專用涂料2400.801.752.0
塑料30000.502.001.8
實際上,在制造業中選用不同的化學加工工藝對其成本影響很大。
植物/農作物基可再生資源不是一種替代性資源,而是為工業原料提供的補充資源。成本問題并非只限于原料,而且與加工過程有關，因此要進一步開發新的化學和生物加工工藝，才能擴大植物基可再生資源應用范圍，使之成為經濟可行系統。
二、前景
由于植物/農作物基可再生資源的來源不同，每種來源的原料又可以利用不同的加工工藝，構成了一種多維的發展前景。本“設想”運用矩陣分析方法進行探討。不同投人的植物原料，可以運用不同的加工系統，并取得各種不同的開發效果。
1、廢料和副產物利用
從當前看，利用機會多，但需要有新的加工技術才能使其成為更重要的資源。
(1)現代化學
森林工業已經將副產物利用發展成為一個較大的行業，如紙漿副產液轉化為磺酸木質素表面活性劑ch3soch3以及用樹皮制丹寧。農作物的磨榨工業開發了許多應用副產物進行加工的工藝，如從燕麥制糠醒、淀粉粘合劑、專用棉籽油、從濕磨料生產擰蒙酸鹽和氨基酸等。但是，許多食品加工業，如蔬菜和水果卻沒有開發相應的副產利用加工工藝，經常將副產淀粉和糖排放入周圍環境。副產物的利用具有許多發展機遇，提取及銷售其所含的有效成分是降低主產物成本的手段，而且從戰略上看是擴大利用植物基資源。
(2)改進化學
木本植物和有些農作物加工中有較高的木質纖維素含量和一些碳水化合物，如烴類工業一樣，可以將復雜分子轉變為較小分子技術。便宜的植物衍生發酵制糖的開發已在進行。用金屬有機物化學將碳水化合物轉變為增值化學品是擴大利用植物基原料的又一技術途徑。改進化學方法具有潛力，可以使植物衍生的廢料加工利用提高經濟回報率。
(3)生物加工
在比較復雜的料漿中用微生物發酵法生產某種分子，再將其分離出來成為需要的產物。生物轉化是應用微生物、細胞或不含細胞的酶系統的一步法工藝，它提供了改進廢物料和副產物利用機會，隨著分離技術的提高，生物加工工藝可以獲得更為廣泛的應用。
(4)新分子
在此方面似乎不太重要，從廢料中生產新分子不是一條最佳途徑。
2、現有農作物
從近期看擴大應用具有最佳機會。
(1)現代化學
從化學工業整體看，并沒有|認為植物衍生材料具有較高的經濟價值，但是具體|問題要具體分析。石油化工利用烴類而不用碳水化合物和其他生物基分子。
(2)改進化學
如果植物衍生原料是結構型的生物質，含有木質素和纖維素等成分，其具有一定優勢。一些新技術，如綜合燃燒或金屬有機化學等都能提供更好地利用此類資源的機會。除林產資源外，約有5200億磅的生物質資源目前尚未加以利用。改變加工工藝路線可以提高利用現有資源的效益。新的工藝開發可以提供利用糖和淀粉的機會。植物淀粉有不同來源，如水稻、土豆、玉米和小麥，它們的性質、用途都不同，因此需要改進其化學方法，發揮其潛能。新化學工藝與生物加工及先進的分離技術綜合起來可產生很大效益。
(3)生物加工工藝
植物作為生物加工原料量大而多樣，從結構型生物質到一些專門的植物組分，在生物加工方面潛在優勢很大：用酶轉換玉米衍生的葡萄糖生產高果糖的玉米糖漿。最近從玉米葡萄糖經過發酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸鹽可以用作制一些化學產品如丁二醇、四氫呋喃，這些中間體又可進一步加工制成許多種產品。當前，用10億磅這種原料可得到價值13億美元產品，現在正在中試。多種學科進行合作就可取得良好的效果，這是短期內取得成效的一種良好運行模式。
(4)新分子
植物原料的投入固定，利用基因改性所用微生物或是專用酶，可產生新分子。此工作目前只在很小的市場中進行。當市場對具有特殊性能的新產品需求增加，投入產出可能會促使其發展，技術和經濟的綜合研究要沿著產品開發鏈進行，從界定所需要的產品——需要的特性——分子結構——中間體——酶技術——蛋白質/基因工程——投入植物的最佳原料——生產優化等。
3、新鮮農作物
此項作為中期發展機遇。
(l)現代化學
因為化學工業一般不認為農作物的利用能獲得較高的經濟價值，因此新鮮農作物并無吸引力。過去曾認為可以降低成本，但是實際上的技術限制否定了其經濟性。
(2)改進化學
從投入產出看，存在類似問題，如果改進的化學工藝需要專門的農作物，-新鮮農作物可能會有優勢。另一優勢是在物流方面。按照改進工藝實施和運作規模，所需原料只能就近供應新鮮農作物。因此改進工藝應當與供應系統平行進行才能互相支持共同發展。植物作為原料補充資源時，困難在于許多烴類加工裝置不位于農作物和森林種植地區，而植物基原料運輸費用很高。
(3)生物加工工藝
與改性化學類似,區別在于如何將原料加工成中間體和最終產品。在技術上要考慮農作物品種的適用性，一種生物工藝可以對多種品種進行加工。優化工藝是影響運作經濟很重要的因素。
4、改性基因類植物
這是中長期發展機遇，其可提供的成效目前尚難以想像，今后是否出現碳水化合物經濟，或是其他經濟，這要看建立在生物工程基礎上的新工業平臺所能發揮的作用。
(1)現代化學
基因改性植物基原料可能成為現有的烴類加工系統原料。但是，改性植物分子在烴類系統中降解所花代價太高。因此投入技術要能跨越加工技術，或者是較復雜的分子能直接得到并進入制造鏈，再有是新工藝路線能高效地應用此改性原料。當然這些變革都要從經濟和環境兩方面來評價其效益。
(2)改性化學
對優化植物/農作物基原料投入和加工有好處，應當進行此方面研究。至于何時見效則要根據基因技術進展及其達到工業化時間來確定。
(3)生物加工工藝
微生物或酶進行基因改變達到強化工藝過程目的。生物工程具有長期潛力，在原料投入和生物技術本身之間創優，有時所需要的可作基礎原料的分子可以部分在植物原料內進行合成，用生物轉化或高度專門化的生物/化學工藝進行分離。為了繼續應用化石燃料生產專門產品，需要進行研究開發，使有限資源能取得最大的價值。
(4)新分子
過去20年中，塑料已成為最大的工業部門，在日常生活中代替了玻璃、陶瓷、木材和金屬。市場將會根據消費者的意愿和需求發生變化。材料科學將繼續發展，市場銷售者將繼續設計新的消費品，塑料的未來變化難以預料。能作為新工業發展平臺基礎的新分子將會很多，物理與化學科學與生物工程材料結合將產生新的領域。植物基可再生資源將是未來的主要資源。新陳代謝工程是將豐富資源制造成所需基礎原料的渠道，支持社會基礎設施。開發和拓寬其可能性，需要先進的技術，這將是未來新領域。
生物技術的潛在影響及實施“設想”的工作途徑
生物技術的潛在影響
對一個新的技術領域進行評價，可以從如下幾個方面來分析：近來變化的速度和引入的速度、量度及其帶來利益的水平及公共公司投資、評價專利活動和有關協會的活動、觀察開發進程、審視所取得的成功進展。
90年代初期，許多人對生物技術將對農作物帶來很大變化是持懷疑態度的。到1996年，轉基因作物在產業化方面取得成功，明確地澄清了這個問題。這些早期的成效是關于新的作物保護途徑，對保護植物生產免受病蟲害起了重要作用，對進一步了解和掌握如何改進植物組分也很重要。
由于管理方面的需要，轉基因大田試驗記錄由美國動物和植物健康監測服務中心保存。從記錄中可以看到一些行之有效的轉基因改變植物組分的工作正在進行之中，試驗范圍也在不斷擴大，一些主要的公司如杜邦、孟山都和pioneerhi-bred等都在進行。
為了改變植物組分以提高營養價值，改善加工性能，或是為了某些工業和制藥的應用，一些轉基因改性品種已經進行了評價，包括碳水化合物的變革、油和脂肪酸改性、提高氨基酸水平、蛋白質形態操作(typemonipulation)、纖維特性改性、產生抗體、工業酶生產、二級化合物操作(甾醇，earotenoids等)、新型聚合物生產。
轉基因技術發展非常迅速，為植物基材料擴大應用開辟了新的途徑，使其可以為工業生產提供分子基礎原料和更為復雜的分子原料。用植物基原料主產聚合物，制造塑料就是一個成功事例。從a1-coligenenentrophus細菌的3種基因已經能轉入植物的1ipid合成中，可以得到polyhydroxybutyrate(聚羥基丁酸酯)，濃度可達14%。這種生物可降解的熱塑性塑料正在進一步開發，使之可以從黃豆、棉花和油菜籽制備。
在過去50年內，通常用的植物培植產率已經提高了3倍，根據農作物滿足食物、飼料和纖維不同用途，選擇不同的方法得到具有不同特性的產物。高級植物種植要用基因圖譜和轉基因技術，進一步提高食物和飼料生產需要供應的植物基原料。
生物技術對植物基原料已經產生革命性的影響。但是，用生物技術來改變植物，使之適合烴類經濟需要，并不是一條最佳途徑。這就需要進一步弄清什么是工業鏈需要的因素，而這些因素又是能在未來轉基因植物基可再生資源中具有最大的優勢。
實施“設想”的工作途徑
要成功實施美國可再生資源開發利用的戰略設想(以下簡稱“設想”)中所提出的大綱，需要將研究、開發、工業過程工程以及對未來的市場了解等項工作有效地集成起來。適應“設想”的多學科計劃以及各個項目的協作都要求有一共同的目標，向前沿技術邁進。應用改進的化學工藝加工現有的農作物，包括集成運用生物工藝，可以納入短期計劃之內，從當前到今后10年可以著手實施。這是研究中的一個熱點。另一個熱點是觀念上的飛躍，超越當前的烴類化學，結合基因改性植物，運用新的工藝，這可以納人中長期計劃中，在10到20年甚至更長時期內實施并產生影響。上述兩個熱點都是當前在研究中進行投資，在不同期限內可以取得回報。
如果在這些領域內取得成功，在工業應用上就可以有了一個可行的堅實科學基礎。新鮮作物應用開發將被看作是一個降低這些系統成本的一種機制，或是改善供應狀況(數量和質量)，滿足工業發展需要。
當審視植物基可再生資源的前景時，可以看到供應鏈本身包含著許多重大課題。不同物種發展有各自的地理優勢，可以形成專門原料的加工中心，包括進入國內和國外兩個市場。對轉基因作物的鑒別保護機制仍在變化，植物基可再生資源上的這些系統都需要進一步研究。
本“設想”并非要給各種問題以答案，而是指出未來潛在的可能，在各方面采取一定的步驟就可以使其實現。下一階段就要進行各方的協調工作，使多方面的投資者能有一個投入的基礎，針對“設想”提出的目標進行開發工作。該規劃要訂出各項目計劃，通過研究和開發來支持“設想”中提出的方向性指標。各計劃項目要符合下列一個或幾個方面的要求。
優化生物質和農作物基原料生產，達到計劃應用要求狀況。
為植物基原料的供應鏈提出裝置、地點、貯運和分銷措施，包括加強農村經濟的機制。
加速發展基于改性化學和生物工藝的新工藝，同時考慮利用植物/農作物基可再生資源原料。
對多類投資者支持的項目，對上述三個方面中一個或一個以上將產生影響的項目，或是多學科項目等將給以優先和優惠待遇。投資項目選擇標準應考慮時間要求和潛在影響的大小來確定。
植物/農作物基可再生資源對工業基礎原產的需求增長是一個戰略性措施，也是使美國在21世紀繼續保持領先地位的戰略性選擇。開發基礎資源具有經濟、環境和社會方面的好處。機遇是明確的，考慮未來的設想是需要的，要聯合投資者對新途徑進行投資，才能創造一個安全的未來。
“設想”文本中不止一處引用達爾文的名言“能夠幸存下來的物種，不是最強的，也不是最聰明的，而是能適應變化的”。
2020年可再生資源應用將增加五倍
《植物/農作物基可再生資源2020年設想實施的技術指南》(以下簡稱“技術指南”)，是《植物/農作物基可再生資源2020年設想》(以下簡稱“設想”)的補充，提出的目的是：支持“設想”方向，確定發展中的主要障礙和問題，確定優先的研究領域。
要達到上述目的需要進行協調觀念開發，收集專家證明，組織多學科研討會、聽證會，優勢排隊試驗和團隊行動計劃等多項工作。在“技術指南”編制過程中吸收了各方面人士的意見，參加研討的共有66名有關部門不同行業的專家。專家們就全球性問題提出“設想”，針對“設想”結合現實狀況提出存在的主要障礙與問題，再確定研究與開發領域，從而找出優先研究開發的課題。這些課題所屬領域都是能為利用可再生資源實現可持續發展起最大杠桿作用的研究領域。通過參加“技術指南”研究和編制的專家的專業情況反映出在化工制造中應用生物基原料需要涉及多門學科。但是有3個產業是中心，即化學、生物和農業，每個產業都涉及幾門不同的學科，如農業，林業和石油化學。
1、農業和林業
農業：是一個廣泛的概念，包括谷物生產、林地和牧場等。這些土地上生產的農產品和林產品一起構成生物基材料，它們通過太陽能，大氣中的co2和土壤中養分進行原始生產而成為可再生資源。美國擁有大量優良土地，豐富的自然水資源和先進的技術基礎，通過資源保護和利用，每年可產生可再生資源的巨大財富。林業：在美國有超過6.5億英畝（1英畝=4046.24平方米）的森林，從業人口140萬，每年生產價值2000億美元產品。過去10年內，紙張部門的增長比木材業快。木材和紙產品回收循環利用率高，每年有約4000萬t紙再生利用。美國的林業已經制定出2020年發展設想以及相應的研究計劃。該設想呼吁進行研究，用先進的生物和遙感技術以及樹木生理學和土壤科學等理論。
農業和林業通過應用基因學技術和轉基因植物等新手段將會出現大的躍進。在不久的將來，可生產出大數量和高質量的作物。除了飼料和食品，還可以為工業部門提供原材料。而且還可以引入某些酶標記基因，可能會在植物體內制造完全新型的聚合物，并可大量生產，成為經濟的消費用品。
美國將技術進展應用于植物和農作物的調整，使其在農業、林業和制造業中保持可持續發展的領先地位起著主要作用。國家的未來明顯地要依靠近期開發可再生資源基礎的研究來支持。
2、石油化工業
化學、工程學、物理學和地理學等幾門學科在石油化學工業中的應用，對人們生活產生的影響是50年前難以想像的。石油化學工業成功地創造了眾多產品，從高性能的噴氣發動機燃料到基礎化學品以及許多聚合物，如聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯和聚碳酸酯等。
