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如何用秸秆驱动汽车?
如何用秸秆驱动汽车?
浏览:92 发布日期:2020-11-22

  来源:中科院之声

  金秋,是个收获的季节。每年的秋收时节,在中华大地上,“掰棒子”大赛都进走得风起云涌。黄澄澄的玉米被掰失踪后,丢下大片大片的无头僵尸——秸秆,伫立在田园里。

农业垃圾——玉米秸秆(图片来自网络)农业垃圾——玉米秸秆(图片来自网络)

  整个中国,每年平均产生2.3亿吨云云的玉米秸秆,造成了令人头疼的农业垃圾难题。

  倘若直接还田,潜在地下的秸秆会产生炎量、制造厌氧的环境,不幸于作物的滋长。倘若秸秆本身再带有病虫害,那就相等于在地里埋下了准时炸弹,遇难的则是下一季的作物。

  以前清淡是云云处理秸秆的:

秸秆焚烧(图片来自网络)秸秆焚烧(图片来自网络)

  付之一炬,浅易而又强横。

  近年来,原由认识到焚烧秸秆污浊空气环境,要挟人类健康。国家已经厉令不准焚烧秸秆,甚至片面地区已经禁用了乡下柴火灶。

  其他传统的秸秆处理手段还有将秸秆用于饲料、堆胖、造纸和修建材料等等,固然众栽众样,但对秸秆的消耗量远远不足。

  当代科学家又挑出了更添新潮的玩儿法:

  比如用秸秆驱动汽车!

  用秸秆驱动汽车必要几步走?

秸秆驱动汽车秸秆驱动汽车

  第一步,要把秸秆从田头拉到工厂。

  秸秆是一栽放错地方的资源,搜集、运输、蓄积首来都有必定难得。

  在当代农业系统发达的西洋国家,清淡采用荟萃型的收储运模式。

  例如在丹麦,由专科的秸秆收储运公司或大型农场主负责秸秆的的搜集、晾晒、蓄积、保管和运输等义务,并遵命能源企业的请求,对秸秆的质量进走把关,末了同一打捆、堆垛、存储,已经形成了比较完善的收储运系统。

秸秆收储运系统秸秆收储运系统

  而国内大片面地区以幼农经济为主,更正当松散型的收储运模式。由农户或秸秆经纪人对松散的秸秆进走搜集,直接挑供给企业。

  秸秆收储运是秸秆变废为宝的第一步,试想倘若秸秆最后产生的能量无法抵消在收储运过程中消耗的能量,到头来不是白忙活一场吗?

  为了进一步完善秸秆供答系统,国家甚至出台了秸秆收储运系统建设规范。

秸秆收储运系统建设规范秸秆收储运系统建设规范

  鉴于国家电网属下的国能生物质燃烧发电项现在已经运走了很众年,积累了雄厚的秸秆商业化搜集经验,坚信秸秆收储运不会成为吾国实现新一代生物燃料工业化的短板。

  第二步,要打破秸秆的抗降解屏障。

  秸秆细胞壁中的木质纤维素是一栽雄厚的可新生资源,有看议定生物质转化技术替代传统的化石能源。 

  倘若直接用催化剂对秸秆进走降解,它们必定会说:“”益硬,啃不动啊!”您可千万别怪它们牙口不益,要怪就怪秸秆的抗降解屏障实在是太扎实了。

  植物细胞壁在亿万年的进化中形成了招架微生物和酶降解的屏障,如此一来,秸秆才能在玉米成熟前挺直不倒。

  倘若把这张屏障比作是一堵钢筋水泥墙板,那么细胞壁中的纤维素就是钢筋,撑持着植物的身体。

  由两个葡萄糖逆答生成的纤维二糖是纤维素链的基本单元,很众纤二糖分子行使共价键手拉手连成一条糖链(a),糖链之间议定氢键形成糖片(b),致密到连水分子都插不进往。而后大幼纷歧的糖片再议定疏水作用和范德华力,进一步被压缩成六棱糖柱(c),糖柱又以迥异排列倾向捆绑在一首才构成了不规则的纤维素网状结晶组织(d)。

微纤丝众层次组织模型微纤丝众层次组织模型

  除了纤维素本身复杂的结晶组织,细胞壁中还含有大量组织更添复杂的半纤维素和木质素,它们像水泥相通包裹在纤维素“钢筋”的周围,打造了一壁安如泰山的城墙。

植物细胞壁暗示图(图片来自网络)植物细胞壁暗示图(图片来自网络)

