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可再生資源回收前景范文第1篇

隨著適用性研究和開發(fā)的進(jìn)展，人們可以發(fā)現(xiàn)許多經(jīng)濟(jì)上可行的方案來滿足整個地球的需求。該"設(shè)想"確定了方向和相應(yīng)的規(guī)劃，采取措施建立利用植物系統(tǒng)中能源和碳源的可再生資源基礎(chǔ)。面臨的挑戰(zhàn)是嚴(yán)重的，但機(jī)遇也是難以衡量的。人類可以適應(yīng)變化，但必須接受所面臨的挑戰(zhàn)。序言中從兩方面進(jìn)一步闡明“設(shè)想”提出的背景：

1、界定植物/農(nóng)作物基資源

植物/農(nóng)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(tǒng)，主要是農(nóng)作物、林產(chǎn)品和食品、飼料和纖維工業(yè)加工過程中的副產(chǎn)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(nèi)再生。石油化學(xué)品原本也是以植物為基礎(chǔ)，其基本分子為烴類。植物/農(nóng)作物基可再生資源當(dāng)前所用的大量基本分子是碳水化合物、木質(zhì)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(qū)別是烴類及其提取系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)并加工處理其所需要的原料型產(chǎn)品，而植物基可再生資源在某些程度上雖然也被認(rèn)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(shù)進(jìn)展可以改變植物成分和酶提取系統(tǒng)，這就為現(xiàn)在需要的化學(xué)產(chǎn)品和新型中間人體及產(chǎn)品制造提供了新的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇。據(jù)統(tǒng)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(nóng)作物的種植面積有4.24億英畝，可以生產(chǎn)大量植物/農(nóng)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(chǎn)。

2、烴類經(jīng)濟(jì)

20世紀(jì)后期，世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展很快，生產(chǎn)增長率有很大提高，尤其是各發(fā)達(dá)國家，一些發(fā)展中國家也不斷增長。成功的增長和發(fā)展過程中起主要作用的是烴類經(jīng)濟(jì)。自20年代以來，礦物化石燃料的采取和利用提供了人們當(dāng)前所享受的經(jīng)濟(jì)效益和生活水準(zhǔn)。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(fā)在能源生產(chǎn)和基礎(chǔ)產(chǎn)品制造方面創(chuàng)造了許多可以大量增值的工藝過程。市場經(jīng)濟(jì)明顯地受人們提高生活水準(zhǔn)的意愿所驅(qū)動，以創(chuàng)造各種產(chǎn)品。生物基資源的(主要是用植物基)用量很小。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)角度看還不能趕上工業(yè)原料，而以烴類為基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)卻繁榮昌盛。

烴類雖然將繼續(xù)起到非常有效的經(jīng)濟(jì)發(fā)展平臺作用，但是在其未來應(yīng)用中卻有若干問題有待解決。首先是對石油化學(xué)產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境問題日益受到關(guān)注，隨著又產(chǎn)生了許多相關(guān)的問題。化石燃料是一類正在減少的原料資源。應(yīng)用植物/農(nóng)作物基資源作為一種補充，由于它們是可再生的，所以為經(jīng)濟(jì)有序地向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)變創(chuàng)造了機(jī)會。

通過對能源狀態(tài)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(xiàn)在消費水平計算只能提供50-100年，此處的一個重要假設(shè)是“現(xiàn)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(zhǔn)變化來考慮，此假設(shè)是不合理的。當(dāng)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(fā)展中國家都將增加能源消費。未來的能源供應(yīng)問題是多方面的，因為發(fā)展中國家人口眾多。例如，中國按人口平均能源消費相當(dāng)于美國水平的1/3，其需要增加的能量數(shù)量約相當(dāng)于美國現(xiàn)在全年能源使用總量。

表1當(dāng)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(fā)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(xù)發(fā)展的工業(yè)基礎(chǔ)。

新技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用需要時間。石油化學(xué)工業(yè)本身的發(fā)展就是一個事例。1920年烴類原材料經(jīng)濟(jì)并不像今天這樣具有吸引力，過了50年，開始適應(yīng)化石燃料狀況的工藝。因此，要使植物/農(nóng)作物基系統(tǒng)達(dá)到同樣現(xiàn)代化水平也需要時間。

當(dāng)前正是開展大量研究開發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的時候?，F(xiàn)在進(jìn)行研究并不意味系統(tǒng)要立即改變，但是，烴類經(jīng)濟(jì)的經(jīng)濟(jì)學(xué)未來將出現(xiàn)問題：要支付高額環(huán)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(jìn)行相關(guān)的比較，提供非常需要的選擇。在中期至長期，選擇植物/農(nóng)作物基可再生資源可能是要兼顧環(huán)境方面容許和經(jīng)濟(jì)方面具有吸引力。而在近期，研究和開發(fā)可能只在一些領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行，使植物/農(nóng)作物可再生資源能開始進(jìn)入基本化學(xué)原料市場，從而擴(kuò)大資源基礎(chǔ)，延長有價值的化石燃料儲備的應(yīng)用壽命。

在上述背景環(huán)境下，通過研究討論，提出了2020年開發(fā)利用植物/農(nóng)作物可再生資源的設(shè)想的目標(biāo)；“設(shè)想”是要通過植物/農(nóng)作物基可再生資源的開發(fā)來提供經(jīng)濟(jì)繼續(xù)發(fā)展、生活的健康標(biāo)準(zhǔn)和強大的國家安全。植物/農(nóng)作物基可再生資源可以改變當(dāng)前對日益減少的非再生資源的依賴。

本“設(shè)想”的內(nèi)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(yè)原料資源。非再生資源可能因經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素逐步被植物基再生資源所取代，“設(shè)想”反對等到危機(jī)發(fā)生時現(xiàn)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(dāng)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(xiàn)在就要開始，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展有足夠的時間，保證解決環(huán)境而進(jìn)行良好的合作。

要取得有成效的進(jìn)展，應(yīng)當(dāng)確定以下的方向性目標(biāo)：

1、2020年化學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)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(nóng)作物，林產(chǎn)，加工業(yè))系統(tǒng)，用有效的轉(zhuǎn)化加工工藝生產(chǎn)可再生原料，為2020年選中的產(chǎn)品提供經(jīng)濟(jì)合理、對環(huán)境瓜敏感的制造平臺。用此生產(chǎn)鏈來示范一個綜合的植物/農(nóng)作物基原料系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)合理性和潛在效益，顯示工業(yè)應(yīng)用機(jī)遇的新領(lǐng)域，為2020年以后國內(nèi)和出口的需求做出貢獻(xiàn)。

3、在工業(yè)投資者、植物商、生產(chǎn)者、學(xué)術(shù)界和各級政府之間建立合作伙伴關(guān)系，開發(fā)從小范圍到大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，重新激活農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，改進(jìn)增值加工和制造鏈的集成，消除食品、飼料和纖維加工業(yè)與基礎(chǔ)材料制造業(yè)之間的差別。

“設(shè)想”中提出，科研與開發(fā)方面要制定有詳細(xì)目的和要求的相應(yīng)計劃，支持上述方向性目標(biāo)的實現(xiàn)，從而也可取得投資的優(yōu)勢。

植物/農(nóng)作物基資源利用現(xiàn)狀和前景

一、現(xiàn)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(chǔ)原料，已經(jīng)成為現(xiàn)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(jīng)逐步代替了玻璃、金屬甚至紙張。植物/農(nóng)作物基資源目前尚未有效利用，主要是因為可用性差、質(zhì)量不高、供應(yīng)不穩(wěn)或是價格高。要推動和提高植物/農(nóng)作物可再生資源應(yīng)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(dāng)前在化學(xué)品方面應(yīng)用面很廣，如用于油漆、粘合劑及劑等。黃豆是植物袖的傳統(tǒng)原料，隨著基因工程進(jìn)展，可以生產(chǎn)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(shù)氨基酸以及各種蛋白質(zhì)等化學(xué)品生產(chǎn)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(zhì)素纖維復(fù)合材料

工業(yè)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(zhì)素20粘合劑，丹寧，vanillin

在多數(shù)情況下，應(yīng)用的植物基材料主要是原始狀態(tài)分子。如木質(zhì)素纖維、植物油和橡膠等復(fù)雜分子的應(yīng)用也只有有限的改性。這就與石油化學(xué)工業(yè)構(gòu)成明顯的反差，石油化工則是用化學(xué)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(chǔ)原料進(jìn)行化學(xué)合成，制造所需要的復(fù)雜的分子。

在少數(shù)情況下，植物/農(nóng)作物原料進(jìn)行裂解成為不同的基礎(chǔ)分子，例如高果糖的玉米生產(chǎn)糖漿和玉米淀粉發(fā)酵生產(chǎn)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(fā)酵方法生產(chǎn)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(chǎn)像藥物那樣的高度專業(yè)化的分子，但卻包括了大量生產(chǎn)的中間體及產(chǎn)品。

2、供應(yīng)及質(zhì)量

植物系統(tǒng)地區(qū)分布廣，由于土壤和氣候條件不同，導(dǎo)致供應(yīng)和質(zhì)量的差異。森林和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)縮小了天然野生植物的供應(yīng)差異。

生物質(zhì)的總產(chǎn)量雖然很大，但是由于沒有經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)化技術(shù)而使其應(yīng)用受限制。一些新進(jìn)展如快速裂解提供了從中獲得低分子量產(chǎn)品的機(jī)會，如果能在分離技術(shù)上進(jìn)一步創(chuàng)新，就可以推動此應(yīng)用。生物質(zhì)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(zhì)資源是當(dāng)前為食用和飼料種植的農(nóng)作物，如玉米、黃豆、小麥和高梁等。一般情況下這些作物只應(yīng)用其產(chǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)，但大部分運出去，作為原料應(yīng)用。因此要求有適當(dāng)?shù)?、成本低的儲運系統(tǒng)和加工技術(shù)。

供應(yīng)方面的主要問題是對原始生產(chǎn)的管理。當(dāng)前，樹木可作木材和紙漿，種植農(nóng)作物只是為食品、飼料和纖維加工，沒有在綜合利用上進(jìn)行優(yōu)化。對植物/農(nóng)作物投入的成本評價基礎(chǔ)是未經(jīng)優(yōu)化的植物生產(chǎn)系統(tǒng)，因此經(jīng)濟(jì)性不佳。一些邊際土地的利用可以擴(kuò)大植物基可再生資源原料基地。但是從經(jīng)濟(jì)上比較，其很難達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行目標(biāo)。在估算其經(jīng)濟(jì)回報時，要考慮化肥、農(nóng)藥等化學(xué)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(yīng)是如何對良田建立優(yōu)化種植生產(chǎn)系統(tǒng)。