石油化學工業：是資本密集型工業，已經建立了可觀的基礎設施來處理和加工化石燃料。美國每天要用1390萬桶烴類原料，多數是作為燃料型產品，用于化工及其他工業基礎原料生產，每天約為260萬桶油短類原料。
近年來，工業化學品和塑料生產都有巨大的增長。塑料工業從業人員120萬人，有20000套生產加工裝置，過去在研究開發上花費以10億美元數計的投資，才獲得了今日成就。如果塑料制品的原料沒有可再生資源，遲早有一天會變得十分昂貴。一方面，是否還有上萬億桶的石油開采量，原油價格能否在每桶10美元以內。世界原油生產已經變化迅速，而且有許多不定因素。另一方面，化石燃料資源是有限的，這是無可爭議的事實。重要的是考慮當供應呈峰值時未來價格的敏感度，而不是去爭論何時是油將用盡的理論時間。最近由于幾處新資源的發現及應用，在20年內原油產量可能會有所增加。但是，必須注意美國一直是原油進口國，50%原油靠進口。如果原油進口一旦停止，北美可采用的化石燃料資源儲量按目前消費水平只能維持約14年。如果保持目前進口水平而不增加，也只能使用28年。當然，將會有新的改進的抽提技術，例如水平鉆探和核磁共振鉆孔等，但是要在近年取得成效，希望是不大的。
用可再生資源補充石油化學品，要從現在開始，由少量到大量逐步進行，有關研究工作要立即開始。不考慮化石原料供應衰退時間表的爭論，由于人口增長以及一些新興國家人們生活水平提高，需求將繼續增長。在可再生資源取代化石燃料之前，它將作為一種補充資源。因此，無論如何在美國開發可再生資源作為工業原料都是十分重要的。
“設想”中提出的指標是“2020年基礎化學品至少有10%來自植物衍生可再生資源，隨著發展觀念到位，2050年要提高到50%”。要注意無論是美國還是全世界總消費量的增加是很快的，因為即使2020年的10%目標是按當時的生產總量計算，也比當前消費水平要提高4—5倍，絕對的增加更大。如果2020年消費水平本身提高1倍，可再生資源的絕對指標也要翻番。
換言之，不能期望可再生資源在不變的需求環境下能完全取代烴類資源，而只有當消費產品需求增加，可再生資源可以能滿足此增加需求中的一部分。在2040年時間框架中，指標可以是：可再生資源應用使化石燃料能穩定地維持現在的消費水平。按此指標可以形成以下的觀念：
由于不是一個競爭替代戰略，可再生資源并不與非再生資源直接競爭。
需要用可再生資源和非再生資源兩種資源來滿足未來20年的需要。30年以后，可能要更多依靠可再生資源，因為那時的化石燃料將會很貴而且有限。滿足近期指標的支持和研究完全與長期目標保持一致，這些方向性指標，非常清楚地表明面臨的挑戰是巨大的，需要從現在就采取行動，應當開始建立通向擴大利用可再生資源的道路。除了建立可操作的可再生資源基礎指標外，其他一些相關的指標也是很重要的，包括：
建立系統，通過加強經濟可靠性的基礎設施支持，將供應、制造和分銷等活動集成起來。
通過功能基因學來提高對植物新陳代謝的理解，優化對專門的增值加工工藝的設計和應用，除應用現有的組分外，要開拓新型聚合物生產和應用。要保證開發的新工藝過程的效率高于95%，同時應用伴生工藝，應用所有副產物，消除廢料，保證新的平臺能在特殊的環境條件下堅持目標方向對確定目標與研究指標要反復交叉檢驗，使其能堅持可再生燃料/能源需要的目標。
在生產和分銷中要開發保持穩定供應的途徑，在年生產一定范圍基礎上控制一些因素，如價格、數量、性能、地區分布、質量等。同時要制定提出這些因素的標準。
建立進一步合作伙伴關系，改進綜合集成，通過加強農村發展來支持取得成功。
“設想”的目標要實現，主要要使本“技術指南”中所列出的目的大綱都能達到。基因改性植物生產專門的代謝產品和開發補充性的化學改性產品取得成效就可以達到2020年可再生資源應用增加5倍的目標。這些進展也將為2020年以后的進一步發展奠定基礎。
可再生資源應用技術和市場的障礙及問題
將可再生資源制成消費產品的整個系統中有許多障礙和問題，其中關鍵和問題是：
植物科學方面：基因學、酶、新陳代謝和組分。
生產方面：單位成本、收率、持續性、基礎設計、植物設計。
加工方面：經濟學、分離、轉化、生物催化、基礎設施。
應用方面(由技術和材料驅動的問題)：經濟學、功能性、性能、新用途。
應用方面(由市場和需求驅動的問題)：價格性能比、性能、知覺、市場開發。
現將上述關鍵和問題擇要分別介紹于下。
一、關于應用方面（材料驅動問題）
1、經濟學
單位成本是當前植物衍生材料使用的主要障礙，也是經常引起爭論的一個問題，問題的核心是競爭性成本狀態。在多數情況下，應用植物基原料的成本都比較高，難以與以烴類原料為基礎的加工工藝競爭。但是，成本競爭情況有幾個非常復雜的因素互相影響，諸如產品價值、材料成本、產量、需要加工程度以及所用基礎原料的性能等。因此如果未來的戰略只考慮降低本是不會成功的。最重要的經濟推動因素不是成本本身，而是制得的產品和制造費用的差價(即增值)。
產品價格是諸多因素的函數，諸如產品利用、性能、消費者喜好和需求等，而制造成本則受原材料價格、供應的持續性、加工、廢料處理費用和投資等諸因素影響，要符合當前的具有競爭性的通用化學品工業的低成本需要。但是，從長遠考慮，只進行成本比較是有問題的，因為未來的化石燃料的成本是難以預測的。
在當前情況下，用烴類原料生產消費型產品的加工效率是很高的。但這并非是化石原料本身具備的特點。因為石油化工已經研究了100年，有了3代科學家，政府投入了大量資源才使之達到今日的水平。與之相比，植物基材料應用尚處于較低的水平，開拓植物基原料應用來適應已臻成熟的烴類加工需要并不是一條唯一的道路，目前應用數量還是很少的。另一條路線是通過弄清植物衍生材料性能進行技術開發，用基因改性植物，使之能提供含有需要功能的組分。
2、功能性
改變植物中的不同組分含量的目的是提高其功能性。在石油化工中先進行原料裂解降級成為簡單的分子，隨后用它們再行合成為較復雜的分子和聚合物。植物中已經含有不同形態的聚合物，可以在許多產品中應用。但是，在現在加工系統中尚無大量應用。用量有限的原因有幾個方面，其中主要的是由于缺乏對其功能性的理解，而只注意其成本。最近，已經由植物衍生的蛋白質聚合物研制出塑料薄膜的試驗產品，顯示出其應用的潛力。而且，植物擁有立體化學結構，可以得到一些有價值的手性分子，如糖類、維生素、氨基酸等。從總體看，目前對植物基礎原料的反應性和功能性尚不夠了解，因此限制了新應用思路的產生。
二、關于應用方面（需求驅動問題）
1、市場開發的費用
植物衍生材料應用的一個關鍵是市場開發費用高。正如許多新產品市場一樣，新產品的研究往往是由小公司開始的，它們投資不足，缺乏繼續發展的資源，常常只停留在試驗階段。工業化的成功率低，由于沒有一定的供應量而常使產品衰落。因此，需要大力改進產品開發和支持機制，而且要進行與產品相關的市場開發，這是擴大利用可再生資源的主要工作。目前市場上應用的標準都是基于石化產品，沒有適應生物基產品的標準，這也是要成功地與石化產品競爭的另一障礙。
2、認識問題
植物衍生材料常給人以較低級的印象，這可能是由于當前處于“石化時代”之故。對某些制造廠商來說，它的性能較差，主要是因為未得優化。雖然公眾環境意識增強，但是對植物基產品需求尚不足以創造市場來拉動技術開發。因此，當前可再生資源的進展主要是基于技術推動的結果，只有增加市場拉動才能有力吸引公司更多投資。沒有要變革的沖擊，就不會有更多的變革。因此，如果沒有各種經濟傾斜途徑，現狀是難以改變的。
三、加工問題
1、基礎設施中分銷問題
多年來石油化學工業已經建立了加工和分銷烴類基礎產品的有效基礎設施。由于依賴進口原油，美國的多數基礎設施是建設在海岸線上。因此，許多現有的加工裝置并不適合大量植物基材料的收集。植物原料都是在木材加工廠、榨油廠和玉米濕法加工廠進行加工，它們最好接近于供應地。要應用大量植物原料就需要進一步將供應和加工制造集成起來。應當開拓確立農村發展優勢和重點的戰略和措施，更好地鼓勵多用可再生資源。
2、分離技術
應用植物于工業用途的一個關鍵是缺少植物組分的分離技術。樹木具有非常復雜的成分如木質纖維素。此成分強度高，但要將它分離為有用的分子組分則很困難。多數農作物收獲品是種子，它們含有碳水化合物、蛋白質、油分和數萬種其他組分。通常對許多谷物發芽和生長都能進行良好的安排，而對其作為原料進行分別管理則很困難。一些除去原始粗組分的工藝，如榨油和提取糖分等已經開發，但如何將專門形態的蛋白質和純的含碳組分分離則仍是困難。在植物基原料加工中常遇到非常稀的水溶液物料，處理費用很高而且技術困難，這是應當要解決的問題。將反應與分離集成起來的加工系統(如催化蒸餾)可能是一個解決問題的方向。但是此類系統目前應用有限。而且還未被開發作為植物基原料方面的應用。通過引入某些基因而使植物增加新的組分，就更需要應用先進的分離技術來回收有意義的新組分。例如生物聚合物開發中目前就因缺少高效純凈的經濟上可行的分餾工藝技術而受到限制。植物的組分如不能有效地分離出來，就不可能控制最終產品的特性和質量。
3、轉換技術
要利用植物中各種組分的另一問題是將這些非均相的混雜原料轉換成較為簡單的分子，這才可以進行進一步反應。在植物基原料中，加工工藝需要有高性能的多功能生物催化劑或是非均相催化劑，這些催化劑具有多種功能并可以進行回收。
知識不足是另一關鍵，目前人們尚缺乏關于植物組分的自然差別和來自不同作物的同樣組分的特性等方面知識。這些知識的缺乏和不足就構成難以鑒別植物的差異性，缺少鑒別的手段，因此也就難以考慮作為原料的應用。發酵是用來將某些農作物轉化為各種產品的工藝，轉化是非均相的。所用的轉化方式，副產利用和分離等方面仍有許多有待改進之處。一般地說，植物系統的復雜化學問題使新型或改進植物基加工工藝的設計較為困難。烴類化學制造中有豐富的氧化化學知識，還原化學方面較少，這些都是植物系統加工所需要的。目前特別缺少關于還原生物催化劑共生因子系統方面的實踐知識。
植物原料加工工藝開發的另一個大的障礙是當前缺乏有關的教育培訓。目前化學工程課程中只有少數涉及生物化學課題，多數畢業生成為化學工程師只擁有非常基礎的生物工藝知識和有限的重要生物分離的知識。多年來，工藝化學家和工程師的培訓重點都是烴類化學，考慮植物基可再生資源加工需要很少。
四、生產方面
1、收率、持續性和基礎設施
因為目前尚未利用大量植物基原料，除木材和造紙外，只是關注未來的供應分銷而不是現實存在的問題。但是，這些對實現可再生資源的目標都是十分重要的。在供應的持續性方面，數量和質量都是未知數。如果植物基原料能加工成簡單的碳分子，其持續性問題就不成關鍵。但是如果要設計應用其中某種特殊組分(如聚合物)，或是要直接抽取其中某種專門組分，原料的質量和數量的穩定性就非常重要。
在一些情況下，供應持續性中的不確定因素實際上就是風險管理的內容。未來的石油化工供應問題和可再生資源供應問題都有風險。對石油化工來說，未來的供應不桷定因素可能因世界上一些區域的政治變化而增加。而對植物基原料來說，氣候可能成為不確定的地區因素。如果某些專門植物不能大量生產可能導致貿易上的不確定因素，這些問題不需要采取斷然措施，但是需要重視通過改變基礎設施來保證經濟可靠性。另一個沖擊供應持續性的不確定因素是未來的農作物用途是作為食物還是作為工業原料。一方面是根據供應短缺理論，認為農業難以供應飛躍增長的人口和消費品增長所需的原料。實際上，從需求角度看，食物和原料都在增長，即使不考慮可再生資源進行工業利用，食物本身也存在問題。解決食物問題的方案也可能就是解決工業原料問題的方案。因此，在供應方面必須應用新技術，如生物技術，這樣才能保持產率不斷提高，使農業能達到一個新的水平。
2、植物設計、植物科學、基因學
轉基因技術已經顯示出令人鼓舞的前景，要進一步充分利用尚有大量工作有待進行。存在的一個主要障礙是對植物本身內在新陳代謝過程還不夠了解，不能按特殊聚合物和其他材料的需要進行設計。因此，對植物新陳代謝和碳流的知識匱乏是其發展中的限制因素。
近年來功能基因學的進展有望促進對材料合成設計的理解。但是這門科學目前剛開始，與類似的醫學領域相比所取得的支持還是很有限的。基因轉變中的另一成就是讓更多的專用基因嵌入和對質體以及細胞核的常規轉變。在植物變化、基因學和生物信息等方面有著廣泛的研究項目，但是將這些出現的新技術應用于可再生資源的專門研究則很少。
要使科學知識不斷深化，在一定程度上取決于消除這些主要障礙，有些已被稱為多學科的研究。但是，需要努力加強和協調才能促進現有的障礙及時地被克服。換言之，基因管理的研究必須緊密地與植物內含聚合物的功能性以及分離工程等研究相結合。
研究和開發的課題
《美國植物/農作物基可再生資源2020年設想的技術指南》(以下簡稱“技術指南“)列出為解決植物/農作物基可再生資源利用中的主要障礙應當進行研究開發的課題。“技術指南”按4個主要方面的障礙依重要性大小列出研究開發課題，每個研究課題的影響都有其時間范圍，其中近期表示0—3年、中期表示2010年、長期表示2020年，近期目標的達到可用以衡量面向2020年可再生資源開發利用設想的前進步伐。
一、植物科學研究方面
1、近期影響課題(按重要性依次減小順序排列,，下同)
(1)應用功能基因學了解植物新陳代謝和組成，至少要與1種主要農作物基因計劃結合；
(2)開發能實時進行植物組分的定量分析工具；
(3)改進轉基因方法，特別是對麥桿基因的專門嵌入，要在1998年基礎上提高效益10倍；
(4)開發1—2種主要農作物的基因標記系列，使之有助于擺在有用的可再生組件含量；
(5)將80%現有的germplasmbase進行編目，有效利用各類淀粉、蛋白質和油分；
(6)找尋發展中的生物信息學利用途徑，推動可再生資源的研究和開發，
(7)弄清nuclear-plastid相互作用。