  抗降解屏障形成了微生物与植物之间的生存均衡,导致微生物降解秸秆的过程变得专门缓慢。而在实验室中,人类打破了这层屏障。

  工程师议定对秸秆进走破碎、酸碱、添炎、气爆处理,不光能够高效损坏包裹在纤维素外的半纤维素和木质素,还能够使纤维素组织变得懈弛,添大它的形式积。

  然而题目又来了,科学家发现预处理后的秸秆固然在物理组织上变得更易降解,但是微生物却活得伤感活了。

  正本在预处理过程中会产生各栽毒性化相符物,按捺微生物的滋长和滋生。所以,工程师还必要在预处理后再添上一步脱毒处理,除往有毒的物质。

  第三步,要把秸秆变成糖。

  在中国,有个地方常年保持五六十摄氏度的高温,而且时刻处于悠扬担心之中。那就是山东能源钻研院某实验室中的一台恒温摇床,躺在这边的是一栽嗜炎厌氧细菌——炎纤梭菌。它们的先人来自于美国国家黄石公园的炎泉,至今已经繁衍了成千上万代。

  炎纤梭菌具有高效降解木质纤维素的能力,所以在科研界也实在是一栽炙手可炎的细菌。

  鉴于炎纤梭菌吃首纤维素来相等剽悍恶狠,吾们民风将其比作微不益看世界的游牧民族。那在它们的眼里,秸秆便是由糖堆砌而成的城堡了。

  炎纤梭菌漫无现在标地游荡在空旷的微不益看世界里,骤然一颗纤维二糖分子闪过,它们迅速捕捉到了这个信号——前哨存在纤维素。饥渴难耐的炎纤梭菌将体内工厂运转首来,添速相符成迥异功能的纤维素酶以及形似脚手架的支架蛋白,然后在细胞壁上将纤维素酶拼装到支架蛋白上,打造成一根根超级武器——纤维幼体。

纤维幼体降解纤维素(图片来自网络)纤维幼体降解纤维素(图片来自网络)

  它们行使一栽碳水化相符物结相符模块将本身牢牢固定在纤维素形式,然后挥舞首纤维幼体,打断纤维素链,切割下纤维二糖,最后再水解为葡萄糖分子。

  纤维幼体能够高效降解木质纤维素,归功于迥异功能纤维素酶之间的分工配相符。更微妙的是,它能够根据底物的特性动态调控纤维幼体的构成和组分,瞬休万变,被走内誉为“降解木质纤维素的超级分子机器”。

  末了一步,要把纤维素糖发酵成生物燃料。

  纤维素糖是当然界最基本的碳源之一,能够和众栽下游工艺微生物偶连。

  酿酒酵母是一栽普及存在当然界中“当然发酵剂”,能够将糖发酵为二氧化碳和乙醇。 

  乙醇杀菌是生活常识,很众微生物实在连自身代谢的乙醇都很难耐受,而酿酒酵母却能“千杯不醉”,所以才被行为纤维素乙醇发酵的首选微生物。

  生物乙醇制备完善后,再与汽油遵命1:9的比例同化,制成最后产品:“乙醇汽油”。

乙醇汽油乙醇汽油

  乙醇汽油具有诸众卓异的性能。

  最先乙醇的辛烷值较高,能够取代原先汽油中污浊环境的含铅增补剂,并且改善汽油的防爆性能;

  其次乙醇含氧较高,能挑高同化燃料的燃烧效果,缩短颗粒物和氮氧化物的排放,避免因积炭过众而引首发动机故障;

  再者同化燃料中的含硫量降矮,缩短了硫氧化物的排放,硫氧化物是一栽致癌物质,同时也是酸雨形象的元恶之一。

  实际上第一代生物乙醇已经实现了产业化生产,只不过行使的材料主要是玉米。但云云一来生物燃料的生产很容易就对粮食的价格造成冲击,引发“粮食与燃料之争”。

粮食与燃料之争粮食与燃料之争

  比如美国在2007年为挑高生物燃料产量,玉米种植面积比上一年突添23%,导致大豆种植面积锐减16%,使得大豆价格在2008 年大幅上涨。

  而第二代生物乙醇行使的材料是被视为“农业垃圾”的玉米秸秆,具有不与人争粮、不与粮争地的兴旺上风。现在第二代生物乙醇正在进走生产成本的攻关,已经走向了商业化的初首阶段。

  吾国农业正由做事浓密型产业向能源浓密型产业转折,粮食的生产、运输和出售都倚赖于化石能源,能够说国际石油价格时刻在要挟着农业的发展。

  大力发展以农业废舍物为材料的生物燃料能够实现“农业发展——能源生产——农业发展”的良性循环,是有利国家能源坦然和农业坦然的百年大计。

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