當(dāng)前低投入、低產(chǎn)出的植物生產(chǎn)對農(nóng)民難以盈利，并不利于農(nóng)村發(fā)展，也不能為加工業(yè)提供低價原料。但是在產(chǎn)出方面，數(shù)量和質(zhì)量相差甚大，從此系統(tǒng)得到的產(chǎn)品必然價格較高，嚴(yán)重地限制了經(jīng)濟(jì)上的可行性。而且，由于低產(chǎn)出生產(chǎn)就需要更多的土地，其對環(huán)境的單位影響常常大于更為強化、密集的系統(tǒng)。因此要優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，同時改善邊際土地的利用。此外利用生產(chǎn)率高的土地作為植物/農(nóng)作物可再生資源的原料基地，這也有利于解決數(shù)量和質(zhì)量上的波動變化。

農(nóng)村根據(jù)市場需求規(guī)劃種植計劃，如根據(jù)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(jìn)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(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益有很大影響。面對“設(shè)想”需要擴(kuò)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(jù)供應(yīng)或需求來決策，就需要進(jìn)一步仔細(xì)研究有關(guān)課題。

3、植物/農(nóng)作物基原料成本

利用植物/農(nóng)作物基可再生資源主要是成本問題，它與烴類相比是不經(jīng)濟(jì)的。工業(yè)生產(chǎn)要求大量的便宜原料。植物原料價格便宜，如果能開發(fā)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)將極具競爭能力。利用植物/農(nóng)作物基原料生產(chǎn)化學(xué)品的成本比較，詳見表3。

表3、植物/農(nóng)作物基化學(xué)品生產(chǎn)成本類別生產(chǎn)量萬噸通常方法美元/1b植物衍生美元/1b植物衍生占總產(chǎn)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(yè)中選用不同的化學(xué)加工工藝對其成本影響很大。

植物/農(nóng)作物基可再生資源不是一種替代性資源,而是為工業(yè)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(guān)，因此要進(jìn)一步開發(fā)新的化學(xué)和生物加工工藝，才能擴(kuò)大植物基可再生資源應(yīng)用范圍，使之成為經(jīng)濟(jì)可行系統(tǒng)。

二、前景

由于植物/農(nóng)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(gòu)成了一種多維的發(fā)展前景。本“設(shè)想”運用矩陣分析方法進(jìn)行探討。不同投人的植物原料，可以運用不同的加工系統(tǒng)，并取得各種不同的開發(fā)效果。

1、廢料和副產(chǎn)物利用

從當(dāng)前看，利用機(jī)會多，但需要有新的加工技術(shù)才能使其成為更重要的資源。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

森林工業(yè)已經(jīng)將副產(chǎn)物利用發(fā)展成為一個較大的行業(yè)，如紙漿副產(chǎn)液轉(zhuǎn)化為磺酸木質(zhì)素表面活性劑ch3soch3以及用樹皮制丹寧。農(nóng)作物的磨榨工業(yè)開發(fā)了許多應(yīng)用副產(chǎn)物進(jìn)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(chǎn)擰蒙酸鹽和氨基酸等。但是，許多食品加工業(yè)，如蔬菜和水果卻沒有開發(fā)相應(yīng)的副產(chǎn)利用加工工藝，經(jīng)常將副產(chǎn)淀粉和糖排放入周圍環(huán)境。副產(chǎn)物的利用具有許多發(fā)展機(jī)遇，提取及銷售其所含的有效成分是降低主產(chǎn)物成本的手段，而且從戰(zhàn)略上看是擴(kuò)大利用植物基資源。

(2)改進(jìn)化學(xué)

木本植物和有些農(nóng)作物加工中有較高的木質(zhì)纖維素含量和一些碳水化合物，如烴類工業(yè)一樣，可以將復(fù)雜分子轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小分子技術(shù)。便宜的植物衍生發(fā)酵制糖的開發(fā)已在進(jìn)行。用金屬有機(jī)物化學(xué)將碳水化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋祷瘜W(xué)品是擴(kuò)大利用植物基原料的又一技術(shù)途徑。改進(jìn)化學(xué)方法具有潛力，可以使植物衍生的廢料加工利用提高經(jīng)濟(jì)回報率。

(3)生物加工

在比較復(fù)雜的料漿中用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)某種分子，再將其分離出來成為需要的產(chǎn)物。生物轉(zhuǎn)化是應(yīng)用微生物、細(xì)胞或不含細(xì)胞的酶系統(tǒng)的一步法工藝，它提供了改進(jìn)廢物料和副產(chǎn)物利用機(jī)會，隨著分離技術(shù)的提高，生物加工工藝可以獲得更為廣泛的應(yīng)用。

(4)新分子

在此方面似乎不太重要，從廢料中生產(chǎn)新分子不是一條最佳途徑。

2、現(xiàn)有農(nóng)作物

從近期看擴(kuò)大應(yīng)用具有最佳機(jī)會。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

從化學(xué)工業(yè)整體看，并沒有|認(rèn)為植物衍生材料具有較高的經(jīng)濟(jì)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(jìn)化學(xué)

如果植物衍生原料是結(jié)構(gòu)型的生物質(zhì)，含有木質(zhì)素和纖維素等成分，其具有一定優(yōu)勢。一些新技術(shù)，如綜合燃燒或金屬有機(jī)化學(xué)等都能提供更好地利用此類資源的機(jī)會。除林產(chǎn)資源外，約有5200億磅的生物質(zhì)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(xiàn)有資源的效益。新的工藝開發(fā)可以提供利用糖和淀粉的機(jī)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(zhì)、用途都不同，因此需要改進(jìn)其化學(xué)方法，發(fā)揮其潛能。新化學(xué)工藝與生物加工及先進(jìn)的分離技術(shù)綜合起來可產(chǎn)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(jié)構(gòu)型生物質(zhì)到一些專門的植物組分，在生物加工方面潛在優(yōu)勢很大：用酶轉(zhuǎn)換玉米衍生的葡萄糖生產(chǎn)高果糖的玉米糖漿。最近從玉米葡萄糖經(jīng)過發(fā)酵制琥珀酸也取得成功。琥珀酸鹽可以用作制一些化學(xué)產(chǎn)品如丁二醇、四氫呋喃，這些中間體又可進(jìn)一步加工制成許多種產(chǎn)品。當(dāng)前，用10億磅這種原料可得到價值13億美元產(chǎn)品，現(xiàn)在正在中試。多種學(xué)科進(jìn)行合作就可取得良好的效果，這是短期內(nèi)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(chǎn)生新分子。此工作目前只在很小的市場中進(jìn)行。當(dāng)市場對具有特殊性能的新產(chǎn)品需求增加，投入產(chǎn)出可能會促使其發(fā)展，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合研究要沿著產(chǎn)品開發(fā)鏈進(jìn)行，從界定所需要的產(chǎn)品——需要的特性——分子結(jié)構(gòu)——中間體——酶技術(shù)——蛋白質(zhì)/基因工程——投入植物的最佳原料——生產(chǎn)優(yōu)化等。

3、新鮮農(nóng)作物

此項作為中期發(fā)展機(jī)遇。

(l)現(xiàn)代化學(xué)

因為化學(xué)工業(yè)一般不認(rèn)為農(nóng)作物的利用能獲得較高的經(jīng)濟(jì)價值，因此新鮮農(nóng)作物并無吸引力。過去曾認(rèn)為可以降低成本，但是實際上的技術(shù)限制否定了其經(jīng)濟(jì)性。

(2)改進(jìn)化學(xué)

從投入產(chǎn)出看，存在類似問題，如果改進(jìn)的化學(xué)工藝需要專門的農(nóng)作物，-新鮮農(nóng)作物可能會有優(yōu)勢。另一優(yōu)勢是在物流方面。按照改進(jìn)工藝實施和運作規(guī)模，所需原料只能就近供應(yīng)新鮮農(nóng)作物。因此改進(jìn)工藝應(yīng)當(dāng)與供應(yīng)系統(tǒng)平行進(jìn)行才能互相支持共同發(fā)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(nóng)作物和森林種植地區(qū)，而植物基原料運輸費用很高。

(3)生物加工工藝

與改性化學(xué)類似,區(qū)別在于如何將原料加工成中間體和最終產(chǎn)品。在技術(shù)上要考慮農(nóng)作物品種的適用性，一種生物工藝可以對多種品種進(jìn)行加工。優(yōu)化工藝是影響運作經(jīng)濟(jì)很重要的因素。

4、改性基因類植物

這是中長期發(fā)展機(jī)遇，其可提供的成效目前尚難以想像，今后是否出現(xiàn)碳水化合物經(jīng)濟(jì)，或是其他經(jīng)濟(jì)，這要看建立在生物工程基礎(chǔ)上的新工業(yè)平臺所能發(fā)揮的作用。

(1)現(xiàn)代化學(xué)

基因改性植物基原料可能成為現(xiàn)有的烴類加工系統(tǒng)原料。但是，改性植物分子在烴類系統(tǒng)中降解所花代價太高。因此投入技術(shù)要能跨越加工技術(shù)，或者是較復(fù)雜的分子能直接得到并進(jìn)入制造鏈，再有是新工藝路線能高效地應(yīng)用此改性原料。當(dāng)然這些變革都要從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面來評價其效益。

(2)改性化學(xué)

對優(yōu)化植物/農(nóng)作物基原料投入和加工有好處，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行此方面研究。至于何時見效則要根據(jù)基因技術(shù)進(jìn)展及其達(dá)到工業(yè)化時間來確定。

(3)生物加工工藝

微生物或酶進(jìn)行基因改變達(dá)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(shù)本身之間創(chuàng)優(yōu)，有時所需要的可作基礎(chǔ)原料的分子可以部分在植物原料內(nèi)進(jìn)行合成，用生物轉(zhuǎn)化或高度專門化的生物/化學(xué)工藝進(jìn)行分離。為了繼續(xù)應(yīng)用化石燃料生產(chǎn)專門產(chǎn)品，需要進(jìn)行研究開發(fā)，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(yè)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(jù)消費者的意愿和需求發(fā)生變化。材料科學(xué)將繼續(xù)發(fā)展，市場銷售者將繼續(xù)設(shè)計新的消費品，塑料的未來變化難以預(yù)料。能作為新工業(yè)發(fā)展平臺基礎(chǔ)的新分子將會很多，物理與化學(xué)科學(xué)與生物工程材料結(jié)合將產(chǎn)生新的領(lǐng)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(chǔ)原料的渠道，支持社會基礎(chǔ)設(shè)施。開發(fā)和拓寬其可能性，需要先進(jìn)的技術(shù)，這將是未來新領(lǐng)域。