2、中期影響課題
(1)在新陳代謝過程和碳流中至少弄清50個限制速率的關鍵步驟；
(2)利用功能基因學弄清分子、細胞和整個植物的控制管理；
(3)為主要植物用于可再生資源的組分制定標準；
(4)在2種植物中，建立碳庫并為細胞分割確定控制點；
(5)在plastid轉變中高效率(大于90%)方法的建立；
(6)創建示范工廠，使主要組分利用率大于60%(如油料、淀粉)或是專門碳鍵(如c5)大于3o%；
(7)利用基因開關的方法；
(8)建立為植物可再生資源利用的生物信息學基礎。
3、長期影響課題
(1)重新設計新陳代謝過程，提供有用的碳結構骨架；
(2)應用有針對性進化技術建立100個未來原料的品種庫；
(3)設計新型分子或改性現有化合物，使之適應于功能需要；
(4)為提供工業用原料，創制2種新植物種類；
(5)利用簡單的細胞組織進行成本和能源效率評價；
(6)利用計算機技術設計植物組分。
二、生產研究方面
1、近期影響課題
(1)提高畝產量10%~15%以降低原材料單位成本；
(2)改善農業管理，提高肥料利用效率和蟲害防治，
(3)確定至少10種影響原料組分和質量的因素；
(4)對至少10種具有潛力的系統和植物類型的畝產效率進行定標趕超（如主要農作物、林業和多年生種類等）；
(5)調節氣候條件對生產的影響；
(6)每年對2種農作物的潛力進行評價或用其他方法評價畝產量；
(7)提高當前農業加工中廢料利用率5倍；
(8)在單位投入基礎上提高貧瘠土地產量2倍。
2、中期影響課題
(1)提高產量，使單位投入的碳產出為1998年基礎上的2倍；
(2)為長期可持續發展，開發盡量減小土地、大氣和水利用影響的系統方法；
(3)對收獲產物和主要植物成分建立標準；
(4)專門設計收獲裝備，盡量增大碳的收獲；
(5)開發新的利用方法，使現在遺留在土地上的農作物45%能得到利用，
(6)培育適應專門土地和土壤的農作物；
(7)建立農業信息學基礎，重點是不同來源的可再生資源植物類型、生產價值、質量和單位成本。
3、長期影響課題
(l)在化石燃料排出廢氣中co2的固定；
(2)從現在植物/農作物生產中消除碳的廢料；
(3)設計新的農作物/植物生長系統，優化原料回收率(大于95%可利用)；
(4)對主要能源獲取和固定，提高化合效率；
(5)對收獲前期工作和部分就地加工的裝置進行設計；
(6)對連續生產系統進行設計和評價。
三、加工研究方面
1、近期影響課題
(1)改進分離技術，處理大于95%的非均—植物材料；
(2)改進單體基礎原料變換的生物催化劑；
(3)開發3種具有高選擇性的快速反應強力催化劑；
(4)為將植物聚合物轉換為有用的單體，找出新型和性能優良的酶(具有10倍活性)并進行評價；
(5)將微生物進行工程化，改善非均—植物的發酵；
(6)提高廢物利用率2倍；
(7)開發高效的除水技術并對改進的非水溶劑反應系統進行評價；
(8)在植物材料中利用天然立體化學方法的評價。
2、中期影響課題
(1)應用5種以上高級分離系統(如自行清凈膜、離子交換、精餾等)；
(2)為經濟捕集植物單體和聚合物開發改進的分離——純化技術；
(3)為2種以上植物類型建立經濟共生系統；
(4)通過分子進化技術設計并創制50種新型酶；
(5)開發100種以上具有性能成本特性的新型酶庫；
(6)研究反應性分級系統；
(7)對微生物、酶和化學品庫的性能建立信息學基礎，用于特殊的轉化。
3、長期影響課題
(1)實現原料加工中無廢料的多種產出的連續工藝；
(2)為改性植物和組分設計新設備；
(3)為3種以上新產品(如將工程化酶轉入植物并在收獲中得到活化)設計新機制；
(4)固態酶轉化；
(5)設計14種化學與生物結合型反應器；
(6)評價植物組分在分離前相內的作用。
四、應用和基礎設施研究方面
1、近期影響課題
(3)探求3種在現有加工裝置(如玉米濕法加工廠、紙漿廠)上擴大應用植物原料的機遇；
(4)分析測量系統，對90%以上的主要植物組分進行定量；
(5)實時評價單位性能成本和增值成本的方法；
(6)評價運輸系統及成本；
(7)計算出100%年加工貯存量和投人產出的需求量；
(8)創建基礎設施，擴大利用農業廢料。
2、中期影響課匾
(1)深入掌握植物中10種以上組分和碳鍵新陳代謝體的結構與功能關系知識；
(2)開發對高質量原材料的100%鑒別保護系統；
(3)為價值驅動的生產和定貨實現營銷系統；
(4)對在同一地點的多目的利用區的協同作用進行評價；
(5)對原材料組分和加工過程中的中間產物實現實時定量分析手段(小于3分鐘/試樣)；
(6)開發生產預測手段，準確性大于95%；
(7)在一組植物原料性能基礎上建立信息學基礎，如單位成本、性能、功能性、最佳來源、應用范圍等。
3、長期影響課題
(1)所需功能進行分子結構設計制備植物化合物至少10種；
(2)在植物生產區內開發至少5個制造利用中心；
(3)開發3種以上有新功能的新材料；
(4)提出擴大利用可再生資源所需的教育培訓需求；
(5)在植物組分功能間協同作用的利用；
(6)設計最終產品的貯存和運輸，使之到達銷售中心和出口；
(7)為供需關系的控制創建減輕超過90%風險的戰略。
當前，美國有一些項目已在進行，可視為工業原料中應用可再生資源的先驅，也可視為本“技術指南”中研究項目的示范事例。其一是在轉基因植物開發中的聚羥基丁酸酯(pib)。phb可在植物中生成，作為制造生物降解塑料的原料，用適當的細菌基因進行轉化并弄清植物內在的新陳代謝路徑，從而構成制備方法。現在正在進行分離、生產標準等項工作。
其二是用玉米淀粉作原料，通過酶反應制備聚乳酸(pla)。cargi11-dow合資企業已在充分研究的基礎上進一步投資數百萬美元建立制造裝置進行工業開發。pla是一種生物裂解聚合物，原料是由玉米濕法加工工藝制備的葡萄糖，其中發酵過程和酶的活性是重要因素。最終的pla樹脂可視用戶制膜、纖維、碳制品和涂層的需要分別制出不同規格品種。pla具有聚苯乙烯、聚烯烴和纖維素的功能性。
協同與合作是取得成功的途徑
未來利用可再生資源需要采取一條多學科和跨行業途徑。在許多領域內的研究成就都提供了發展機遇，如生物聚合物、立體結構型分子、新型酶、新材料和轉基因設計等。但是每個方面內的任何進展如果只當作孤立的技術領域是遠遠不夠的，需要更有力的相關研究計劃，采取平行的和協調的方式進行工作，才能取得成果。
要取得有效益的進展必須采取多學科的途徑，這是非常清楚的。但是，任何一個組織都難以具備有如此深度和廣度的技術能力。因此，對研究提供的支持應當是多方面的，而且要在跨行業的系統中進行。
“植物/農作物基可再生資源2020年設想”(以下簡稱“設想”)中提出的要求需將重點瞄準有限的熱點目標同步取得進展。對于研究工作則需要有準確的時間表和系統中各方面的廣泛交流，所有這些都要走相互協同的道路。例如，一位科學家可能發現一種新型聚合物，具有可以作為高級生物降解塑料的功能，但是，此研究成果的價值受到以下一些因素的限制：發現適當的基因、新陳代謝過程可靠性、:最佳作物類型是否能有足夠的產率和可承受的成本、各種聚合物組分分離可能和利用此材料制造新產品的方法等。所有這些因素都需通過研究和開發才能取得相應的進展。進行這些研究開發要采取最佳途徑保證研究成果關鍵的目標互相協調、平行地進行，此途徑要鼓勵私營部門的參與。
當前，植物和農作物作為生物質和原料已被應用，諸如淀粉、蛋白質、脂肪酸和異戊二烯化合物。林業主要是為紙漿和造紙提供原料。黃豆則是用于油墨和涂料。玉米通過濕法加工發酵工藝已經進入幾個工業部門，但是各種用量都很少。由于基因工程可以通過新陳代謝操作使植物或農作物生成有功能需要的材料，從而顯示出新的發展機遇。
“技術指南”已經突出了未來取得進展的途徑，而且確定了系統的各個組成部分的目標。成功地達到這些目標就可實現“設想”中確定的到2020年可再生資源利用增加5倍的目的，同時也為2020年以后進一步發展奠定了基礎。按“技術指南”目標提出課題是人們用所有的天然資源滿足不斷增長的消費品和能源的需要。當前進行研究將為今后的產品選擇提供機會。可再生資源需要將注意焦點放在以下幾個方面：發展方向、最佳科學思維的應用、最先進技術的應用和最高級智能水平的繼續研究等。本“技術指南”已經提出了需求和研究開發課題，其目的就是為美國開拓實施一條成功的可再生資源戰略。而且也選出了需要優先支持的領域，它們都是從幾個已經確定的科學研究和工業開發需求中選擇出來的，而且考慮了在高級可再生資源的關鍵部門有最大的投資回報。
未來世界許多方面都會延續但將發生變化。幸運的是我們已看見其需求并具有科學智慧適應變化的發展。美國要保持領先地位就要繼續采取迅速的行動來滿足擴大利用可持續發展的可再生資源的需求。不斷的科學突破和技術進步(正如“技術指南”文件中所列出的項目和課題)才能滿足資源利用的挑戰。這些挑戰正在我們面前，我們面臨的挑戰是為滿足人們對產品不斷增長的需求。
“技術指南”中從兩個方面表明多學科和跨部門的研究開發對實現“設想”的重要性：
一是植物的投人，同時要考慮廢料和副產物利用、改性基因學的應用。
可再生資源回收前景范文第2篇
關鍵詞：環保建材 綠色建筑 重要任務
一、綠色建筑概述
這里所提倡的“綠色建筑”是一種概念.或者說是―種象征并不是指具體的建筑綠化、房頂綠化和環境綠化。總的說來，綠色建筑是以節能、環保、無害、舒適為目標，以綠色設計和綠色施工為手段，有效利用自然資源.達到建筑與環境和諧的新型建筑。為此.在綠色建筑
的設計與施工過程中.首先要考慮建筑物與環境的協調―致性與自然
的協調、統一性；其次，在綠色建筑設計和施工中要充分利用光能、風能等自然能源，達到綠色環保的效果。而且還要最大限度地減少能源的消耗，減少建筑物在施工中產生過多廢棄物和垃圾。把建筑廢物和垃圾對環境的污染降低到最小限度。加上對建筑物室內的合理布局。運用先進的環保材料進行裝飾，為居住者和使用者創造安全、舒適、有益健康，且能接近自然的生活空間。
二、綠色建筑與建筑材料的關系
建筑材料是建筑的基礎，又是建筑的靈魂。即使有再開闊的思路， 再玄妙的設計，建筑也必須通過材料這個載體來實現。
綠色建筑關鍵技術中的“居住環境保障技術”、“住宅結構體系 與住宅節能技術”、“智能型住宅技術 ”、“室內空氣與光環境保障技術”、“保溫、隔熱、防水技術”都與綠色建材有關。
采用清潔生產技術，不用或少用天然資源和能源，大量使用工 農業或城市固態廢物生產的無毒害、無污染、無放射性，達到使用周 期后可回收利用，有利于環境保護和人體健康的綠色建筑材料，將綠 色建材的研究、生產和各種新的綠色建筑技術的研究密切結合起來，成為未來建筑的發展趨勢。
三、綠色建筑對建筑材料的要求
綠色建筑對材料在資源利用方面的要求可歸納如下：1盡可能地少用建筑材料；2使用耐久性好的建筑材料；3盡量的使用占用較少不可再生資源生產的建筑材料；4使用可再生利用、可降解的建筑材料；5使用利用各種廢棄物生產的建筑材料。
少用材料對減少自然資源和能源的消耗、降低環境污染的作用不言而喻。耐久性好的材料對于能源節約、減少固體垃圾是非常有幫助的，此外材料的耐久性對于室內空氣質量也起著重要作用，一般來說，耐久性越好的材料導致的室內污染越少。
綠色建筑強調減少對各種資源尤其是不可再生資源的消耗，包括水資源、土地資源。對于建筑材料來講，減少水資源的消耗表現在使用節水型建材產品，如使用新型節水型座便器可以大幅減少城市生活用水，使用透水型陶瓷或混凝土磚可以使雨水滲入地層，保持水體循環，減少對水資源的消耗。在建筑中限制使用和淘汰大量消耗土地尤其是可耕地的建筑材料（如實心粘土磚等）的使用，同時提倡使用利用工業固體廢棄物如礦渣、粉煤灰等工業廢渣以及建筑垃圾等制造的建筑材料。發展新型墻體材料和高性能水泥、高性能混凝土等既具有優良性能同時又大幅度節約資源的建筑材料，發展輕集料及輕集料混凝土，減少自重，節省原材料。
充分利用建筑材料的可再生性對減少資源消耗具有非常重要的意義。建筑材料的可再生性指材料受到損壞但經加工處理后可作為原料循環再利用的性能。可再生材料一是可進行無害化的解體，二是解體材料再利用。具備可再生性的建筑材料包括鋼筋、型鋼、建筑玻璃、鋁合金型材、木材等。要對不同材料分別回收，形成再資源化系統，利用建筑廢棄物制成建筑部品。鋼鐵（包括鋼筋、型鋼等）、鋁材（包括鋁合金、輕鋼大龍骨等）的回收利用性非常好，而且回收處理后仍可在建筑中被利用，這也是提倡在住宅建設中大力發展輕鋼結構體系的原因之一。可以降解的材料如木材甚至紙板，能很快再次進入大自然的物質循環.在現代綠色建筑中經過技術處理的紙制品已經可以作為承重構件而被采用。
四、當前建筑材料業發展面臨的關鍵問題
我國是一個資源人均占有量貧乏的國家，耕地、淡水、森林、石油、天然氣等資源相對不足與世界平均水平相差較大。建筑材料業―直以來都是高耗能行業。建筑材料的能源、資源消耗需求與建設節約型社會，發展循環經濟的矛盾顯得尤為突出。解決這一矛盾，一定要
依靠科學技術的發展和良好的節約環保理念。只有大力推行節能、節電、無害環保建筑材料，才能保證綠色建筑的實施，只有通過科學技術的進步，才能從根本上解決這個矛盾。
五.結語
綠色建材是綠色建筑的基礎，它對綠色建筑的發展和效果的優劣起著重要作用。將綠色建材的研究、生產和高效利用能源技術和各種新的綠色建筑技術的研究密切結合起來是未來建筑的發展趨勢。
目前國內外建筑材料領域正在研究的“綠色混凝土”、“高效保溫材料”、“儲熱材料”、“再生利用型材料”、“健康功能型材料”、“太陽能電池窗戶”、“墻體屋面光電一體化建筑材料”、“綠色裝飾材料”等綠色建材與各種綠色建筑節能技術（空調節能、通風
節能、屋頂節能、墻體節能等）結合，可以為綠色建筑的發展提供廣闊的天地和光明前景。
參考文獻：
[1]洪雯，建筑節能-綠色建筑對亞洲未來發展的重要性，中國大百科出版社.2008.11.
可再生資源回收前景范文第3篇
1）優勢（S）①在油氣生產領域的經驗積累和技術優勢.未來的一段時間內，我國重點發展的低碳能源仍將是石油和天然氣，而我國石油工業在從上游的油氣勘探，中游的管道運輸到下游的石油煉制和化工產品的生產銷售都有自己的一套成熟的經營體系和得天獨厚的技術優勢.②在節能減排方面取得了一系列重要進展.近幾年來，在全國實施節能減排的大背景下我國石油工業更加重視技術創新，在降低石油化工產品生產過程中的單位能耗以及污染物的回收方面都取得了顯著的效果.③非常規油氣資源發展潛力巨大.在石油、天然氣資源短缺以及發展低碳經濟的大背景下，以頁巖氣、煤層氣為主的非常規天然氣憑借其資源儲量豐富、碳排放量低等優勢迎來了廣闊的發展前景.我國非常規天然資源豐富，發展潛力巨大，如果能盡快對煤炭和石油等傳統能源進行有效的替代，將為我國石油工業帶來新的增長空間.④新能源和可再生能源有著廣闊的發展前景.新能源和可再生能源如風能、太陽能、生物質能、地熱能等在我國的儲量都非常豐富，發展前景看好.生物燃料、電動汽車以及纖維素等如果能夠得到廣泛的應用將成為油氣資源很好的補充，能在一定程度上緩解油氣資源的供需壓力.2）劣勢（W）①整體技術水平落后，技術儲備不足，創新能力有限.不斷增加科技研發投入，提高能源利用效率，開發清潔能源技術，大力發展節能減排技術是低碳經濟的本質要求[10].技術創新是發展低碳經濟的重要推動力，而我國石油工業整體技術水平落后，導致非常規油氣資源和可再生資源開發進程緩慢、節能減排效果差、能效低等一系列問題.②產業結構不合理.石油石化行業的低碳發展必然要求加快產業結構調整[11].我國石油工業產業結構不合理，存在很多生產工藝落后、生產方式粗放、能耗高、污染嚴重的中小型煉油廠，嚴重制約了我國石油工業的產出效益和低碳化進程.③管理水平低下，低碳發展意識薄弱.我國石油公司在低碳減排制度建設、低碳理念傳播以及提高全員低碳意識方面遠落后于國際大型石油公司，這非常不利于我國石油公司低碳形象的樹立以及低碳發展政策的落實.④非常規油氣資源分布不均，開采難度大.煤層氣、頁巖氣等清潔高效的非常規油氣資源雖儲量豐富、勘探開發程度低，但由于分布不均且地質條件復雜、技術儲備不足等的限制，勘探開發難度很大.3）機會（O）①為天然氣和新能源業務帶來發展機遇.低碳經濟為天然氣尤其是非常規油氣資源和可再生資源提供了廣闊的發展空間，給我國石油工業帶來了新的經濟增長點，從而實現油氣資源能源對煤炭的有效替代也將改善我國的能源結構，實現節能減排.②促進石油產業發展方式的轉變.主要表現在三個方面：首先，加快產業結構的調整.低碳經濟對提高能源效率和節能減排的要求必然會促使我國石油工業加快產業結構的調整，淘汰高能耗、低附加值的工藝和設備.其次，加快技術創新.低碳經濟的發展必然導致以低碳技術為代表的新技術、新標準、相關專利及新技術貿易壁壘的出現[12]，必然會促使我國石油工業在提高能效、開發新能源、節能減排等方面的技術創新.最后，加快管理水平的提高.③國家政策的支持.為全面實現低碳經濟的發展，政府在新能源開發、低碳技術扶持等方面都出臺了一系列的保障政策.④提供了國際合作的機遇.發展低碳經濟將改變石油石化行業的國際競爭格局，也將提供更多低碳技術開發等方面的國際合作的機會.4）威脅（T）①肩負著增加油氣供應和降低碳排放的雙重壓力.我國石油工業既擔負著保障油氣供應安全的重任，又有著嚴格的碳排放量限制，如何在加大油氣勘探開發力度的同時提高能效、實現節能減排將是現階段擺在我國石油工業面前的一個難題.②增加了經營成本和經營風險.提高能效、實現節能減排以及新能源的開發都需要依靠增加技術投入來實現，這將大幅增加我國石油工業的運營成本，進而提高運營風險.③國際大型石油公司的競爭壓力.發達國家的大型石油公司走在低碳發展的前沿，擁有大量的低碳技術專利和高附加值的石油、化工產品，這無疑竟給我國石油工業帶來巨大的競爭壓力.④新能源與可再生能源的替代威脅.新能源與可再生能源將依托低碳經濟提供的機遇獲得蓬勃的發展，而我國石油工業在短期內仍將延續以石油、天然氣為主營業務的發展模式，因此新能源與可再生能源將在一定程度上擠占傳統化石能源的市場.
2SWOT－AHP定量模型
低碳經濟下我國石油工業的優勢、劣勢、機會和威脅見表1.表1清晰地指出了低碳經濟下我國石油工業目前的優勢與劣勢，顯示了自身資源及外部環境帶來的發展機會，以及面臨的威脅.1）判斷矩陣A的構造首先對四個SWOT組中要素進行兩兩比較.在比較過程，針對某一準則Ci中兩個元素Ai和Aj，按照表2標度確定其重要性程度值，這樣對于準則C，n個被比較元素構成了一個兩兩比較判斷矩陣.以下以優勢組為例，進行概述（見表3）.通過大量資料的查閱并參考相關專家的意見，將專家打分與前人研究成果相結合將優勢、劣勢、機會、威脅各因素進行分值統計，結果如下：2）權重W及最大特征根λmax的計算將判斷矩陣每一列歸一，得到判斷矩陣A按列歸一化后的矩陣A′如表4所示.
3戰略選擇
以總優勢力度S、總劣勢力度W、總機會力度O和總威脅力度T四個變量各為半軸，構成四半維坐標系.將計算出的變量值在坐標系的相應半軸上描出（S′、W′、O′、T′），依次連接得到戰略四邊形（圖1）.戰略四邊形的重心坐標P（X，Y）的坐標為：P（X，Y）=P（∑xi/4，∑yi/4）=（0.081，0.040）.此戰略四邊形就代表低碳經濟下我國石油工業的戰略地位.
4結論與建議
可再生資源回收前景范文第4篇
循環制氫和利用生物質轉化制氫等, 不僅對各項技術的基本原理做了介紹, 也對相應
的環境, 經濟和安全問題做了探討. 對可再生氫能系統在香港的應用前景做了展望.
關鍵詞: 可再生能源, 氫能, 電解水, 光伏電池, 太陽能熱化學循環, 生物質
引言
技術和經濟的發展以及人口的增長, 使得人們對能源的需求越來越大. 目前以石
油, 煤為代表的化石燃料仍然是能源的主要來源. 一方面, 化石燃料的使用帶來了嚴
重的環境污染, 大量的co2, so2, nox氣體以及其他污染物, 導致了溫室效應的產生和
酸雨的形成. 另一方面, 由于化石燃料的不可再生性和有限的儲量, 日益增長的能源
需求帶來了嚴重的能源危機. 據估計, 按照目前的消耗量, 石油僅僅能維持不到50年,
而煤也只能維持200年. kazim 和 veziroglu (2001)[1]指出, 做為主要石油輸出國的阿拉
伯聯合酋長國, 將在2015年無法滿足石油的需求. abdallah 等人(1999)[2]則宣布, 埃
及的化石燃料資源, 在未來的20年內就會耗盡! 而作為能源需求大國的中國, 目前已
經有超過31%的石油需要進口, 而到2010年, 這一數字將會增長到45-55%[3]!
基于以上所述環境污染和能源短缺的雙重危機, 發展清潔的, 可再生的新能源的
要求越來越迫切. 太陽能, 風能, 生物質, 地熱能, 潮汐能, 具有豐富, 清潔, 可再
生的優點, 今年來受到了國際社會的廣泛關注. 尤其以太陽能, 風能以及生物質能,
更被視為未來能源的主力軍. 根據簡單估算, 太陽能的利用率為20%時, 利用陸地面積
的0.1% 就足以提供滿足當前全球的能量需求[4]. 而中國僅僅依靠風力發電, 就足以
使目前的發電量翻一番[5].然而, 這些可再生資源具有間歇性, 地域特性, 并且不易
儲存和運輸的特點. 氫, 以其清潔無污染, 高效, 可儲存和運輸等優點, 被視為最理
想的能源載體. 目前各國都投入了大量的研究經費用于發展氫能源系統. 在中國, 清
華大學已經進行了在2008年奧運會使用以氫為燃料的汽車的可行性分析,綠色奧運將成
為2008年北京的一道靚麗的風景線 [6]. 在香港政府和香港中華電力(clp)的支持和資
助下, 可再生氫能源系統在香港的可行性研究也已經在香港大學機械工程系展開. 本
文屬于clp資助的項目的部分內容, 主要歸納總結了利用可再生資源制氫技術的基本原
理, 分析了各項技術的經濟性, 對環境的影響以及安全性等關鍵問題. 通過對比分析
并結合香港的實際情況, 對于香港發展可再生氫能源系統進行了展望.
基于經濟因素的考慮, 目前的氫主要是通過化石燃料的重整來制取, 比如天然氣汽
化重整(natural gas steam reforming), 只有大約5%的氫是通過可再生資源的轉換制取.
利用太陽能電池和風力發電驅動的電解水反應, 利用太陽能的熱化學反應和利用生物質
制氫是最主要的從可再生能源中制取氫的技術. 其他可再生氫的制取技術, 比如生物制
氫, 光電化學技術, 光催化技術和光化學技術, 雖然具備很大發展前景, 但由于還處于
很早期的發展階段, 其技術發展, 經濟性等都還不明朗, 本文不做詳細討論.
1. 電解水制氫
1.1. 電解水基本原理及分類
電解水制氫是目前最為廣泛使用的將可再生資源轉換為氫的技術. 當兩個電極(陰
極和陽極)分別通上直流電, 并且浸入水中時, 水將會被分解并在陰極和陽極分別產生
氫氣和氧氣. 這個過程就是電解水. 這樣的裝置則為電解槽.