生物技術(shù)的潛在影響及實施“設(shè)想”的工作途徑

生物技術(shù)的潛在影響

對一個新的技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)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(guān)協(xié)會的活動、觀察開發(fā)進(jìn)程、審視所取得的成功進(jìn)展。

90年代初期，許多人對生物技術(shù)將對農(nóng)作物帶來很大變化是持懷疑態(tài)度的。到1996年，轉(zhuǎn)基因作物在產(chǎn)業(yè)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(guān)于新的作物保護(hù)途徑，對保護(hù)植物生產(chǎn)免受病蟲害起了重要作用，對進(jìn)一步了解和掌握如何改進(jìn)植物組分也很重要。

由于管理方面的需要，轉(zhuǎn)基因大田試驗記錄由美國動物和植物健康監(jiān)測服務(wù)中心保存。從記錄中可以看到一些行之有效的轉(zhuǎn)基因改變植物組分的工作正在進(jìn)行之中，試驗范圍也在不斷擴(kuò)大，一些主要的公司如杜邦、孟山都和pioneerhi-bred等都在進(jìn)行。

為了改變植物組分以提高營養(yǎng)價值，改善加工性能，或是為了某些工業(yè)和制藥的應(yīng)用，一些轉(zhuǎn)基因改性品種已經(jīng)進(jìn)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(zhì)形態(tài)操作(typemonipulation)、纖維特性改性、產(chǎn)生抗體、工業(yè)酶生產(chǎn)、二級化合物操作(甾醇，earotenoids等)、新型聚合物生產(chǎn)。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展非常迅速，為植物基材料擴(kuò)大應(yīng)用開辟了新的途徑，使其可以為工業(yè)生產(chǎn)提供分子基礎(chǔ)原料和更為復(fù)雜的分子原料。用植物基原料主產(chǎn)聚合物，制造塑料就是一個成功事例。從a1-coligenenentrophus細(xì)菌的3種基因已經(jīng)能轉(zhuǎn)入植物的1ipid合成中，可以得到polyhydroxybutyrate(聚羥基丁酸酯)，濃度可達(dá)14%。這種生物可降解的熱塑性塑料正在進(jìn)一步開發(fā)，使之可以從黃豆、棉花和油菜籽制備。

在過去50年內(nèi)，通常用的植物培植產(chǎn)率已經(jīng)提高了3倍，根據(jù)農(nóng)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(chǎn)物。高級植物種植要用基因圖譜和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，進(jìn)一步提高食物和飼料生產(chǎn)需要供應(yīng)的植物基原料。

生物技術(shù)對植物基原料已經(jīng)產(chǎn)生革命性的影響。但是，用生物技術(shù)來改變植物，使之適合烴類經(jīng)濟(jì)需要，并不是一條最佳途徑。這就需要進(jìn)一步弄清什么是工業(yè)鏈需要的因素，而這些因素又是能在未來轉(zhuǎn)基因植物基可再生資源中具有最大的優(yōu)勢。

實施“設(shè)想”的工作途徑

要成功實施美國可再生資源開發(fā)利用的戰(zhàn)略設(shè)想(以下簡稱“設(shè)想”)中所提出的大綱，需要將研究、開發(fā)、工業(yè)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(yīng)“設(shè)想”的多學(xué)科計劃以及各個項目的協(xié)作都要求有一共同的目標(biāo)，向前沿技術(shù)邁進(jìn)。應(yīng)用改進(jìn)的化學(xué)工藝加工現(xiàn)有的農(nóng)作物，包括集成運用生物工藝，可以納入短期計劃之內(nèi)，從當(dāng)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(dāng)前的烴類化學(xué)，結(jié)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(nèi)實施并產(chǎn)生影響。上述兩個熱點都是當(dāng)前在研究中進(jìn)行投資，在不同期限內(nèi)可以取得回報。

如果在這些領(lǐng)域內(nèi)取得成功，在工業(yè)應(yīng)用上就可以有了一個可行的堅實科學(xué)基礎(chǔ)。新鮮作物應(yīng)用開發(fā)將被看作是一個降低這些系統(tǒng)成本的一種機(jī)制，或是改善供應(yīng)狀況(數(shù)量和質(zhì)量)，滿足工業(yè)發(fā)展需要。

當(dāng)審視植物基可再生資源的前景時，可以看到供應(yīng)鏈本身包含著許多重大課題。不同物種發(fā)展有各自的地理優(yōu)勢，可以形成專門原料的加工中心，包括進(jìn)入國內(nèi)和國外兩個市場。對轉(zhuǎn)基因作物的鑒別保護(hù)機(jī)制仍在變化，植物基可再生資源上的這些系統(tǒng)都需要進(jìn)一步研究。

本“設(shè)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(xiàn)。下一階段就要進(jìn)行各方的協(xié)調(diào)工作，使多方面的投資者能有一個投入的基礎(chǔ)，針對“設(shè)想”提出的目標(biāo)進(jìn)行開發(fā)工作。該規(guī)劃要訂出各項目計劃，通過研究和開發(fā)來支持“設(shè)想”中提出的方向性指標(biāo)。各計劃項目要符合下列一個或幾個方面的要求。

優(yōu)化生物質(zhì)和農(nóng)作物基原料生產(chǎn)，達(dá)到計劃應(yīng)用要求狀況。

為植物基原料的供應(yīng)鏈提出裝置、地點、貯運和分銷措施，包括加強農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的機(jī)制。

加速發(fā)展基于改性化學(xué)和生物工藝的新工藝，同時考慮利用植物/農(nóng)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(chǎn)生影響的項目，或是多學(xué)科項目等將給以優(yōu)先和優(yōu)惠待遇。投資項目選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮時間要求和潛在影響的大小來確定。

植物/農(nóng)作物基可再生資源對工業(yè)基礎(chǔ)原產(chǎn)的需求增長是一個戰(zhàn)略性措施，也是使美國在21世紀(jì)繼續(xù)保持領(lǐng)先地位的戰(zhàn)略性選擇。開發(fā)基礎(chǔ)資源具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會方面的好處。機(jī)遇是明確的，考慮未來的設(shè)想是需要的，要聯(lián)合投資者對新途徑進(jìn)行投資，才能創(chuàng)造一個安全的未來。

“設(shè)想”文本中不止一處引用達(dá)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(yīng)變化的”。

2020年可再生資源應(yīng)用將增加五倍

《植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想實施的技術(shù)指南》(以下簡稱“技術(shù)指南”)，是《植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想》(以下簡稱“設(shè)想”)的補充，提出的目的是：支持“設(shè)想”方向，確定發(fā)展中的主要障礙和問題，確定優(yōu)先的研究領(lǐng)域。

要達(dá)到上述目的需要進(jìn)行協(xié)調(diào)觀念開發(fā)，收集專家證明，組織多學(xué)科研討會、聽證會，優(yōu)勢排隊試驗和團(tuán)隊行動計劃等多項工作。在“技術(shù)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(guān)部門不同行業(yè)的專家。專家們就全球性問題提出“設(shè)想”，針對“設(shè)想”結(jié)合現(xiàn)實狀況提出存在的主要障礙與問題，再確定研究與開發(fā)領(lǐng)域，從而找出優(yōu)先研究開發(fā)的課題。這些課題所屬領(lǐng)域都是能為利用可再生資源實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展起最大杠桿作用的研究領(lǐng)域。通過參加“技術(shù)指南”研究和編制的專家的專業(yè)情況反映出在化工制造中應(yīng)用生物基原料需要涉及多門學(xué)科。但是有3個產(chǎn)業(yè)是中心，即化學(xué)、生物和農(nóng)業(yè)，每個產(chǎn)業(yè)都涉及幾門不同的學(xué)科，如農(nóng)業(yè)，林業(yè)和石油化學(xué)。

1、農(nóng)業(yè)和林業(yè)

農(nóng)業(yè)：是一個廣泛的概念，包括谷物生產(chǎn)、林地和牧場等。這些土地上生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品和林產(chǎn)品一起構(gòu)成生物基材料，它們通過太陽能，大氣中的co2和土壤中養(yǎng)分進(jìn)行原始生產(chǎn)而成為可再生資源。美國擁有大量優(yōu)良土地，豐富的自然水資源和先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，通過資源保護(hù)和利用，每年可產(chǎn)生可再生資源的巨大財富。林業(yè)：在美國有超過6.5億英畝（1英畝=4046.24平方米）的森林，從業(yè)人口140萬，每年生產(chǎn)價值2000億美元產(chǎn)品。過去10年內(nèi)，紙張部門的增長比木材業(yè)快。木材和紙產(chǎn)品回收循環(huán)利用率高，每年有約4000萬t紙再生利用。美國的林業(yè)已經(jīng)制定出2020年發(fā)展設(shè)想以及相應(yīng)的研究計劃。該設(shè)想呼吁進(jìn)行研究，用先進(jìn)的生物和遙感技術(shù)以及樹木生理學(xué)和土壤科學(xué)等理論。

農(nóng)業(yè)和林業(yè)通過應(yīng)用基因?qū)W技術(shù)和轉(zhuǎn)基因植物等新手段將會出現(xiàn)大的躍進(jìn)。在不久的將來，可生產(chǎn)出大數(shù)量和高質(zhì)量的作物。除了飼料和食品，還可以為工業(yè)部門提供原材料。而且還可以引入某些酶標(biāo)記基因，可能會在植物體內(nèi)制造完全新型的聚合物，并可大量生產(chǎn)，成為經(jīng)濟(jì)的消費用品。

美國將技術(shù)進(jìn)展應(yīng)用于植物和農(nóng)作物的調(diào)整，使其在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和制造業(yè)中保持可持續(xù)發(fā)展的領(lǐng)先地位起著主要作用。國家的未來明顯地要依靠近期開發(fā)可再生資源基礎(chǔ)的研究來支持。

2、石油化工業(yè)

化學(xué)、工程學(xué)、物理學(xué)和地理學(xué)等幾門學(xué)科在石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用，對人們生活產(chǎn)生的影響是50年前難以想像的。石油化學(xué)工業(yè)成功地創(chuàng)造了眾多產(chǎn)品，從高性能的噴氣發(fā)動機(jī)燃料到基礎(chǔ)化學(xué)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(xué)工業(yè)：是資本密集型工業(yè)，已經(jīng)建立了可觀的基礎(chǔ)設(shè)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(shù)是作為燃料型產(chǎn)品，用于化工及其他工業(yè)基礎(chǔ)原料生產(chǎn)，每天約為260萬桶油短類原料。