電解水由分別發生在陰極和陽極的兩個化學反應組成, 如式(1),(2)和(3):
anode: h2o + electrical energy
2
1 o2 + 2h+ + 2e- (1)
cathode: 2h+ + 2e- h2 (2)
overall: h2o + electrical energy h2 +
2
1 o2 (3)
電解水的基本原理見圖1. 在催化劑和直流電的作用下, 水分子在陽極失去電子, 被分
解為氧氣和氫離子, 氫離子通過電解質和隔膜到達陰極, 與電子結合生成氫氣.
o2 h2
diaphragm anode cathode
e-
h+
圖1. 電解水的基本原理示意圖
fig.1. schematics of basic principle of water electrolysis
最早的電解水現象是在1789 年被觀測到. 之后, 電解水技術得到了較快的發展. 到
1902 年, 世界上就已經有超過400 臺電解槽裝置. 目前市場上的電解槽可以分為三種: (1)
堿性電解槽(alkaline electrolyzer); (2) 質子交換膜電解槽(proton exchange membrane
electrolyzer)和(3)固體氧化物電解槽(solid oxide electrolyzer). 表1. 總結和對比了這三
種電解槽技術的特點.
表1. 不同電解槽技術的對比
table 1. comparison between different electrolyzer technologies
electrolyzer type electrolyte operating temperature (oc) carriers efficiency cost (us$/kw)
alkaline electrolyzer
20-30% koh
70-100
oh-
80%
400-600
pem electrolyzer pem polymer
50-90 h+ 94% 2000
solid oxide
electrolyzer
yttria-stabilized
zirconnia
600-1000 o2- 90% 1000-1500
堿性電解槽是最早商業化的電解槽技術, 雖然其效率是三種電解槽中最低的, 但
由于價格低廉, 目前仍然被廣泛使用, 尤其是在大規模制氫工業中. 堿性電解槽的缺
點是效率較低和使用石棉作為隔膜. 石棉具有致癌性, 很多國家已經提出要禁止石棉
在堿性電解槽中的使用. 據報道, pps(poly phenylene sulfide), ptfe(poly tetra
fluorethylene), psf(poly sulfone) [7]以及zirfon [8]等聚合物在koh溶液中具有和
石棉類似的特性, 甚至還優于石棉, 將有可能取代石棉而成為堿性電解槽的隔膜材料.
發展新的電極材料, 提高催化反應效率, 是提高電解槽效率的有效途徑. 研究表明
raney nickel 和 ni-mo 等合金作為電極能有效加快水的分解, 提高電解槽的效率
[9,10].
質子交換膜電解槽由于轉換效率很高而成為很有發展前景的制氫裝置. 由于采用
很薄的固體電解質(pem), 具有很好的機械強度和化學穩定性, 并且歐姆損失較小. 在
日本, 效率達94.4%的質子交換膜電解槽已經研制成功 [11]. 但由于質子交換膜(目前
常用的是由杜邦公司的nafion)和使用鉑電極催化劑, 價格昂貴, 制約了其廣泛使用.
今后研究的重點是降低成本, 和進一步提高其轉換效率. 成本的降低主要是通過降低
貴重金屬鉑在催化層中的含量和尋找廉價的質子交換膜材料. 目前這個兩個領域都已
經取得了一定成效. 印度的電化學和能源研究所(ceer)成功將鉑的含量在沒有影響電
解槽整體性能的情況下從0.4mg/cm2降到了0.1mg/cm2 [12]. 使用噴濺沉積法(sputter
deposition)制備催化層也同樣獲得了成功, 并且使鉑的含量降到了0.014 mg/cm2
[13,14]. 其他廉價的替代材料, 如polyphosphazene [15]和sulfonated polystyrene
(sps) [16]等也被證實具有和nafion類似的特性, 有可能被用到質子交換膜電解槽中用
做電解質. 可以預見, 隨著質子交換膜電解槽技術的成熟和價格的降低, pem電解槽將
成為制氫的主要裝置.
固體氧化物電解槽(solid oxide electrolyzer)是另一種新興的電解槽技術. 這種
電解槽的缺點是工作在高溫, 給材料的選擇帶來了一定限制. 優點是較高的反應溫度
使得電化學反應中,部分電能被熱能代替, 從而效率較高, 尤其是當余熱被汽輪機, 制
冷系統等回收利用時, 系統效率可達90%. 目前的研究重點是尋找在高溫下具有對氧離
子良好導電性的電解質材料和適當降低電解槽的工作溫度.
1.2. 電解海水制氫
海水是世界上最為豐富的水資源, 同時也是理想的制氫資源. 尤其在沿海的沙漠
地區, 比如中東和非洲, 淡水資源缺乏, 電解海水制氫則成了唯一的選擇. 但海水富
含鹽份(nacl)和其他雜質, 并且通常電解槽的電極電勢超過了產生氯氣所需的電勢,
這使得在電解海水時, 往往是氯氣從陽極析出, 而非氧氣. 雖然氫氣的產生不會受此
影響, 但產生的氯氣具有強烈的毒性, 需要完全避免. 在所有常用的電極材料中, 只
有錳和錳的氧化物及其化合物在電解海水時可以在陽極產生氧氣, 而抑制氯氣的產生.
ghany 等人[17]用mn1-xmoxo2+x/iro2ti作為電極, 氧氣的生成率達到了100%, 完全避免
了氯氣的產生, 使得電解海水制氫變得可行.
1.3. 利用可再生資源電解水制氫
如前所述, 電解水需要消耗電. 由化石燃料產生電能推動電解槽制氫由于會消耗
大量的不可再生資源, 只能是短期的制氫選擇. 由可再生資源產生電能, 比如通過光
伏系列和風機發電, 具有資源豐富, 可再生, 并且整個生命周期影響較小等優點, 是
未來的發展趨勢.
光伏電池在吸收太陽光能量后, 被光子激發出的自由電子和帶正電的空穴在pn結
的電場力作用下, 分別集中到n型半導體和p型半導體, 在連接外電路的情況下便可對
外提供直流電流. 光伏電池可以分為第一代光伏電池(wafer-based pv)和第二代光伏電
池(thin film pv). 目前市場上多是第一代光伏電池. 第一代電池具有較高的轉換效率
(10-15%), 但成本較貴, 限制了其大規模使用. 第二代電池雖然效率較低(6-8%), 但
由于采用了薄膜技術, 使用較少的材料, 并且易于批量生產, 制作成本大大降低, 目
前的研究方向是進一步提高薄膜光伏電池的轉換效率[18]. 由于光伏電池產生的是直
流電,可以直接運用于電解水, 但為了保證光伏陣列工作在最大功率狀態, 在光伏電池
和電解槽之間往往需要接入一個最大功率跟蹤器(mppt)和相應的控制器.
風能發電由于具有較高的能量利用效率和很好的經濟性, 在最近幾年得到了很快
發展. 風力發電機組利用風的動能推動發電機而產生交流電. 根據betz law, 風力發電
的最大效率理論上可達59% [19]. 在風力充足的條件下, 風力發電的規模越大, 其經濟
性越好. 因此, 近幾年風力發電朝著大規模的方向發展. 另外, 由于海上風力較陸地
大, 并且不占陸地面積, 最近也有將風力發電機組建在海上的趨勢. 風能發電只需交
流-直流轉換即可與電解槽相接產氫, 經濟性較好, 目前不少風力資源充足的國家都將
風能-電解槽系統列為重點發展的方向.
另外, 地熱能, 波浪能所發的電都可以作為電解槽的推動力, 但和太陽能與風能
一樣, 都受地域的限制.
1.4. 電解水制氫的現狀
目前所用到的電解槽多為堿性電解槽. 加拿大的stuart是目前世界上利用電解水
制氫和開發氫能汽車最為有名的公司. 他們開發的hesfp系統包括一個能日產氫25 千
克的堿性電解槽, 一個能儲存60 千克氫的高壓儲氫罐和氫內燃機車. 他們用于汽車的
氫能系統能每小時產氫3千克, 可以為3輛巴士提供能量. hamilton是另一個有名的電解
槽開發制造商, 他們的es系列利用pem電解槽技術, 可以每小時產氫6-30nm3, 所制氫
的純度可達99.999%. 在日本的we-net計劃中, 氫的制取也是通過pem電解槽來實現,
并且pem電解槽在80oc和1a/cm2的工作條件下, 已經以90%的效率連續工作了超過4000小
時 [11].
1.5. 電解水技術的環境, 經濟和安全問題
從電解水的整個生命周期來看, 電解水制氫會對環境造成一定的負面影響, 并且
也有一定的危險性. 下面將做定性分析.
對堿性電解槽而言, 由于使用了具有強烈腐蝕性的koh溶液作為電解液, koh的滲漏
和用后的處理會造成環境的污染, 對人體健康也是一個威脅. 并且目前的堿性電解槽
多采用石棉作為隔膜, 石棉具有致癌性, 會對人構成嚴重的危害. pem電解槽使用質子
交換膜作為電解質, 無須隔膜. 但當pem電解槽工作溫度較高時(比如150oc), pem將會
發生分解, 產生有毒氣體. 固體氧化物電解槽雖然沒有上述問題, 但工作在高溫, 存
在著在高溫下生成的氧氣和氫氣重新合并發生燃燒甚至爆炸的危險, 需要引起注意.
此外, 電解槽生產, 比如原材料的開采,加工, 以及最終的遺棄或廢物處理, 都需要消
耗一定的能量, 并且會釋放出co2等溫室氣體和其他污染物.
當電解槽由光伏電池驅動時, 光伏電池可能含有有毒物質(比如cdte pv), 將帶來
一定的環境污染和危險性. 尤其當系統發生短路出現火情, 有毒物質將會釋放出來,危
害較大. 另外, 光伏陣列的安裝會占用較大的土地面積. 這點也需要在設計安裝時加
以考慮. 風能-電解槽系統和光伏-電解槽系統相比, 則對環境的影響要小很多, 并且
也相對安全. 但也有需要注意的地方, 比如噪音, 對電磁的干擾, 以及設計時需要考
慮到臺風的影響.
盡管電解水制氫具有很高的效率, 由于昂貴的價格, 仍然很難大規模使用. 目前
三種電解槽的成本分別為: 堿性電解槽us$400-600/kw, pem電解槽約us$2000/kw, 固體
氧化物電解槽約us$1000-1500/kw. 當光伏電池和電解水技術聯合制氫時, 制氫成本將
達到約us$41.8/gj(us$5/kg), 而當風力發電和電解水技術聯合制氫時, 制氫成本約為
us$20.2/gj (us$2.43/kg) [20].
2. 太陽能熱化學循環制氫
太陽能熱化學循環是另一種利用太陽能制取氫燃料的可行技術. 首先, 由太陽能
聚光集熱器收集和匯聚太陽光以產生高溫. 然后由這些高溫推動產氫的化學反映以制
取氫氣. 目前國內外廣泛研究的熱化學制氫反應有: (1) 水的熱分解(thermolysis);
(2) h2s的熱分解和(3) 熱化學循環水分解.
2.1. 水的熱分解制氫
由太陽能聚光器產生的高溫可以用于對水進行加熱, 直接分解而產生氫氣和氧氣.
反應式如(4)
2h2o 2h2 + o2 (4)
在這個反應中, 水的分解率隨溫度的升高而增大. 在壓力為0.05bar, 溫度為2500k時,
水蒸汽的分解率可以達到25%, 而當溫度達到2800k時, 則水蒸汽的分解率可達55%. 可
見提高反應溫度, 可以有效產氫量. 然而, 反應所需的高溫也帶來了一系列的問題.
由于溫度極高, 給反應裝置材料的選擇帶來了很大限制. 適合的材料必須在2000k以上
的高溫具有很好的機械和熱穩定性. zirconia由于其熔點高達3043k而成為近年來在水
的熱分解反應中廣泛使用的材料 [21,22]. 其他可選的材料及其熔點見表2.
表2. 作為熱化學反應裝置備選材料及其熔點 [22]
table 2 some materials and their melting points [22]
oxides t oc carbides t oc
zro2 2715 b4c 2450
mgo 2800 tic 3400-3500
hfo2 2810 hfc 4160
tho2 3050 hbn 3000 (decomposition)
另一個問題就是氫和氧的分離問題. 由于該反應可逆, 高溫下氫和氧可能會重新結合
生成水, 甚至發生爆炸. 常用的分離方法是通過對生成的混合氣體進行快速冷卻(fast
quenching),再通過pd或pd-ag合金薄膜將氫和氧分離. 這種方法將會導致大量的能量
損失. 近幾年有研究人員采用微孔膜(microporous membrane)分離也取得一些成功
[22,23], 使得直接熱分解水制氫研究又重新受到廣泛關注.
2.2. h2s的熱分解
h2s是化學工業廣泛存在的副產品. 由于其強烈的毒性, 在工業中往往都要采用
claus process將其去除, 見式(5)
2h2s + o2 2h2o + s2 (5)
這個過程成本昂貴, 還將氫和氧和結合生成水和廢熱, 從而浪費了能源. 對h2s的直接
熱分解可以將有毒氣體轉化為有用的氫能源, 變廢為寶, 一舉兩得. h2s的熱分解制氫反
應式見(6)
2h2s 2h2 + s2 (6)
該反應的轉化率受溫度和壓力的影響. 溫度越高, 壓力越低, 越有利h2s的分解. 據報
道, 在溫度1200k,壓力1 bar時, h2s的轉化率為14%, 而當溫度為1800k, 壓力為0.33bar
時, 轉化率可達70% [24]. 由于反應在1000k以上的高溫進行, 硫單質呈氣態, 需要與氫
氣進行有效的分離. 氫與硫的分離往往通過快速冷卻使硫單質以固態形式析出. 同樣,
這種方法也會導致大量的能量損失.
2.3. 熱化學循環分解水制氫
水的直接熱分解制氫具有反應溫度要求極高, 氫氣分離困難, 以及由快速冷卻帶
來的效率降低等缺點. 而在水的熱化學分解過程中, 氧氣和氫氣分別在不同的反應階
段產生, 因而跨過了氫氣分離這一步. 并且, 由于引入了金屬和對應的金屬氧化物,
還大大降低了反應溫度. 當對于水直接熱分解的2500k, 水的熱化學循環反應溫度只有
1000k左右, 也大大減輕了對反應器材料的限制. 典型的2步熱化學循環反應式見
(7)-(10).
2 y x o
2
y xm o m + (7)
2 y x 2 yh o m o yh xm + + (8)
或者 2 o o m o m y x y x + ′ ′ (9)
2 y x 2 y x h o m o h o m + + ′ ′ (10)
其中m 為金屬單質, mxoy 或1 1 y x o m 則分別為相應的金屬氧化物. 適合用做水的熱化學
循環反應的金屬氧化物有tio2, zno, fe3o4, mgo, al2o3, 和 sio2等. zno/zn 反應溫度較
低, 在近幾年研究較多 [24-29]. fe3o4/feo 是另一對廣泛用于熱化學分解水制氫的金屬
氧化物. 該循環中, fe3o4 首先在1875k 的高溫下被還原生成feo 和 o2, 然后, 在573k
的溫度下, feo 被水蒸汽氧化, 生成fe3o4 和 h2. 經研究發現, 用mn, mg, 或co 代替
部分fe3o4 而形成的氧化物(fe1-xmx)3o4 可以進一步降低反應溫度 [4], 因而更具發展
前景.
除了以上所述2 步水分解循環外, 3 步和4 步循環分解水也是有效的制氫方式.
is(iodine/sulfur)循環是典型的3 步水分解循環, 該循環的反應式見(11)-(13):
4 2 x 2 2 2 so h hi 2 o h 2 so xi + + + at 293-373k (11)
2 2 i h hi 2 + at 473-973k (12)
2 2 2 4 2 o
2
1 so o h so h + + at 1073-1173k (13)
在is 循環中,影響制氫的主要因素就是單質硫或硫化氫氣體的產生等副反應的發生. 為
盡量避免副反應的發生, x 的值往往設置在4.41 到11.99 之間[30]. ut-3 則是典型的
4 步循環[31]. 其反應式見(14) - (17):
2 2 2 o
2
1 cabr br cao + + at 845 k (14)
hbr 2 cao o h cabr 2 2 + + at 1,033 k (15)
2 2 2 4 3 br o h 4 febr 3 hbr 8 o fe + + + at 493 k (16)
2 4 3 2 2 h hbr 6 o fe o h 4 febr 3 + + + at 833 k (17)
熱化學循環分解水雖然跨過了分離氫和氧這一步, 但在2 步循環中, 生成的金屬在
高溫下為氣態并且會和氧氣發生氧化還原反應而重新生成金屬氧化物, 因此, 需要將
金屬單質從產物混合物中分離出來. 金屬單質的分離一般采用快速冷卻使金屬很快凝
固從而實現分離. 同樣, 在3 步循環中, 氫和碘也需要及時的分離. 采用的分離技術都
類似.
2.4. 熱化學循環分解水制氫的現狀
熱化學循環制氫在歐洲研究較多, 但由于產物的分離一直是一個比較棘手的問題,
能量損失比較大, 此種制氫方法還沒有進入商業化的階段. 在swiss federal institute of
technology zurich,對zno/zn 循環制氫研究已經比較深入. 他們的研究目前主要集中在
產物的分離以及分解水反應的機理方面 [32]. swiss federal office 則已經啟動了一個
“solzinc”的計劃, 通過zno/zn 循環制取氫氣以實現對太陽能的儲存. 目前正在進行
反應器的設計, 將于2004 年夏季進行測試[33].
2.5.太陽能熱化學循環制氫的環境, 經濟和安全問題
太陽能熱化學循環采用太陽能聚光器聚集太陽能以產生高溫, 推動熱化學反應的
進行. 在整個生命周期過程中, 聚光器的制造, 最終遺棄, 熱化學反應器的加工和最
終的廢物遺棄以及金屬,金屬氧化物的使用都會帶來一定的環境污染. 其具體的污染量
需要進行詳細的生命周期評價(lca)研究. 此外, 在h2s 的分解中, 以及在is 循環和
ut-3 循環中, 都使用了強烈腐蝕性或毒性的物質, 比如h2s, h2so4. 這些物質的泄漏
和最終的處理會帶來環境的污染和危險, 需要在設計和操作過程中加以考慮. 另外, 由
于反應都是在高溫下進行, 氫和氧的重新結合在反應器中有引起爆炸的危險, 需要小
心處理.
由于熱化學循環制氫尚未商業化, 相關的經濟信息都是基于估算. steinfeld
(2002)[29]經過估算指出, 對于一個大型的熱化學制氫工廠(90mw), 制的氫氣的成本為
大約us$4.33-5/kg. 相比之下, 由太陽能熱電 – 電解水系統制取氫氣的成本則約為
us$6.67/kg, 而通過大規模天然氣重整制氫的成本約為us$1.267/kg [20]. 可見太陽能熱
化學循環制氫和天然氣重整制氫相比雖然沒有經濟優勢, 但和其他可再生制氫技術相
比則在經濟性方面優于太陽熱電-電解水和光伏-電解水技術.
3. 利用生物質制氫
生物質作為能源, 其含氮量和含硫量都比較低, 灰分份額也很小, 并且由于其生
長過程吸收co2, 使得整個循環的co2 排放量幾乎為零. 目前對于生物質的利用, 尤其
在發展中國家, 比如中國, 印度, 巴西, 還主要停留在對生物質的簡單燃燒的低效率
利用上. 除燃燒外, 對生物質的利用還有熱裂解和氣化, 以及微生物的光解與發酵. 利
用生物質熱裂解和氣化產氫具有成本低廉, 效率較高的特點, 是有效可行的制氫方式.
3.1. 生物質熱裂解制氫
生物質熱裂解是在高溫和無氧條件下對生物質的熱化學過程. 熱裂解有慢速裂解
和快速裂解. 快速裂解制取生物油是目前世界上研究比較多的前沿技術. 得到的產物
主要有: (1) 以氫(h2), 甲烷(ch4), 一氧化碳(co), 二氧化碳(co2)以及其它有機氣
體等氣體成分; (2) 以焦油, 丙酮, 甲醇, 乙酸等生物混合油液狀成分; (3) 以焦碳為主
的固體產物[34]. 為了最大程度的實現從生物質到氫的轉化, 需要盡量減小焦碳的產量.
這需要盡量快的加熱速率和傳熱速率和適中的溫度.
熱裂解的效率和產物質量除與溫度, 加熱速率等有關外, 也受反應器及催化劑的
影響. 目前國內外的生物質熱裂解決反應器主要有機械接觸式反應器, 間接式反應器
和混合式反應器. 其中機械接觸式反應器包括燒蝕熱裂解反應器, 旋轉錐反應器等,
其特點是通過灼熱的反應器表面直接與生物質接觸, 以導熱的形式將熱量傳遞給生物
質而達到快速升溫裂解. 這類反應器原理簡單, 產油率可達67%, 但易造成反應器表面
的磨損, 并且生物質顆粒受熱不易均勻. 間接式反應器主要通過熱輻射的方式對生物
質顆粒進行加熱, 由于生物質顆粒及產物對熱輻射的吸收存在差異, 使得反應效率和
產物質量較差. 混合式反應器主要以對流換熱的形式輔以熱輻射和導熱對生物質進行
加熱, 加熱速率高, 反應溫度比較容易控制均勻, 且流動的氣體便于產物的析出, 是
目前國內外廣泛采用的反應器, 主要有流化床反應器, 循環流化床反應器等[35]. 這
在國內各科研院所都已經開展了大量的研究, 如廣州能源所, 遼寧省能源所等都開發
研制出了固定床, 流化床反應器.
催化劑的使用能加速生物質顆粒的熱解速率, 降低焦炭的產量, 達到提高效率和
產物質量的目的. 目前用于生物質熱裂解的催化劑主要有以ni 為基的催化劑, 沸石
[36], k2co3, na2co3, ca2co3[37]以及各種金屬氧化物比如al2o3, sio2, zro2, tio2[38]
等都被證實對于熱裂解能起到很好的催化作用.
熱裂解得到的產物中含氫和其他碳氫化合物, 可以通過重整和水氣置換反應以得
到和提高氫的產量. 如下式所示:
合成氣 + h2o h2 + co (18)
co + h2o co2 + h2 (19)
利用生物質熱裂解聯同重整和水氣置換反應制氫具有良好的經濟性, 尤其是當反
應物為各種廢棄物時, 既為人類提供了能量, 又解決了廢棄物的處理問題, 并且技術
上也日益成熟, 逐漸向大規模方向發展. danz (2003 年)[39]估算了通過生物質熱裂解制
氫的成本約為us$3.8/kg h2 (因氫的熱值為120mj/kg, 這相當于us$31.1/gj), 這和石
油燃油的價錢us$4-6/gj 相比還沒有任何優勢, 但carlo 等[40]指出, 當熱裂解制氫的規
模達到400mw 時, 氫的成本會大大降低, 達到us$5.1/gj. 可見實現大規模的利用生物
質制氫, 將會是非常有潛力的發展方向.
3.2. 生物質氣化制氫
生物質氣化是在高溫下(約600-800oc)下對生物質進行加熱并部分氧化的熱化學過
程. 氣化和熱裂解的區別就在于裂解決是在無氧條件下進行的, 而氣化是在有氧條件
下對生物質的部分氧化過程. 首先, 生物質顆粒通過部分氧化生成氣體產物和木碳,
然后, 在高溫蒸汽下, 木碳被還原, 生成co, h2, ch4, co2 以及其他碳氫化合物.
對于生物質氣化技術, 最大的問題就在于焦油含量. 焦油含量過高, 不僅影響氣化
產物的質量, 還容易阻塞和粘住氣化設備, 嚴重影響氣化系統的可靠性和安全性. 目前
處理焦油主要有三種方法. 一是選擇適當的操作參數, 二是選用催化劑加速焦油的分解,
三是對氣化爐進行改造. 其中, 溫度, 停留時間等對焦油分解有很重要的作用. milne ta
(1998 年)[41]指出, 在溫度高于1000oc 時, 氣體中的焦油能被有效分解, 使產出物中的
焦油含量大大減小. 此外, 在氣化爐中使用一些添加劑如白云石, 橄欖石以及使用催化
劑如ni-ca 等都可以提高焦油的分解, 降低焦油給氣化爐帶來的危害[42,43]. 此外, 設
計新的氣化爐也對焦油的減少起著很重要的作用. 遼寧省能源研究所研制的下吸式固定
床生物質氣化爐, 在其喉部采用特殊結構形式的噴嘴設計, 在反應區形成高溫旋風動力
場, 保證了焦油含量低于2g/m3.
由氣化所得產物經過重整和水氣置換反應, 即可得到氫, 這與處理熱裂解產物類似.
通過生物質氣化技術制氫也具有非常誘人的經濟性. david a.bowen 等人(2003)[44]比較
了生物質氣化制氫和天然氣重整制氫的經濟性, 見圖2. 由圖可見, 利用甘蔗渣作為原
料, 在供料量為每天2000 噸的情況下, 所產氫氣的成本為us$7.76/gj, 而在這個供料量
下使用柳枝稷(switchgrass)為原料制得的氫氣成本為us$6.67/gj, 這和使用天然氣重整
制氫的成本us$5.85-7.46/gj 相比, 也是具有一定競爭力的. 如果將環境因素考慮進去,
由于天然氣不可再生, 且會產生co2, 而生物質是可再生資源, 整個循環過程由于光合
作用吸收co2 而使co2 的排放量幾乎為0, 這樣, 利用生物質制氫從經濟上和環境上的
綜合考慮, 就已經比天然氣重整更有優勢了.
biomass feed to gasifier (tonnes/day)
hydrogen cost ($/gj)
500 1000 1500 2000
5
6
7
8
9
10
11
natural gas $3/gj
natural gas $4.5/gj
10.23
8.74
7.76
8.76
7.54
6.67
5.85
7.46
bagasse
switchgrass
圖2. 生物質制氫與天然氣制氫經濟性的比較
fig. 2. comparison of hydrogen cost between biomass
gasification and natural gas steam reforming
以上分析的利用生物質高溫裂解和氣化制氫適用于含濕量較小的生物質, 含濕量高
于50%的生物質可以通過光合細菌的厭氧消化和發酵作用制氫, 但目前還處于早期研究
階段, 效率也還比較低. 另一種處理濕度較大的生物質的氣化方法是利用超臨界水的特
性氣化生物質, 從而制得氫氣.
3.3. 生物質超臨界水氣化制氫
流體的臨界點在相圖上是氣-液共存曲線的終點, 在該點氣相和液相之間的差別剛
好消失, 成為一均相體系. 水的臨界溫度是647k, 臨界壓力為22.1mpa, 當水的溫度和
壓力超過臨界點是就被稱為超臨界水.在超臨界條件下, 水的性質與常溫常壓下水的性
質相比有很大的變化.
在超臨界狀態下進行的化學反應, 通過控制壓力, 溫度以控制反應環境, 具有增強
反應物和反應產物的溶解度, 提高反應轉化率, 加快反應速率等顯著優點, 近年來逐漸
得到各國研究者的重視 [45,46]. 在超臨界水中進行生物質的催化氣化, 生物質的氣化
率可達100%, 氣體產物中氫的體積百分比含量甚至可以超過50%, 并且反應不生成焦
油, 木碳等副產品, 不會造成二次污染, 具有良好的發展前景. 但由于在超臨界水氣中
所需溫度和壓力對設備要求比較高, 這方面的研究還停留在小規模的實驗研究階段. 我
國也只進行了少量的研究, 比如西安交大多相流實驗室就研究了以葡萄糖為模型組分在
超臨界水中氣化產氫, 得到了95%的氣化效率 [47]. 中科院山西煤炭化學研究所在間隙
式反應器中以氧化鈣為催化劑的超臨界水中氣化松木鋸屑,得到了較好的氣化效果.