近年來，工業(yè)化學(xué)品和塑料生產(chǎn)都有巨大的增長。塑料工業(yè)從業(yè)人員120萬人，有20000套生產(chǎn)加工裝置，過去在研究開發(fā)上花費以10億美元數(shù)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(nèi)。世界原油生產(chǎn)已經(jīng)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(dāng)供應(yīng)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(fā)現(xiàn)及應(yīng)用，在20年內(nèi)原油產(chǎn)量可能會有所增加。但是，必須注意美國一直是原油進(jìn)口國，50%原油靠進(jìn)口。如果原油進(jìn)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(jìn)口水平而不增加，也只能使用28年。當(dāng)然，將會有新的改進(jìn)的抽提技術(shù)，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(xué)品，要從現(xiàn)在開始，由少量到大量逐步進(jìn)行，有關(guān)研究工作要立即開始。不考慮化石原料供應(yīng)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(xù)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(fā)可再生資源作為工業(yè)原料都是十分重要的。

“設(shè)想”中提出的指標(biāo)是“2020年基礎(chǔ)化學(xué)品至少有10%來自植物衍生可再生資源，隨著發(fā)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(biāo)是按當(dāng)時的生產(chǎn)總量計算，也比當(dāng)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(biāo)也要翻番。

換言之，不能期望可再生資源在不變的需求環(huán)境下能完全取代烴類資源，而只有當(dāng)消費產(chǎn)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(biāo)可以是：可再生資源應(yīng)用使化石燃料能穩(wěn)定地維持現(xiàn)在的消費水平。按此指標(biāo)可以形成以下的觀念：

由于不是一個競爭替代戰(zhàn)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(biāo)的支持和研究完全與長期目標(biāo)保持一致，這些方向性指標(biāo)，非常清楚地表明面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，需要從現(xiàn)在就采取行動，應(yīng)當(dāng)開始建立通向擴(kuò)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(chǔ)指標(biāo)外，其他一些相關(guān)的指標(biāo)也是很重要的，包括：

建立系統(tǒng)，通過加強經(jīng)濟(jì)可靠性的基礎(chǔ)設(shè)施支持，將供應(yīng)、制造和分銷等活動集成起來。

通過功能基因?qū)W來提高對植物新陳代謝的理解，優(yōu)化對專門的增值加工工藝的設(shè)計和應(yīng)用，除應(yīng)用現(xiàn)有的組分外，要開拓新型聚合物生產(chǎn)和應(yīng)用。要保證開發(fā)的新工藝過程的效率高于95%，同時應(yīng)用伴生工藝，應(yīng)用所有副產(chǎn)物，消除廢料，保證新的平臺能在特殊的環(huán)境條件下堅持目標(biāo)方向?qū)Υ_定目標(biāo)與研究指標(biāo)要反復(fù)交叉檢驗，使其能堅持可再生燃料/能源需要的目標(biāo)。

在生產(chǎn)和分銷中要開發(fā)保持穩(wěn)定供應(yīng)的途徑，在年生產(chǎn)一定范圍基礎(chǔ)上控制一些因素，如價格、數(shù)量、性能、地區(qū)分布、質(zhì)量等。同時要制定提出這些因素的標(biāo)準(zhǔn)。

建立進(jìn)一步合作伙伴關(guān)系，改進(jìn)綜合集成，通過加強農(nóng)村發(fā)展來支持取得成功。

“設(shè)想”的目標(biāo)要實現(xiàn)，主要要使本“技術(shù)指南”中所列出的目的大綱都能達(dá)到?；蚋男灾参锷a(chǎn)專門的代謝產(chǎn)品和開發(fā)補充性的化學(xué)改性產(chǎn)品取得成效就可以達(dá)到2020年可再生資源應(yīng)用增加5倍的目標(biāo)。這些進(jìn)展也將為2020年以后的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

可再生資源應(yīng)用技術(shù)和市場的障礙及問題

將可再生資源制成消費產(chǎn)品的整個系統(tǒng)中有許多障礙和問題，其中關(guān)鍵和問題是：

植物科學(xué)方面：基因?qū)W、酶、新陳代謝和組分。

生產(chǎn)方面：單位成本、收率、持續(xù)性、基礎(chǔ)設(shè)計、植物設(shè)計。

加工方面：經(jīng)濟(jì)學(xué)、分離、轉(zhuǎn)化、生物催化、基礎(chǔ)設(shè)施。

應(yīng)用方面(由技術(shù)和材料驅(qū)動的問題)：經(jīng)濟(jì)學(xué)、功能性、性能、新用途。

應(yīng)用方面(由市場和需求驅(qū)動的問題)：價格性能比、性能、知覺、市場開發(fā)。

現(xiàn)將上述關(guān)鍵和問題擇要分別介紹于下。

一、關(guān)于應(yīng)用方面（材料驅(qū)動問題）

1、經(jīng)濟(jì)學(xué)

單位成本是當(dāng)前植物衍生材料使用的主要障礙，也是經(jīng)常引起爭論的一個問題，問題的核心是競爭性成本狀態(tài)。在多數(shù)情況下，應(yīng)用植物基原料的成本都比較高，難以與以烴類原料為基礎(chǔ)的加工工藝競爭。但是，成本競爭情況有幾個非常復(fù)雜的因素互相影響，諸如產(chǎn)品價值、材料成本、產(chǎn)量、需要加工程度以及所用基礎(chǔ)原料的性能等。因此如果未來的戰(zhàn)略只考慮降低本是不會成功的。最重要的經(jīng)濟(jì)推動因素不是成本本身，而是制得的產(chǎn)品和制造費用的差價(即增值)。

產(chǎn)品價格是諸多因素的函數(shù)，諸如產(chǎn)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(yīng)的持續(xù)性、加工、廢料處理費用和投資等諸因素影響，要符合當(dāng)前的具有競爭性的通用化學(xué)品工業(yè)的低成本需要。但是，從長遠(yuǎn)考慮，只進(jìn)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(yù)測的。

在當(dāng)前情況下，用烴類原料生產(chǎn)消費型產(chǎn)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(jīng)研究了100年，有了3代科學(xué)家，政府投入了大量資源才使之達(dá)到今日的水平。與之相比，植物基材料應(yīng)用尚處于較低的水平，開拓植物基原料應(yīng)用來適應(yīng)已臻成熟的烴類加工需要并不是一條唯一的道路，目前應(yīng)用數(shù)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(jìn)行技術(shù)開發(fā)，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(jìn)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(fù)雜的分子和聚合物。植物中已經(jīng)含有不同形態(tài)的聚合物，可以在許多產(chǎn)品中應(yīng)用。但是，在現(xiàn)在加工系統(tǒng)中尚無大量應(yīng)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(jīng)由植物衍生的蛋白質(zhì)聚合物研制出塑料薄膜的試驗產(chǎn)品，顯示出其應(yīng)用的潛力。而且，植物擁有立體化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(chǔ)原料的反應(yīng)性和功能性尚不夠了解，因此限制了新應(yīng)用思路的產(chǎn)生。

二、關(guān)于應(yīng)用方面（需求驅(qū)動問題）

1、市場開發(fā)的費用

植物衍生材料應(yīng)用的一個關(guān)鍵是市場開發(fā)費用高。正如許多新產(chǎn)品市場一樣，新產(chǎn)品的研究往往是由小公司開始的，它們投資不足，缺乏繼續(xù)發(fā)展的資源，常常只停留在試驗階段。工業(yè)化的成功率低，由于沒有一定的供應(yīng)量而常使產(chǎn)品衰落。因此，需要大力改進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)和支持機(jī)制，而且要進(jìn)行與產(chǎn)品相關(guān)的市場開發(fā)，這是擴(kuò)大利用可再生資源的主要工作。目前市場上應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)都是基于石化產(chǎn)品，沒有適應(yīng)生物基產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，這也是要成功地與石化產(chǎn)品競爭的另一障礙。

2、認(rèn)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(dāng)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(yōu)化。雖然公眾環(huán)境意識增強，但是對植物基產(chǎn)品需求尚不足以創(chuàng)造市場來拉動技術(shù)開發(fā)。因此，當(dāng)前可再生資源的進(jìn)展主要是基于技術(shù)推動的結(jié)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(jīng)濟(jì)傾斜途徑，現(xiàn)狀是難以改變的。

三、加工問題

1、基礎(chǔ)設(shè)施中分銷問題

多年來石油化學(xué)工業(yè)已經(jīng)建立了加工和分銷烴類基礎(chǔ)產(chǎn)品的有效基礎(chǔ)設(shè)施。由于依賴進(jìn)口原油，美國的多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施是建設(shè)在海岸線上。因此，許多現(xiàn)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(jìn)行加工，它們最好接近于供應(yīng)地。要應(yīng)用大量植物原料就需要進(jìn)一步將供應(yīng)和加工制造集成起來。應(yīng)當(dāng)開拓確立農(nóng)村發(fā)展優(yōu)勢和重點的戰(zhàn)略和措施，更好地鼓勵多用可再生資源。

2、分離技術(shù)

應(yīng)用植物于工業(yè)用途的一個關(guān)鍵是缺少植物組分的分離技術(shù)。樹木具有非常復(fù)雜的成分如木質(zhì)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(shù)農(nóng)作物收獲品是種子，它們含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、油分和數(shù)萬種其他組分。通常對許多谷物發(fā)芽和生長都能進(jìn)行良好的安排，而對其作為原料進(jìn)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(jīng)開發(fā)，但如何將專門形態(tài)的蛋白質(zhì)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(shù)困難，這是應(yīng)當(dāng)要解決的問題。將反應(yīng)與分離集成起來的加工系統(tǒng)(如催化蒸餾)可能是一個解決問題的方向。但是此類系統(tǒng)目前應(yīng)用有限。而且還未被開發(fā)作為植物基原料方面的應(yīng)用。通過引入某些基因而使植物增加新的組分，就更需要應(yīng)用先進(jìn)的分離技術(shù)來回收有意義的新組分。例如生物聚合物開發(fā)中目前就因缺少高效純凈的經(jīng)濟(jì)上可行的分餾工藝技術(shù)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(chǎn)品的特性和質(zhì)量。

3、轉(zhuǎn)換技術(shù)

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(zhuǎn)換成較為簡單的分子，這才可以進(jìn)行進(jìn)一步反應(yīng)。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(jìn)行回收。

知識不足是另一關(guān)鍵，目前人們尚缺乏關(guān)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(gòu)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(yīng)用。發(fā)酵是用來將某些農(nóng)作物轉(zhuǎn)化為各種產(chǎn)品的工藝，轉(zhuǎn)化是非均相的。所用的轉(zhuǎn)化方式，副產(chǎn)利用和分離等方面仍有許多有待改進(jìn)之處。一般地說，植物系統(tǒng)的復(fù)雜化學(xué)問題使新型或改進(jìn)植物基加工工藝的設(shè)計較為困難。烴類化學(xué)制造中有豐富的氧化化學(xué)知識，還原化學(xué)方面較少，這些都是植物系統(tǒng)加工所需要的。目前特別缺少關(guān)于還原生物催化劑共生因子系統(tǒng)方面的實踐知識。