到目前為止, 超臨界水氣化的研究重點還是對不同生物質在不同反應條件下進行實
驗研究, 得到各種因素對氣化過程的影響. 表3 總結了近幾年對生物質超臨界水氣化制
氫的研究情況. 研究表明, 生物質超臨界水氣化受生物質原料種類, 溫度, 壓力, 催化劑,
停留時間, 以及反應器形式的影響.
表3. 近年來關于生物質超臨界水氣化制氫的研究
table 3
recent studies on hydrogen production by biomass gasification in supercritical water
conditions
feedstock gasifier type catalyst used temperature and
pressure
hydrogen yield references
glucose not known not used 600oc, 34.5mpa 0.56 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 600 oc, 34.5mpa 2.15 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 600 oc, 25.5mpa 1.74 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 550 oc, 25.5mpa 0.62 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 500 oc, 25.5mpa 0.46 mol h2/mol of feed
[48]
glycerol not known activated carbon 665 oc, 28mpa 48 vol%
glycerol/methanol not known activated carbon 720 oc, 28mpa 64 vol%
corn starch not known activated carbon 650 oc, 28mpa 48 vol%
sawdust/corn starch
mixture
not known activated carbon 690 oc, 28mpa 57 vol%
[49]
glucose
tubular reactor koh 600 oc, 25mpa 59.7 vol% (9.1mol
h2/mol glucose)
catechol tubular reactor koh 600 oc, 25mpa 61.5 vol% (10.6mol
h2/mol catechol)
sewage autoclave k2co3 450oc, 31.5-35mpa
47 vol%
[50]
glucose tubular reactor not used 600 oc, 25mpa 41.8 vol%
glucose tubular reactor not used 500 oc, 30mpa 32.9 vol%
glucose tubular reactor not used 550 oc, 30mpa 33.1 vol%
glucose tubular reactor not used 650 oc, 32.5mpa 40.8 vol%
glucose tubular reactor not used 650 oc, 30mpa 41.2 vol%
sawdust tubular reactor sodium
carboxymethylcellulose
(cmc)
650 oc, 22.5mpa 30.5 vol%
[47]
生物質的主要成分是纖維素, 木質素和半纖維素. 纖維素在水的臨界點附近可以快
速分解成一葡萄糖為主的液態產品, 而木質素和半纖維素在34.5 mpa, 200-230oc 下可以
100%完全溶解, 其中90%會生成單糖. 將城市固體廢棄物去除無機物后可以形成基本穩
定, 均一的原料, 與木質生物質很相似. 由表可見, 不同的生物質原料, 其氣化效率和速
率也有所不同. 溫度對生物質超臨界水中氣化的影響也是很顯著的. 隨著溫度的升高,
氣化效率增大. 壓力對于氣化的影響在臨界點附近比較明顯, 壓力遠大于臨界點時, 其
影響較小. 停留時間對氣化效率也有一定影響, 研究表明, 生物質在超臨界水中氣化停
留時間與溫度相關, 不同的溫度下有不同的一個最佳值. 使用催化劑能加快氣化反應的
速率. 目前使用的催化劑主要有金屬類催化劑, 比如ru, rh, ni, 堿類催化劑, 比如koh,
k2co3, 以及碳類催化劑 [51,52]. 反應器的選擇也會影響生物質氣化過程, 目前的反應
器可以分為間歇式和連續式反應器. 其中間歇式反應器結構簡單, 對于淤泥等含固體的
體系有較強適應性, 缺點是生物質物料不易混合均勻, 不易均勻地達到超臨界水下所需
的壓力和溫度, 也不能實現連續生產,. 連續式反應器則可以實現連續生產, 但反應時間
短, 不易得到中間產物, 難以分析反應進行的情況, 因此今后需要進行大量的研究, 研
制出更加有效的反應器以及尋求不同生物質在不同參數下的最佳氣化效果, 實現高效,
經濟的氣化過程.
4. 其他制氫技術
除熱化學方法外, 生物質還可以通過發酵的方式轉化為氫氣和其他產物. 此外,
微藻等水生生物質能夠利用氫酶(hydrogenase)和氮酶(nitrogenase)將太陽能轉化為
化學能-氫. 這些生物制氫技術具有良好的環境性和安全性, 但還處于早期的研究階段,
制氫基理還未透徹理解, 尚需大量的研究工作.
太陽能半導體光催化反應制氫也是目前廣泛研究的制氫技術. tio2 及過渡金屬氧化
物, 層狀金屬化合物如k4nb6o17, k2la2ti3o10, sr2ta2o7 等, 以及能利用可見光的催化
材料如cds, cu-zns 等都經研究發現能夠在一定光照條件下催化分解水從而產生氫氣.
但由于很多半導體在光催化制氫的同時也會發生光溶作用, 并且目前的光催化制氫效
率太低, 距離大規模制氫還有很長的路要走. 盡管如此, 光催化制氫研究仍然為我們
展開了一片良好的前景.
5. 制氫技術總結以及在香港的應用前景
前面討論了利用可再生資源制取清潔燃料-氫的各項主要技術. 這些技術的特點,
經濟性, 環境和安全方面的特點總結于表4.
表4. 利用可再生資源制氫技術比較
table 4. characteristics of candidate hydrogen production technologies
pv-electrolysis wind-electrolysis solar thermochemical cycle biomass conversion
development
status
pv technology almost mature,
electrolysis mature,
some demonstrations of
pv-electrolysis system been done
wind system mature, electrolysis mature,
wind-electrolysis demonstration needed
r&d pyrolysis and gasification r&d, biological
processes at early r&d
efficiency pv efficiency:
first generation, 11-15%,
second generation, 6-8%
solar to hydrogen around 7%
36% from wind to hydrogen, assuming wind
to electricity efficiency of 40% and
electrolyzer 90%
29% for zn/zno cycles conversion ratio up to 100% can be
achieved for gasification, efficiency of
10% for biological processes
economic
consideration
hydrogen cost about us$40-53.73/gj
depends on the pv type, the size
hydrogen cost about us$20.2/gj,
corresponding to 7.3cents/kwh
us$0.13-0.15/kwh, equivalent to
us$36.1-41.67/gj
us$6.67-17.1/gj for thermochemical
conversion depends on biomass types,
capacity size, for biological processes,
remain to be demonstrated
environmental
consideration
almost no pollution emission during
operation, energy consumption
intensive during construction, disposal
of hazardous materials
no pollution during operation, construction
energy consumption intensive, some noise
during operation
emission of hydrogen sulfide, use and
disposal of metal oxide, reactors
whole cycle co2 neutral, some pollution
emission during the stage of constructing
reactors
safety
consideration
handling hazardous materials during
fabrication, short circuit and fire during
operation, but not significant
relatively safe, a little danger exist during
maintenance
operating at high temperature, risk of
explosion exists; leakage of hydrogen
sulfide
operating at high temperature, explosion
may occur
由表可見, 生物質氣化技術和風能-電解制氫技術具有良好的經濟性. 對于環境的污染
以及危險性也相對較小, 極具發展前景, 可以作為大規模制氫技術. 而光伏-電解水技
術則目前還未顯示出經濟優勢. 但由于太陽能資源豐富, 在地球上分布廣泛, 如果光
伏電池的效率能進一步提高, 成本能大幅降低, 則是未來很有潛力的制氫技術. 太陽
能熱化學循環也是可行的制氫技術, 今后的發展方向是進一步降低分解產物的能量損
耗以及發展更為經濟的循環.
香港地少人多, 沒有自己的煤, 石油, 天然氣, 也沒有大規模的農業, 所有能源
目前都依賴進口. 但香港具有豐富的風力資源和充足的太陽能資源, 利用可再生資源
部分解決香港的能源問題是一條值得探討的思路.
香港總人口681 萬, 總面積2757km2, 其中陸地面積1098 km2, 海洋面積1659 km2.
但香港絕大多數人口集中在港島, 九龍等面積較小的市區, 而新界很多區域以及周邊
島嶼則人口較少. 由于香港地處北回歸線以南, 日照充足(13mj/m2/day), 風力強勁
(>6m/s), 具有很大的發展可再生能源的潛力. 簡單計算可知, 如果將香港所有陸地面
積安裝上效率為10%的光伏電池, 則年發電量可達144.7twh, 這相當于香港1999 年電
消耗量35.5twh 的4 倍! 這說明發展光伏技術在香港有很大潛力. 考慮到香港市區人
口稠密, 可以考慮將光伏電池安裝在周邊島嶼發電, 通過電解槽制氫. 由于光伏-電解
水成本很高, 這一技術還難以大規模應用, 如果光伏成本能大幅度降低, 則在香港發
展光伏制氫具有非常誘人的前景. 另外, li(2000)[53]進行了在香港發展海上風力發電
的可行性研究. 研究表明, 利用香港東部海域建立一個11 × 24 km 的風力發電機組, 可
以實現年發電2.1 twh, 這相當于香港用于交通的能源的10%. 此外, 香港周邊島嶼,
如橫瀾島等, 平均風力都在6.7 m/s 以上, 在這些島嶼發展大規模的風力機組也是值得
進一步探討的問題. 除此之外, 香港每年產生的大量有機垃圾, 也可以通過氣化或熱
解制氫. 這些技術在香港的成功應用還需要更深入的研究, 本文不作深入探討.
6. 小結
本文綜述了目前利用可再生資源制氫的主要技術, 介紹了其基本原理, 也涉及到
了各項技術的經濟性和環境以及安全方面的問題. 對各項制氫技術進行了對比分析,
總結出利用風能發電再推動電解水, 以及利用生物質的熱化學制氫具有良好的經濟性,
對環境的污染較小, 技術成熟, 可以作為大規模制氫的選擇. 利用光伏-電解水技術具
有誘人的發展前景, 但目前還未顯示出其經濟性. 而太陽能熱化學制氫則處于研究階
段, 還難以用于大規模制氫. 香港具有比較豐富的可再生資源, 利用風力發電和有機
廢物制氫是可行的制氫技術, 而光伏電池還需要大量研究以進一步降低成本. 盡管還
有大量的研究和更深入的分析要做, 利用可再生資源制氫以同時解決污染和能源問題
已經為我們展開了一個良好的前景.
致謝:
本文屬<可再生氫能在香港的應用研究>項目, 該課題受香港中華電力公司(clp)及香港
特別行政區政府資助, 在此表示感謝!
參考文獻:
[1] kazim a, veziroglu tn. utilization of solar-hydrogen energy in the uae to maintain its
share in the world energy market for the 21st century [j]. renewable energy 2001, 24(2):
259-274.
[2] abdallah mah, asfour ss, veziroglu tn. solar-hydrogen energy system for egypt [j],
international journal of hydrogen energy 1999, 24(6): 505-517.
[3] mao.zq. hydrogen---a future clean energy in china [a], symposium on hydrogen
infrastructure technology for energy & fuel applications, november 18, 2003. the hong
kong polytechnic university, hong kong, 27-33.
[4] steinfeld a, palumbo r. solar thermochemical process technology [j], encyclopedia of
physical science & technology 2001, 15: 237-256.
[5] middleton p, larson r, nicklas m, collins b. renewable hydrogen forum: a summary
of expert opinions and policy recommendations [z], national press club, washington dc,
october 1, 2003.
[6] wen feng, shujuan wang, weidou ni, changhe chen, the future of hydrogen
infrastructure for fuel cell vehicles in china and a case of application in beijing [j],
international journal of hydrogen energy 2004, article in press.
[7] rosa v.m, santos m.b.f, silva e.p.d, new materials for water electrolysis diaphragms
[j], international journal of hydrogen energy 1995, 20(9): 697-700.
[8] vermeiren p, adriansens w, moreels j.p, leysen r. evaluation of the zirfon separator for
use in alkaline water electrolysis and ni-h2 batteries [j], international journal of hydrogen
energy 1998, 23(5): 321-324.
[9] hu w.k, cao x.j, wang f.p, zhang y.s. short communication: a novel cathode for
alkaline water electrolysis [j], international journal of hydrogen energy 1997,22: 441-443.
[10] schiller g, henne r, mohr p, peinecke v. high performance electrodes for an advanced
intermittently operated 10-kw alkaline water electrolyzer [j], international journal of
hydrogen energy 1998,23: 761-765.
[11] hijikata t. research and development of international clean energy network using
hydrogen energy (we-net) [j], international journal of hydrogen energy2002, 27(2):
115-129.
[12] kumar g.s, raja m, parthasarathy s. high performance electrodes with very low
platinum loading for polymer electrolyte fuel cells [j], electrochimica acta 1995, 40(3):
285-290.
[13] hirano s, kim j, srinivasan s. high performance proton exchange membrane fuel cells
with sputter-deposited pt layer electrodes [j], electrochimica acta 1997, 42(10): 1587-1593.
[14] hayre r, lee s.j, cha s.w, prinz f.b. a sharp peak in the performance of sputtered
platinum fuel cells at ultra-low platinum loading [j], journal of power sources 2002, 109(2):
483-493.
[15] guo q.h, pintauro p.n, tang h, connor s. sulfonated and crosslinked
polyphosphazene-based proton-exchange membranes [j], journal of membrane science 1999,
154(2): 175-181.
[16] carretta n, tricoli v, picchioni f. ionomeric membranes based on partially sulfonated
poly(styrene) synthesis, proton conduction and methanol permeation [j], journal of
membrane science 2000, 166(2):189-197.
[17] ghany n.a.a, kumagai n, meguro s, asami k, hashimoto k, oxygen evolution anodes
composed of anodically deposited mn-mo-fe oxides for seawater electrolysis [j],
electrochimica acta 2002, 48(1): 21-28.
[18] green ma, recent developments in photovoltaics [j], solar energy 2004, 76(1): 3-8.
[19] ackermann t, soder l, an overview of wind energy-status 2002 [j], renewable and
sustainable energy reviews 2002, 6(1): 67-128.
[20] padro c.e.g, putsche v. survey of the economics of hydrogen technologies [z],
nrel/tp-570-27079, september 1999, national renewable energy laboratory, u.s.a.
[21] kogan a, direct solar thermal splitting of water and on site separation of the products 1:
theoretical evaluation of hydrogen yield [j], international journal of hydrogen energy 1997,
22(5): 481-486.
[22] kogan a, direct solar thermal splitting of water and on-site separation of the products-ii:
experimental feasibility study [j], international journal of hydrogen energy 1998, 23(2):
89-98.
[23] baykara s.z, experimental solar water thermolysis [j], international journal of
hydrogen energy, 2004, article in press.
[24] harvey, s., davidson, j.h., fletcher, e.a, thermolysis of hydrogen sulfide in the
temperature range 1350 to 1600k [j], ind. eng. chem. res 1998, 37: 2323-2332.
[25] steinfeld a, spiewak i, economic evaluation of the solar thermal co-production of zinc
and synthesis gas [j], energy conversion and management 1998, 39(15): 1513-1518.
[26] steinfeld a, kuhn p, reller a, palumbo r, murray j. solar-processed metals as clean
energy carriers and water-splitters [j], international journal of hydrogen energy 1998, 23(9):
767-774.
[27] haueter p, moeller s, palumbo r, steinfeld a, the production of zinc by thermal
dissociation of zinc oxide-solar chemical reactor design [j], solar energy 1999, 67(1-3):
161-167.
[28] lede j, elorza-ricart e, ferrer m, solar thermal splitting of zinc oxide: a review of
some of the rate controlling factors [j], journal of solar energy engineering 2001, 123(2):
91-97.
[29] steinfeld a, solar hydrogen production via a two-step water-splitting thermochemical
cycle based on zn/zno redox reactions [j], international journal of hydrogen energy 2002,
27(6): 611-619.
[30] sakurai, m., nakajima, h., amir, r., onuki, k., shimizu, s, experimental study on
side-reaction occurrence condition in the iodine-sulfur thermochemical hydrogen production
process [j], international journal of hydrogen energy 2000, 25(7): 613-619.
[31] sakurai, m., gligen, e., tsutsumi, a., yoshida k, solar ut-3 thermochemical cycle for
hydrogen production [j], solar energy 1996, 57(1): 51-58.
[32] pre.ethz.ch/cgi-bin/main.pl?research?project6
[33] solar.web.psi.ch/daten/projekt/elprod/elprod.html
[34] babu bv, chaurasia as, parametric study of thermal and thermodynamic properties on
pyrolysis of biomass in thermally thick regime [j], energy conversion and management
2004, 45: 53-72.
[35] bridgwater av, peacocke gvc. fast pyrolysis processes for biomass [j], renewable and
sustainable energy reviews 2000, 4(1):1-73.
[36] williams.paul t., brindle. alexander j. catalytic pyrolysis of tyres: influence of
catalyst temperature [j], fuel 2002;81(18): 2425-2434.
[37] chen g, andries j, spliethoff h. catalytic pyrolysis of biomass for hydrogen rich fuel
gas production [j], energy conversion and management 2003; 44(14): 2289-2296.
[38] sutton.d, kelleher b, ross jrh, catalytic conditioning of organic volatile products
produced by peat pyrolysis [j], biomass and bioenergy 2002; 23(3): 209-216.
[39] eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/hydrogen/pdfs/danz_biomass.pdf
[40] carlo n.h, andre p.c.f, future prospects for production of methanol and hydrogen
from biomass [j], journal of power sources 2002, 111(1): 1-22.
[41] milne ta, abatzoglou n, evans rj. biomass gasifier _tars_: their nature, formation,
and conversion [z], nrel/tp- 570-25357, 1998, national renewable energy laboratory,
usa.
[42] demirbas a, gaseous products from biomass by pyrolysis and gasification: effects of
catalyst on hydrogen yield [j], energy conversion and management 2002, 43: 897-909.
[43] zhang rq, brown rc, suby a, cummer k, catalytic destruction of tar in biomass
derived producer gas [j], energy conversion and management 2004, article in press.
[44] bowen. d.a, lau f, zabransky r, remick r, slimane r, doong s, techno-economic
analysis of hydrogen production by gasification of biomass [z], nrel fy 2003 progress
report, national renewable energy laboratory, usa, 2003.
[45] adschiri t, hirose s, malaluan r, arai k, noncatalytic conversion of cellulose in
supercritical and subcritical water [j], j chem eng 1993,26: 676–80.
[46] hao xiaohong, guo liejie, a review on investigation of hydrogen production by
biomass catalytic gasification in supercritical water [j], journal of chemical industry and
engineering (china) 2002, 53: 221-228.
[47] hao xh, guo lj, mao x, zhang xm, chen xj. hydrogen production from glucose
used as a model compound of biomass gasified in supercritical water [j], international
journal of hydrogen energy 2003, 28(1): 55-64.
[48] xiaodong x, yukihiko m, jonny s, michael ja, jr. carbon-catalyzed gasification of
organic feedstocks in supercritical water [j]. industrial & engineering chemistry research
1996, 35(8): 2522-2530.
[49] antal mj, jr, xu xd, hydrogen production from high moisture content biomass in
supercritical water [z], proceedings of the 1998 u.s.doe hydrogen program review,
nrel/cp-570-25315, 1998, national renewable energy laboratory, usa.
[50] schmieder h, abeln j, boukis n, dinjus e, kruse a, kluth m, petrich g, sadri e,
schacht m, hydrothermal gasification of biomass and organic wastes [j], journal of
supercritical fluids 2000, 17(2): 145-153.
[51] schmieder h, abeln j, boukis n, dinjus e, kruse a, kluth m, petrich g, sadri e,
schacht m, hydrothermal gasification of biomass and organic wastes [j], journal of
supercritical fluids 2000, 17(2): 145-153.
[52] yoshida t, matsumura y, gasification of cellulose, xylan, and lignin mixtures in
可再生資源回收前景范文第5篇
【關鍵詞】再生混凝土，研究現狀，發展前景
引 言
再生混凝土是將廢棄的混凝土塊進行回收利用，然后再經破碎、清洗與分級后，按一定的比例與級配混合重新形成的再生骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料，再加入水泥、水或部分天然骨料配制而成的新的混凝土，也叫做再生骨料混凝土。如果能夠有效合理的地利用再生骨料或再生混凝土，可很好的地節約天然資源，這對于保護環境和自然資源具有很重要意義。循環再利用廢棄混凝土被看作是發展綠色混凝土的重要措施之一，具有很明顯的經濟效益，環境效益和社會效益。
1 再生混凝土概述
將廢棄混凝土經過清洗、破碎、分級和按一定比例相互配合后得到的“再生骨料”作為部分或全部骨料配制的混凝土即為再生混凝土。，再生混凝土按骨料的組合形式可分為：（1）粗細骨料全部采用再生骨料；（2）粗骨料采用再生骨料，細骨料采用天然砂；（3）粗骨料采用天然的碎石或卵石，細骨料為再生骨料；（4）再生骨料替代部分粗骨料或部分細骨料，或者再生骨料同時替代部分粗骨料和細骨料。跟據有關研究成果已表明應工程結構上采用再生骨料是可行的，但對其經濟性尚存疑慮。當利用廢棄混凝土作再生骨料時研究現狀，石灰石資源可節省62%；而當廢棄混凝土用作制造水泥的原料時，除可節省62%石灰石資源外，還可節約制造水泥的優質石灰石60%、黏土40%和鐵粉35%，同時可減少20%的廢氣排放量；在歐洲共同體、美國、日本這些發國家，其每年混凝土廢料超過3.6億t，對混凝土廢料再加工得到的再生骨料所需能耗只是開采天然碎石的1/10，并且成本可降低25%。再生骨料混凝土的應用解決了用量最大的混凝土人造材料對自然資源的占用及對環境造成的負面影響，從而保證了人類社會的可持續發展，因此，它是一種可持續發展的綠色混凝土。
2再生混凝土的發展現狀
改革開放以來，隨著中國經濟不斷的快速發展，環保、生態、資源已成為阻礙社會發展的“瓶頸”，可再生資源利用越來越受到人們的關注。在人類跨入21世紀前夕，中國政府在《中國21世紀議程―― 中國2l世紀人口、環境和發展白皮書》中，對世界面臨的生態破壞和環境污染等問題給予了高度的關注。從2006年1月1日開始，正式實施《中華人民共和國可再生能源法》。中國政府制定的中長期科教興國和社會可持續發展戰略，加緊對再生混凝土的開發利用進行立項研究，并大力支持和鼓勵廢棄物研究和應用。目前，國內一些高校和科研院所的研究工作得到了相關部門的資助，并且已經著手對再生混凝土的性質和應用進行初步研究，并取得了一定的研究成果。
3再生混凝土的經濟效益分析
“循環經濟”的經濟發展模式，是通過回收利用廢棄物再生利用水平，在生產和消費過程中最大限度地降低污染，減少廢棄物，它充分利用自然資源，是對傳統“大量生產、大量浪費、大量廢棄”增長模式的根本變革。循環經濟的建立是以“減量化、再利用、再循環”為行為原則。廢棄混凝土的回收利用符合循環經濟發展模式。
一個地區廢棄混凝土回收利用的主要影響因素有：地區人口密度和城市化水平、天然集料富余程度、廢棄混凝土回收利用的設備及工藝技術水平，以及國家和地區對廢棄混凝土回收利用的政策法規和財政稅收上的扶持程度。
1）地區人口密度和城市化水平。地區人口密度和城市化水平決定著城市廢棄混凝土的數量，城市規劃中規定了建筑垃圾堆放場所的位置和數量其直接影響到廢棄混凝土的清運和處理成本，對廢棄混凝土的再生利用產生影響。
2）天然集料富余程度。天然集料的富余程度和貯量是推動再生集料和再生混凝土應用的最大動力。日本、丹麥、荷蘭等國家石料緊缺，因而十分重視從廢棄混凝土中回收利用再生集料站。同時，廢棄混凝土的回收利用程度也和環境保護意識有關研究現狀，如果無限制的開山采石，雖然可以獲得價格較低的天然集料，但是無疑會破壞環境，長此以往，不僅不利于環境保護，更不利于社會可持續發展。
3）廢棄混凝土回收利用的設備與工藝技術水平。廢棄混凝土的回收與再利用，都需要通過一定的技術手段來實現，工藝技術水平、設備選擇將影響廢棄混凝土的可回收性和回收效益。便捷高效的廢棄混凝土破碎篩分工藝、科學合理的再生混凝土技術將決定回收利用的成本和利潤。
4）國家和地區對廢棄混凝土回收利用的政策法規和財政稅收上的扶持程度制定對廢棄混凝土的回收利用和施工現場的零排放（無垃圾）等有關法律是必須的，以促進廢棄混凝土及其他建筑垃圾的再利用。目前可以借助國家鼓勵資源綜合利用的政策和財政稅收上的扶持，減少業主和拆除單位拆除舊建筑的費用支出，降低再生集料的生產成本，使再生集料的成本能與天然集料具有同等的競爭力。為了能夠更好地開發利用廢棄混凝土，需要盡快就再生混凝土集料制定集料標準、再生混凝土制品標準等。
4再生混凝土的發展前景
1）隨著建筑業的發展，會產生大量的建筑垃圾，發展和利用再生混凝土符合循環經濟發展模式。據有關資料粗略統計，在每萬平方米建筑的施工過程中，僅產生建筑廢渣可達500～600t。住房與城鄉建設部在2005年首屆周際智能與綠色建筑技術研討會上指出，預計到2020年我國還將新增建筑面積約300億平方米 。照此推算，我國現有建筑面積將至少產生20億t建筑廢渣。近20～30 年來，建筑業進入高速發展階段，隨著城市化進程加快，大批舊建筑物被拆除，就會產生大量的建筑垃圾。至2012年，我國城鎮有約50% 的房子是上個世紀建造的，將被拆除，專家估計，隨之而產生的建筑垃圾將達到5～7億t，這是一個令人震撼的數字。而我國的垃圾處理技術還比較落后，建筑垃圾的綜合處理利用僅處于初探階段，所以大多數建筑垃圾只是進行簡單的填埋。如此大的建筑垃圾產生量再加上如此簡單的處理方式，長此以往研究現狀，給城市和居民帶來的危害顯而易見。
2）再生混凝土的有效利用，是走可持續發展道路的有效途徑。可持續發展的核心是發展。它要求人們改變傳統的的生產方式和生活方式，改變人類對于自然的態度，在開發和利用自然資源的同時，必須注重對環境資源的保護。據統計，我國每年澆注混凝土約l5―2O億m3 ，而混凝土中砂石骨料又占總質量的70% 以上，用量十分巨大。據中國砂石協會統計，近幾年我國的建筑用砂量以10%以上的速度增長。由于對建筑骨料的需求量巨大，大量開采山石、淘挖河砂、掘坑取土等行為不僅會造成水土流失、植被破壞，危害高速公路、橋基、河道的安全，而且會加速資源的消耗。加快城市化進程，既是我國現代建設的歷史重任，也是有效解除阻礙我國現代化推進的“瓶頸”約束，保證我國經濟社會實現高速、持續和協調發展的重大戰略舉措。
可見，如果能真正得以推廣應用再生混凝土技術，這將對自然資源的保護、建筑垃圾的綜合處理起到積極的作用，也是建筑業可持續發展的必然要求。
參考文獻：
[1]郭峰.淺談再生混凝土的發展和研究前景.山西建筑，2009年第23期：178.
[2]鄭遠.再生混凝土的強度研究.低溫建筑技術，2010年第11期：8.
[3]薛文博.可持續發展戰略與再生混凝土技術的發展.黑龍江水利科技，2009年第5期。
[4]裴輝.再生混凝土技術研究發展的現狀分析.黑龍江交通科技，2009年第5期。
作者簡介：