植物原料加工工藝開發(fā)的另一個大的障礙是當(dāng)前缺乏有關(guān)的教育培訓(xùn)。目前化學(xué)工程課程中只有少數(shù)涉及生物化學(xué)課題，多數(shù)畢業(yè)生成為化學(xué)工程師只擁有非?；A(chǔ)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(xué)家和工程師的培訓(xùn)重點都是烴類化學(xué)，考慮植物基可再生資源加工需要很少。

四、生產(chǎn)方面

1、收率、持續(xù)性和基礎(chǔ)設(shè)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(guān)注未來的供應(yīng)分銷而不是現(xiàn)實存在的問題。但是，這些對實現(xiàn)可再生資源的目標(biāo)都是十分重要的。在供應(yīng)的持續(xù)性方面，數(shù)量和質(zhì)量都是未知數(shù)。如果植物基原料能加工成簡單的碳分子，其持續(xù)性問題就不成關(guān)鍵。但是如果要設(shè)計應(yīng)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(zhì)量和數(shù)量的穩(wěn)定性就非常重要。

在一些情況下，供應(yīng)持續(xù)性中的不確定因素實際上就是風(fēng)險管理的內(nèi)容。未來的石油化工供應(yīng)問題和可再生資源供應(yīng)問題都有風(fēng)險。對石油化工來說，未來的供應(yīng)不桷定因素可能因世界上一些區(qū)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(qū)因素。如果某些專門植物不能大量生產(chǎn)可能導(dǎo)致貿(mào)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(chǔ)設(shè)施來保證經(jīng)濟(jì)可靠性。另一個沖擊供應(yīng)持續(xù)性的不確定因素是未來的農(nóng)作物用途是作為食物還是作為工業(yè)原料。一方面是根據(jù)供應(yīng)短缺理論，認(rèn)為農(nóng)業(yè)難以供應(yīng)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(jìn)行工業(yè)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(yè)原料問題的方案。因此，在供應(yīng)方面必須應(yīng)用新技術(shù)，如生物技術(shù)，這樣才能保持產(chǎn)率不斷提高，使農(nóng)業(yè)能達(dá)到一個新的水平。

2、植物設(shè)計、植物科學(xué)、基因?qū)W

轉(zhuǎn)基因技術(shù)已經(jīng)顯示出令人鼓舞的前景，要進(jìn)一步充分利用尚有大量工作有待進(jìn)行。存在的一個主要障礙是對植物本身內(nèi)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(jìn)行設(shè)計。因此，對植物新陳代謝和碳流的知識匱乏是其發(fā)展中的限制因素。

近年來功能基因?qū)W的進(jìn)展有望促進(jìn)對材料合成設(shè)計的理解。但是這門科學(xué)目前剛開始，與類似的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相比所取得的支持還是很有限的?；蜣D(zhuǎn)變中的另一成就是讓更多的專用基因嵌入和對質(zhì)體以及細(xì)胞核的常規(guī)轉(zhuǎn)變。在植物變化、基因?qū)W和生物信息等方面有著廣泛的研究項目，但是將這些出現(xiàn)的新技術(shù)應(yīng)用于可再生資源的專門研究則很少。

要使科學(xué)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(xué)科的研究。但是，需要努力加強和協(xié)調(diào)才能促進(jìn)現(xiàn)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(nèi)含聚合物的功能性以及分離工程等研究相結(jié)合。

研究和開發(fā)的課題

《美國植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想的技術(shù)指南》(以下簡稱“技術(shù)指南“)列出為解決植物/農(nóng)作物基可再生資源利用中的主要障礙應(yīng)當(dāng)進(jìn)行研究開發(fā)的課題?！凹夹g(shù)指南”按4個主要方面的障礙依重要性大小列出研究開發(fā)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(biāo)的達(dá)到可用以衡量面向2020年可再生資源開發(fā)利用設(shè)想的前進(jìn)步伐。

一、植物科學(xué)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(yīng)用功能基因?qū)W了解植物新陳代謝和組成，至少要與1種主要農(nóng)作物基因計劃結(jié)合；

(2)開發(fā)能實時進(jìn)行植物組分的定量分析工具；

(3)改進(jìn)轉(zhuǎn)基因方法，特別是對麥桿基因的專門嵌入，要在1998年基礎(chǔ)上提高效益10倍；

(4)開發(fā)1—2種主要農(nóng)作物的基因標(biāo)記系列，使之有助于擺在有用的可再生組件含量；

(5)將80%現(xiàn)有的germplasmbase進(jìn)行編目，有效利用各類淀粉、蛋白質(zhì)和油分；

(6)找尋發(fā)展中的生物信息學(xué)利用途徑，推動可再生資源的研究和開發(fā)，

(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(guān)鍵步驟；

(2)利用功能基因?qū)W弄清分子、細(xì)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(biāo)準(zhǔn)；

(4)在2種植物中，建立碳庫并為細(xì)胞分割確定控制點；

(5)在plastid轉(zhuǎn)變中高效率(大于90%)方法的建立；

(6)創(chuàng)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(guān)的方法；

(8)建立為植物可再生資源利用的生物信息學(xué)基礎(chǔ)。

3、長期影響課題

(1)重新設(shè)計新陳代謝過程，提供有用的碳結(jié)構(gòu)骨架；

(2)應(yīng)用有針對性進(jìn)化技術(shù)建立100個未來原料的品種庫；

(3)設(shè)計新型分子或改性現(xiàn)有化合物，使之適應(yīng)于功能需要；

(4)為提供工業(yè)用原料，創(chuàng)制2種新植物種類；

(5)利用簡單的細(xì)胞組織進(jìn)行成本和能源效率評價；

(6)利用計算機(jī)技術(shù)設(shè)計植物組分。

二、生產(chǎn)研究方面

1、近期影響課題

(1)提高畝產(chǎn)量10%~15%以降低原材料單位成本；

(2)改善農(nóng)業(yè)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(zhì)量的因素；

(4)對至少10種具有潛力的系統(tǒng)和植物類型的畝產(chǎn)效率進(jìn)行定標(biāo)趕超（如主要農(nóng)作物、林業(yè)和多年生種類等）；

(5)調(diào)節(jié)氣候條件對生產(chǎn)的影響；

(6)每年對2種農(nóng)作物的潛力進(jìn)行評價或用其他方法評價畝產(chǎn)量；

(7)提高當(dāng)前農(nóng)業(yè)加工中廢料利用率5倍；

(8)在單位投入基礎(chǔ)上提高貧瘠土地產(chǎn)量2倍。

2、中期影響課題

(1)提高產(chǎn)量，使單位投入的碳產(chǎn)出為1998年基礎(chǔ)上的2倍；

(2)為長期可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)盡量減小土地、大氣和水利用影響的系統(tǒng)方法；

(3)對收獲產(chǎn)物和主要植物成分建立標(biāo)準(zhǔn)；

(4)專門設(shè)計收獲裝備，盡量增大碳的收獲；

(5)開發(fā)新的利用方法，使現(xiàn)在遺留在土地上的農(nóng)作物45%能得到利用，

(6)培育適應(yīng)專門土地和土壤的農(nóng)作物；

(7)建立農(nóng)業(yè)信息學(xué)基礎(chǔ)，重點是不同來源的可再生資源植物類型、生產(chǎn)價值、質(zhì)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(xiàn)在植物/農(nóng)作物生產(chǎn)中消除碳的廢料；

(3)設(shè)計新的農(nóng)作物/植物生長系統(tǒng)，優(yōu)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(jìn)行設(shè)計；

(6)對連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和評價。

三、加工研究方面

1、近期影響課題

(1)改進(jìn)分離技術(shù)，處理大于95%的非均—植物材料；

(2)改進(jìn)單體基礎(chǔ)原料變換的生物催化劑；

(3)開發(fā)3種具有高選擇性的快速反應(yīng)強力催化劑；

(4)為將植物聚合物轉(zhuǎn)換為有用的單體，找出新型和性能優(yōu)良的酶(具有10倍活性)并進(jìn)行評價；

(5)將微生物進(jìn)行工程化，改善非均—植物的發(fā)酵；

(6)提高廢物利用率2倍；

(7)開發(fā)高效的除水技術(shù)并對改進(jìn)的非水溶劑反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行評價；

(8)在植物材料中利用天然立體化學(xué)方法的評價。

2、中期影響課題

(1)應(yīng)用5種以上高級分離系統(tǒng)(如自行清凈膜、離子交換、精餾等)；

(2)為經(jīng)濟(jì)捕集植物單體和聚合物開發(fā)改進(jìn)的分離——純化技術(shù)；

(3)為2種以上植物類型建立經(jīng)濟(jì)共生系統(tǒng)；

(4)通過分子進(jìn)化技術(shù)設(shè)計并創(chuàng)制50種新型酶；

(5)開發(fā)100種以上具有性能成本特性的新型酶庫；

(6)研究反應(yīng)性分級系統(tǒng)；

(7)對微生物、酶和化學(xué)品庫的性能建立信息學(xué)基礎(chǔ)，用于特殊的轉(zhuǎn)化。

3、長期影響課題

(1)實現(xiàn)原料加工中無廢料的多種產(chǎn)出的連續(xù)工藝；

(2)為改性植物和組分設(shè)計新設(shè)備；

(3)為3種以上新產(chǎn)品(如將工程化酶轉(zhuǎn)入植物并在收獲中得到活化)設(shè)計新機(jī)制；

(4)固態(tài)酶轉(zhuǎn)化；

(5)設(shè)計14種化學(xué)與生物結(jié)合型反應(yīng)器；

(6)評價植物組分在分離前相內(nèi)的作用。

四、應(yīng)用和基礎(chǔ)設(shè)施研究方面

1、近期影響課題

(3)探求3種在現(xiàn)有加工裝置(如玉米濕法加工廠、紙漿廠)上擴(kuò)大應(yīng)用植物原料的機(jī)遇；

(4)分析測量系統(tǒng)，對90%以上的主要植物組分進(jìn)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(tǒng)及成本；

(7)計算出100%年加工貯存量和投人產(chǎn)出的需求量；

(8)創(chuàng)建基礎(chǔ)設(shè)施，擴(kuò)大利用農(nóng)業(yè)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(jié)構(gòu)與功能關(guān)系知識；

(2)開發(fā)對高質(zhì)量原材料的100%鑒別保護(hù)系統(tǒng)；

(3)為價值驅(qū)動的生產(chǎn)和定貨實現(xiàn)營銷系統(tǒng)；

(4)對在同一地點的多目的利用區(qū)的協(xié)同作用進(jìn)行評價；

(5)對原材料組分和加工過程中的中間產(chǎn)物實現(xiàn)實時定量分析手段(小于3分鐘/試樣)；

(6)開發(fā)生產(chǎn)預(yù)測手段，準(zhǔn)確性大于95%；

(7)在一組植物原料性能基礎(chǔ)上建立信息學(xué)基礎(chǔ)，如單位成本、性能、功能性、最佳來源、應(yīng)用范圍等。

3、長期影響課題

(1)所需功能進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計制備植物化合物至少10種；

(2)在植物生產(chǎn)區(qū)內(nèi)開發(fā)至少5個制造利用中心；

(3)開發(fā)3種以上有新功能的新材料；

(4)提出擴(kuò)大利用可再生資源所需的教育培訓(xùn)需求；

(5)在植物組分功能間協(xié)同作用的利用；

(6)設(shè)計最終產(chǎn)品的貯存和運輸，使之到達(dá)銷售中心和出口；

(7)為供需關(guān)系的控制創(chuàng)建減輕超過90%風(fēng)險的戰(zhàn)略。

當(dāng)前，美國有一些項目已在進(jìn)行，可視為工業(yè)原料中應(yīng)用可再生資源的先驅(qū)，也可視為本“技術(shù)指南”中研究項目的示范事例。其一是在轉(zhuǎn)基因植物開發(fā)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(dāng)?shù)募?xì)菌基因進(jìn)行轉(zhuǎn)化并弄清植物內(nèi)在的新陳代謝路徑，從而構(gòu)成制備方法?，F(xiàn)在正在進(jìn)行分離、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)等項工作。

其二是用玉米淀粉作原料，通過酶反應(yīng)制備聚乳酸(pla)。cargi11-dow合資企業(yè)已在充分研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步投資數(shù)百萬美元建立制造裝置進(jìn)行工業(yè)開發(fā)。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(fā)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(guī)格品種。pla具有聚苯乙烯、聚烯烴和纖維素的功能性。

協(xié)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(xué)科和跨行業(yè)途徑。在許多領(lǐng)域內(nèi)的研究成就都提供了發(fā)展機(jī)遇，如生物聚合物、立體結(jié)構(gòu)型分子、新型酶、新材料和轉(zhuǎn)基因設(shè)計等。但是每個方面內(nèi)的任何進(jìn)展如果只當(dāng)作孤立的技術(shù)領(lǐng)域是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要更有力的相關(guān)研究計劃，采取平行的和協(xié)調(diào)的方式進(jìn)行工作，才能取得成果。

要取得有效益的進(jìn)展必須采取多學(xué)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(shù)能力。因此，對研究提供的支持應(yīng)當(dāng)是多方面的，而且要在跨行業(yè)的系統(tǒng)中進(jìn)行。

“植物/農(nóng)作物基可再生資源2020年設(shè)想”(以下簡稱“設(shè)想”)中提出的要求需將重點瞄準(zhǔn)有限的熱點目標(biāo)同步取得進(jìn)展。對于研究工作則需要有準(zhǔn)確的時間表和系統(tǒng)中各方面的廣泛交流，所有這些都要走相互協(xié)同的道路。例如，一位科學(xué)家可能發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)幕颉⑿玛惔x過程可靠性、:最佳作物類型是否能有足夠的產(chǎn)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(chǎn)品的方法等。所有這些因素都需通過研究和開發(fā)才能取得相應(yīng)的進(jìn)展。進(jìn)行這些研究開發(fā)要采取最佳途徑保證研究成果關(guān)鍵的目標(biāo)互相協(xié)調(diào)、平行地進(jìn)行，此途徑要鼓勵私營部門的參與。

當(dāng)前，植物和農(nóng)作物作為生物質(zhì)和原料已被應(yīng)用，諸如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪酸和異戊二烯化合物。林業(yè)主要是為紙漿和造紙?zhí)峁┰?。黃豆則是用于油墨和涂料。玉米通過濕法加工發(fā)酵工藝已經(jīng)進(jìn)入幾個工業(yè)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(nóng)作物生成有功能需要的材料，從而顯示出新的發(fā)展機(jī)遇。

“技術(shù)指南”已經(jīng)突出了未來取得進(jìn)展的途徑，而且確定了系統(tǒng)的各個組成部分的目標(biāo)。成功地達(dá)到這些目標(biāo)就可實現(xiàn)“設(shè)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(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。按“技術(shù)指南”目標(biāo)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(dāng)前進(jìn)行研究將為今后的產(chǎn)品選擇提供機(jī)會?？稍偕Y源需要將注意焦點放在以下幾個方面：發(fā)展方向、最佳科學(xué)思維的應(yīng)用、最先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和最高級智能水平的繼續(xù)研究等。本“技術(shù)指南”已經(jīng)提出了需求和研究開發(fā)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(zhàn)略。而且也選出了需要優(yōu)先支持的領(lǐng)域，它們都是從幾個已經(jīng)確定的科學(xué)研究和工業(yè)開發(fā)需求中選擇出來的，而且考慮了在高級可再生資源的關(guān)鍵部門有最大的投資回報。

未來世界許多方面都會延續(xù)但將發(fā)生變化。幸運的是我們已看見其需求并具有科學(xué)智慧適應(yīng)變化的發(fā)展。美國要保持領(lǐng)先地位就要繼續(xù)采取迅速的行動來滿足擴(kuò)大利用可持續(xù)發(fā)展的可再生資源的需求。不斷的科學(xué)突破和技術(shù)進(jìn)步(正如“技術(shù)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(zhàn)。這些挑戰(zhàn)正在我們面前，我們面臨的挑戰(zhàn)是為滿足人們對產(chǎn)品不斷增長的需求。

“技術(shù)指南”中從兩個方面表明多學(xué)科和跨部門的研究開發(fā)對實現(xiàn)“設(shè)想”的重要性：

一是植物的投人，同時要考慮廢料和副產(chǎn)物利用、改性基因?qū)W的應(yīng)用。

可再生資源回收前景范文第2篇

關(guān)鍵詞：環(huán)保建材 綠色建筑 重要任務(wù)

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(huán)境綠化?？偟恼f來，綠色建筑是以節(jié)能、環(huán)保、無害、舒適為目標(biāo)，以綠色設(shè)計和綠色施工為手段，有效利用自然資源.達(dá)到建筑與環(huán)境和諧的新型建筑。為此.在綠色建筑

的設(shè)計與施工過程中.首先要考慮建筑物與環(huán)境的協(xié)調(diào)―致性與自然

的協(xié)調(diào)、統(tǒng)一性；其次，在綠色建筑設(shè)計和施工中要充分利用光能、風(fēng)能等自然能源，達(dá)到綠色環(huán)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(chǎn)生過多廢棄物和垃圾。把建筑廢物和垃圾對環(huán)境的污染降低到最小限度。加上對建筑物室內(nèi)的合理布局。運用先進(jìn)的環(huán)保材料進(jìn)行裝飾，為居住者和使用者創(chuàng)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(guān)系

建筑材料是建筑的基礎(chǔ)，又是建筑的靈魂。即使有再開闊的思路， 再玄妙的設(shè)計，建筑也必須通過材料這個載體來實現(xiàn)。

綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)中的“居住環(huán)境保障技術(shù)”、“住宅結(jié)構(gòu)體系 與住宅節(jié)能技術(shù)”、“智能型住宅技術(shù) ”、“室內(nèi)空氣與光環(huán)境保障技術(shù)”、“保溫、隔熱、防水技術(shù)”都與綠色建材有關(guān)。

采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，不用或少用天然資源和能源，大量使用工 農(nóng)業(yè)或城市固態(tài)廢物生產(chǎn)的無毒害、無污染、無放射性，達(dá)到使用周 期后可回收利用，有利于環(huán)境保護(hù)和人體健康的綠色建筑材料，將綠 色建材的研究、生產(chǎn)和各種新的綠色建筑技術(shù)的研究密切結(jié)合起來，成為未來建筑的發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(huán)境污染的作用不言而喻。耐久性好的材料對于能源節(jié)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(nèi)空氣質(zhì)量也起著重要作用，一般來說，耐久性越好的材料導(dǎo)致的室內(nèi)污染越少。

綠色建筑強調(diào)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(xiàn)在使用節(jié)水型建材產(chǎn)品，如使用新型節(jié)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(huán)，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(yè)固體廢棄物如礦渣、粉煤灰等工業(yè)廢渣以及建筑垃圾等制造的建筑材料。發(fā)展新型墻體材料和高性能水泥、高性能混凝土等既具有優(yōu)良性能同時又大幅度節(jié)約資源的建筑材料，發(fā)展輕集料及輕集料混凝土，減少自重，節(jié)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(jīng)加工處理后可作為原料循環(huán)再利用的性能。可再生材料一是可進(jìn)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(tǒng)，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(shè)中大力發(fā)展輕鋼結(jié)構(gòu)體系的原因之一?？梢越到獾牟牧先缒静纳踔良埌?，能很快再次進(jìn)入大自然的物質(zhì)循環(huán).在現(xiàn)代綠色建筑中經(jīng)過技術(shù)處理的紙制品已經(jīng)可以作為承重構(gòu)件而被采用。

四、當(dāng)前建筑材料業(yè)發(fā)展面臨的關(guān)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(yè)―直以來都是高耗能行業(yè)。建筑材料的能源、資源消耗需求與建設(shè)節(jié)約型社會，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的矛盾顯得尤為突出。解決這一矛盾，一定要

依靠科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和良好的節(jié)約環(huán)保理念。只有大力推行節(jié)能、節(jié)電、無害環(huán)保建筑材料，才能保證綠色建筑的實施，只有通過科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，才能從根本上解決這個矛盾。

五.結(jié)語

綠色建材是綠色建筑的基礎(chǔ)，它對綠色建筑的發(fā)展和效果的優(yōu)劣起著重要作用。將綠色建材的研究、生產(chǎn)和高效利用能源技術(shù)和各種新的綠色建筑技術(shù)的研究密切結(jié)合起來是未來建筑的發(fā)展趨勢。

目前國內(nèi)外建筑材料領(lǐng)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(jié)能技術(shù)（空調(diào)節(jié)能、通風(fēng)

節(jié)能、屋頂節(jié)能、墻體節(jié)能等）結(jié)合，可以為綠色建筑的發(fā)展提供廣闊的天地和光明前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪雯，建筑節(jié)能-綠色建筑對亞洲未來發(fā)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(yōu)勢（S）①在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的經(jīng)驗積累和技術(shù)優(yōu)勢.未來的一段時間內(nèi)，我國重點發(fā)展的低碳能源仍將是石油和天然氣，而我國石油工業(yè)在從上游的油氣勘探，中游的管道運輸?shù)较掠蔚氖蜔捴坪突ぎa(chǎn)品的生產(chǎn)銷售都有自己的一套成熟的經(jīng)營體系和得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢.②在節(jié)能減排方面取得了一系列重要進(jìn)展.近幾年來，在全國實施節(jié)能減排的大背景下我國石油工業(yè)更加重視技術(shù)創(chuàng)新，在降低石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)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(guī)油氣資源發(fā)展?jié)摿薮?在石油、天然氣資源短缺以及發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，以頁巖氣、煤層氣為主的非常規(guī)天然氣憑借其資源儲量豐富、碳排放量低等優(yōu)勢迎來了廣闊的發(fā)展前景.我國非常規(guī)天然資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?，如果能盡快對煤炭和石油等傳統(tǒng)能源進(jìn)行有效的替代，將為我國石油工業(yè)帶來新的增長空間.④新能源和可再生能源有著廣闊的發(fā)展前景.新能源和可再生能源如風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿仍谖覈膬α慷挤浅ＸS富，發(fā)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(yīng)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(shù)水平落后，技術(shù)儲備不足，創(chuàng)新能力有限.不斷增加科技研發(fā)投入，提高能源利用效率，開發(fā)清潔能源技術(shù)，大力發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)是低碳經(jīng)濟(jì)的本質(zhì)要求[10].技術(shù)創(chuàng)新是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要推動力，而我國石油工業(yè)整體技術(shù)水平落后，導(dǎo)致非常規(guī)油氣資源和可再生資源開發(fā)進(jìn)程緩慢、節(jié)能減排效果差、能效低等一系列問題.②產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理.石油石化行業(yè)的低碳發(fā)展必然要求加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[11].我國石油工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，存在很多生產(chǎn)工藝落后、生產(chǎn)方式粗放、能耗高、污染嚴(yán)重的中小型煉油廠，嚴(yán)重制約了我國石油工業(yè)的產(chǎn)出效益和低碳化進(jìn)程.③管理水平低下，低碳發(fā)展意識薄弱.我國石油公司在低碳減排制度建設(shè)、低碳理念傳播以及提高全員低碳意識方面遠(yuǎn)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(fā)展政策的落實.④非常規(guī)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(guī)油氣資源雖儲量豐富、勘探開發(fā)程度低，但由于分布不均且地質(zhì)條件復(fù)雜、技術(shù)儲備不足等的限制，勘探開發(fā)難度很大.3）機(jī)會（O）①為天然氣和新能源業(yè)務(wù)帶來發(fā)展機(jī)遇.低碳經(jīng)濟(jì)為天然氣尤其是非常規(guī)油氣資源和可再生資源提供了廣闊的發(fā)展空間，給我國石油工業(yè)帶來了新的經(jīng)濟(jì)增長點，從而實現(xiàn)油氣資源能源對煤炭的有效替代也將改善我國的能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)節(jié)能減排.②促進(jìn)石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變.主要表現(xiàn)在三個方面：首先，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整.低碳經(jīng)濟(jì)對提高能源效率和節(jié)能減排的要求必然會促使我國石油工業(yè)加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，淘汰高能耗、低附加值的工藝和設(shè)備.其次，加快技術(shù)創(chuàng)新.低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然導(dǎo)致以低碳技術(shù)為代表的新技術(shù)、新標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)專利及新技術(shù)貿(mào)易壁壘的出現(xiàn)[12]，必然會促使我國石油工業(yè)在提高能效、開發(fā)新能源、節(jié)能減排等方面的技術(shù)創(chuàng)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(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府在新能源開發(fā)、低碳技術(shù)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(jī)遇.發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)將改變石油石化行業(yè)的國際競爭格局，也將提供更多低碳技術(shù)開發(fā)等方面的國際合作的機(jī)會.4）威脅（T）①肩負(fù)著增加油氣供應(yīng)和降低碳排放的雙重壓力.我國石油工業(yè)既擔(dān)負(fù)著保障油氣供應(yīng)安全的重任，又有著嚴(yán)格的碳排放量限制，如何在加大油氣勘探開發(fā)力度的同時提高能效、實現(xiàn)節(jié)能減排將是現(xiàn)階段擺在我國石油工業(yè)面前的一個難題.②增加了經(jīng)營成本和經(jīng)營風(fēng)險.提高能效、實現(xiàn)節(jié)能減排以及新能源的開發(fā)都需要依靠增加技術(shù)投入來實現(xiàn)，這將大幅增加我國石油工業(yè)的運營成本，進(jìn)而提高運營風(fēng)險.③國際大型石油公司的競爭壓力.發(fā)達(dá)國家的大型石油公司走在低碳發(fā)展的前沿，擁有大量的低碳技術(shù)專利和高附加值的石油、化工產(chǎn)品，這無疑竟給我國石油工業(yè)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(jīng)濟(jì)提供的機(jī)遇獲得蓬勃的發(fā)展，而我國石油工業(yè)在短期內(nèi)仍將延續(xù)以石油、天然氣為主營業(yè)務(wù)的發(fā)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(tǒng)化石能源的市場.

2SWOT－AHP定量模型

低碳經(jīng)濟(jì)下我國石油工業(yè)的優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會和威脅見表1.表1清晰地指出了低碳經(jīng)濟(jì)下我國石油工業(yè)目前的優(yōu)勢與劣勢，顯示了自身資源及外部環(huán)境帶來的發(fā)展機(jī)會，以及面臨的威脅.1）判斷矩陣A的構(gòu)造首先對四個SWOT組中要素進(jìn)行兩兩比較.在比較過程，針對某一準(zhǔn)則Ci中兩個元素Ai和Aj，按照表2標(biāo)度確定其重要性程度值，這樣對于準(zhǔn)則C，n個被比較元素構(gòu)成了一個兩兩比較判斷矩陣.以下以優(yōu)勢組為例，進(jìn)行概述（見表3）.通過大量資料的查閱并參考相關(guān)專家的意見，將專家打分與前人研究成果相結(jié)合將優(yōu)勢、劣勢、機(jī)會、威脅各因素進(jìn)行分值統(tǒng)計，結(jié)果如下：2）權(quán)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(zhàn)略選擇

以總優(yōu)勢力度S、總劣勢力度W、總機(jī)會力度O和總威脅力度T四個變量各為半軸，構(gòu)成四半維坐標(biāo)系.將計算出的變量值在坐標(biāo)系的相應(yīng)半軸上描出（S′、W′、O′、T′），依次連接得到戰(zhàn)略四邊形（圖1）.戰(zhàn)略四邊形的重心坐標(biāo)P（X，Y）的坐標(biāo)為：P（X，Y）=P（∑xi/4，∑yi/4）=（0.081，0.040）.此戰(zhàn)略四邊形就代表低碳經(jīng)濟(jì)下我國石油工業(yè)的戰(zhàn)略地位.

4結(jié)論與建議

可再生資源回收前景范文第4篇

循環(huán)制氫和利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫等, 不僅對各項技術(shù)的基本原理做了介紹, 也對相應(yīng)

的環(huán)境, 經(jīng)濟(jì)和安全問題做了探討. 對可再生氫能系統(tǒng)在香港的應(yīng)用前景做了展望.

關(guān)鍵詞: 可再生能源, 氫能, 電解水, 光伏電池, 太陽能熱化學(xué)循環(huán), 生物質(zhì)

引言

技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(yán)

重的環(huán)境污染, 大量的co2, so2, nox氣體以及其他污染物, 導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的產(chǎn)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(yán)重的能源危機(jī). 據(jù)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(lián)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(nèi)就會耗盡! 而作為能源需求大國的中國, 目前已

經(jīng)有超過31%的石油需要進(jìn)口, 而到2010年, 這一數(shù)字將會增長到45-55%[3]!

基于以上所述環(huán)境污染和能源短缺的雙重危機(jī), 發(fā)展清潔的, 可再生的新能源的

要求越來越迫切. 太陽能, 風(fēng)能, 生物質(zhì), 地?zé)崮? 潮汐能, 具有豐富, 清潔, 可再

生的優(yōu)點, 今年來受到了國際社會的廣泛關(guān)注. 尤其以太陽能, 風(fēng)能以及生物質(zhì)能,

更被視為未來能源的主力軍. 根據(jù)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(dāng)前全球的能量需求[4]. 而中國僅僅依靠風(fēng)力發(fā)電, 就足以

使目前的發(fā)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?shù)奶攸c. 氫, 以其清潔無污染, 高效, 可儲存和運輸?shù)葍?yōu)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(jīng)費用于發(fā)展氫能源系統(tǒng). 在中國, 清

華大學(xué)已經(jīng)進(jìn)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(fēng)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(tǒng)在香港的可行性研究也已經(jīng)在香港大學(xué)機(jī)械工程系展開. 本

文屬于clp資助的項目的部分內(nèi)容, 主要歸納總結(jié)了利用可再生資源制氫技術(shù)的基本原

理, 分析了各項技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性, 對環(huán)境的影響以及安全性等關(guān)鍵問題. 通過對比分析

并結(jié)合香港的實際情況, 對于香港發(fā)展可再生氫能源系統(tǒng)進(jìn)行了展望.

基于經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)換制取.

利用太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動的電解水反應(yīng), 利用太陽能的熱化學(xué)反應(yīng)和利用生物質(zhì)

制氫是最主要的從可再生能源中制取氫的技術(shù). 其他可再生氫的制取技術(shù), 比如生物制

氫, 光電化學(xué)技術(shù), 光催化技術(shù)和光化學(xué)技術(shù), 雖然具備很大發(fā)展前景, 但由于還處于

很早期的發(fā)展階段, 其技術(shù)發(fā)展, 經(jīng)濟(jì)性等都還不明朗, 本文不做詳細(xì)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(zhuǎn)換為氫的技術(shù). 當(dāng)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(chǎn)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(fā)生在陰極和陽極的兩個化學(xué)反應(yīng)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(zhì)和隔膜到達(dá)陰極, 與電子結(jié)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(xiàn)象是在1789 年被觀測到. 之后, 電解水技術(shù)得到了較快的發(fā)展. 到

1902 年, 世界上就已經(jīng)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(zhì)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(jié)和對比了這三

種電解槽技術(shù)的特點.

表1. 不同電解槽技術(shù)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(yè)化的電解槽技術(shù), 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(guī)模制氫工業(yè)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(jīng)提出要禁止石棉

在堿性電解槽中的使用. 據(jù)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(yōu)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(fā)展新的電極材料, 提高催化反應(yīng)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(zhì)子交換膜電解槽由于轉(zhuǎn)換效率很高而成為很有發(fā)展前景的制氫裝置. 由于采用

很薄的固體電解質(zhì)(pem), 具有很好的機(jī)械強度和化學(xué)穩(wěn)定性, 并且歐姆損失較小. 在

日本, 效率達(dá)94.4%的質(zhì)子交換膜電解槽已經(jīng)研制成功 [11]. 但由于質(zhì)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(jìn)一步提高其轉(zhuǎn)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(zhì)子交換膜材料. 目前這個兩個領(lǐng)域都已

經(jīng)取得了一定成效. 印度的電化學(xué)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(zhì)子交換膜電解槽中用

做電解質(zhì). 可以預(yù)見, 隨著質(zhì)子交換膜電解槽技術(shù)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(shù). 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(yōu)點是較高的反應(yīng)溫度

使得電化學(xué)反應(yīng)中,部分電能被熱能代替, 從而效率較高, 尤其是當(dāng)余熱被汽輪機(jī), 制

冷系統(tǒng)等回收利用時, 系統(tǒng)效率可達(dá)90%. 目前的研究重點是尋找在高溫下具有對氧離

子良好導(dǎo)電性的電解質(zhì)材料和適當(dāng)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(qū), 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(zhì), 并且通常電解槽的電極電勢超過了產(chǎn)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(chǎn)生不會受此

影響, 但產(chǎn)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(chǎn)生氧氣, 而抑制氯氣的產(chǎn)生.

ghany 等人[17]用mn1-xmoxo2+x/iro2ti作為電極, 氧氣的生成率達(dá)到了100%, 完全避免

了氯氣的產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生電能, 比如通過光

伏系列和風(fēng)機(jī)發(fā)電, 具有資源豐富, 可再生, 并且整個生命周期影響較小等優(yōu)點, 是

未來的發(fā)展趨勢.

光伏電池在吸收太陽光能量后, 被光子激發(fā)出的自由電子和帶正電的空穴在pn結(jié)

的電場力作用下, 分別集中到n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)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(zhuǎn)換效率

(10-15%), 但成本較貴, 限制了其大規(guī)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(shù), 使用較少的材料, 并且易于批量生產(chǎn), 制作成本大大降低, 目

前的研究方向是進(jìn)一步提高薄膜光伏電池的轉(zhuǎn)換效率[18]. 由于光伏電池產(chǎn)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(tài), 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(yīng)的控制器.

風(fēng)能發(fā)電由于具有較高的能量利用效率和很好的經(jīng)濟(jì)性, 在最近幾年得到了很快

發(fā)展. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用風(fēng)的動能推動發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生交流電. 根據(jù)betz law, 風(fēng)力發(fā)電

的最大效率理論上可達(dá)59% [19]. 在風(fēng)力充足的條件下, 風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模越大, 其經(jīng)濟(jì)

性越好. 因此, 近幾年風(fēng)力發(fā)電朝著大規(guī)模的方向發(fā)展. 另外, 由于海上風(fēng)力較陸地

大, 并且不占陸地面積, 最近也有將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建在海上的趨勢. 風(fēng)能發(fā)電只需交

流-直流轉(zhuǎn)換即可與電解槽相接產(chǎn)氫, 經(jīng)濟(jì)性較好, 目前不少風(fēng)力資源充足的國家都將

風(fēng)能-電解槽系統(tǒng)列為重點發(fā)展的方向.

另外, 地?zé)崮? 波浪能所發(fā)的電都可以作為電解槽的推動力, 但和太陽能與風(fēng)能

一樣, 都受地域的限制.

1.4. 電解水制氫的現(xiàn)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(fā)氫能汽車最為有名的公司. 他們開發(fā)的hesfp系統(tǒng)包括一個能日產(chǎn)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(nèi)燃機(jī)車. 他們用于汽車的

氫能系統(tǒng)能每小時產(chǎn)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(fā)制造商, 他們的es系列利用pem電解槽技術(shù), 可以每小時產(chǎn)氫6-30nm3, 所制氫

的純度可達(dá)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(xiàn),

并且pem電解槽在80oc和1a/cm2的工作條件下, 已經(jīng)以90%的效率連續(xù)工作了超過4000小

時 [11].

1.5. 電解水技術(shù)的環(huán)境, 經(jīng)濟(jì)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(huán)境造成一定的負(fù)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(huán)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(gòu)成嚴(yán)重的危害. pem電解槽使用質(zhì)子

交換膜作為電解質(zhì), 無須隔膜. 但當(dāng)pem電解槽工作溫度較高時(比如150oc), pem將會

發(fā)生分解, 產(chǎn)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(fā)生燃燒甚至爆炸的危險, 需要引起注意.

此外, 電解槽生產(chǎn), 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(dāng)電解槽由光伏電池驅(qū)動時, 光伏電池可能含有有毒物質(zhì)(比如cdte pv), 將帶來

一定的環(huán)境污染和危險性. 尤其當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路出現(xiàn)火情, 有毒物質(zhì)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(shè)計安裝時加

以考慮. 風(fēng)能-電解槽系統(tǒng)和光伏-電解槽系統(tǒng)相比, 則對環(huán)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(shè)計時需要考

慮到臺風(fēng)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(guī)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(dāng)光伏電池和電解水技術(shù)聯(lián)合制氫時, 制氫成本將

達(dá)到約us$41.8/gj(us$5/kg), 而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電和電解水技術(shù)聯(lián)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(xué)循環(huán)制氫

太陽能熱化學(xué)循環(huán)是另一種利用太陽能制取氫燃料的可行技術(shù). 首先, 由太陽能

聚光集熱器收集和匯聚太陽光以產(chǎn)生高溫. 然后由這些高溫推動產(chǎn)氫的化學(xué)反映以制

取氫氣. 目前國內(nèi)外廣泛研究的熱化學(xué)制氫反應(yīng)有: (1) 水的熱分解(thermolysis);

(2) h2s的熱分解和(3) 熱化學(xué)循環(huán)水分解.

2.1. 水的熱分解制氫

由太陽能聚光器產(chǎn)生的高溫可以用于對水進(jìn)行加熱, 直接分解而產(chǎn)生氫氣和氧氣.

反應(yīng)式如(4)

2h2o 2h2 + o2 (4)

在這個反應(yīng)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(dá)到25%, 而當(dāng)溫度達(dá)到2800k時, 則水蒸汽的分解率可達(dá)55%. 可

見提高反應(yīng)溫度, 可以有效產(chǎn)氫量. 然而, 反應(yīng)所需的高溫也帶來了一系列的問題.

由于溫度極高, 給反應(yīng)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(jī)械和熱穩(wěn)定性. zirconia由于其熔點高達(dá)3043k而成為近年來在水

的熱分解反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)可逆, 高溫下氫和氧可能會重新結(jié)合

生成水, 甚至發(fā)生爆炸. 常用的分離方法是通過對生成的混合氣體進(jìn)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(dǎo)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(guān)注.

2.2. h2s的熱分解

h2s是化學(xué)工業(yè)廣泛存在的副產(chǎn)品. 由于其強烈的毒性, 在工業(yè)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(jié)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(zhuǎn)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(yīng)式見(6)

2h2s 2h2 + s2 (6)

該反應(yīng)的轉(zhuǎn)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(jù)報

道, 在溫度1200k,壓力1 bar時, h2s的轉(zhuǎn)化率為14%, 而當(dāng)溫度為1800k, 壓力為0.33bar

時, 轉(zhuǎn)化率可達(dá)70% [24]. 由于反應(yīng)在1000k以上的高溫進(jìn)行, 硫單質(zhì)呈氣態(tài), 需要與氫

氣進(jìn)行有效的分離. 氫與硫的分離往往通過快速冷卻使硫單質(zhì)以固態(tài)形式析出. 同樣,

這種方法也會導(dǎo)致大量的能量損失.

2.3. 熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫

水的直接熱分解制氫具有反應(yīng)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(xué)分解過程中, 氧氣和氫氣分別在不同的反應(yīng)階

段產(chǎn)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(yīng)的金屬氧化物,

還大大降低了反應(yīng)溫度. 當(dāng)對于水直接熱分解的2500k, 水的熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)溫度只有

1000k左右, 也大大減輕了對反應(yīng)器材料的限制. 典型的2步熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)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(zhì), mxoy 或1 1 y x o m 則分別為相應(yīng)的金屬氧化物. 適合用做水的熱化學(xué)

循環(huán)反應(yīng)的金屬氧化物有tio2, zno, fe3o4, mgo, al2o3, 和 sio2等. zno/zn 反應(yīng)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(xué)分解水制氫的金屬

氧化物. 該循環(huán)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(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 用mn, mg, 或co 代替

部分fe3o4 而形成的氧化物(fe1-xmx)3o4 可以進(jìn)一步降低反應(yīng)溫度 [4], 因而更具發(fā)展

前景.

除了以上所述2 步水分解循環(huán)外, 3 步和4 步循環(huán)分解水也是有效的制氫方式.

is(iodine/sulfur)循環(huán)是典型的3 步水分解循環(huán), 該循環(huán)的反應(yīng)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(huán)中,影響制氫的主要因素就是單質(zhì)硫或硫化氫氣體的產(chǎn)生等副反應(yīng)的發(fā)生. 為

盡量避免副反應(yīng)的發(fā)生, x 的值往往設(shè)置在4.41 到11.99 之間[30]. ut-3 則是典型的

4 步循環(huán)[31]. 其反應(yīng)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(xué)循環(huán)分解水雖然跨過了分離氫和氧這一步, 但在2 步循環(huán)中, 生成的金屬在

高溫下為氣態(tài)并且會和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)而重新生成金屬氧化物, 因此, 需要將

金屬單質(zhì)從產(chǎn)物混合物中分離出來. 金屬單質(zhì)的分離一般采用快速冷卻使金屬很快凝

固從而實現(xiàn)分離. 同樣, 在3 步循環(huán)中, 氫和碘也需要及時的分離. 采用的分離技術(shù)都

類似.

2.4. 熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫的現(xiàn)狀

熱化學(xué)循環(huán)制氫在歐洲研究較多, 但由于產(chǎn)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(jìn)入商業(yè)化的階段. 在swiss federal institute of

technology zurich,對zno/zn 循環(huán)制氫研究已經(jīng)比較深入. 他們的研究目前主要集中在

產(chǎn)物的分離以及分解水反應(yīng)的機(jī)理方面 [32]. swiss federal office 則已經(jīng)啟動了一個

“solzinc”的計劃, 通過zno/zn 循環(huán)制取氫氣以實現(xiàn)對太陽能的儲存. 目前正在進(jìn)行

反應(yīng)器的設(shè)計, 將于2004 年夏季進(jìn)行測試[33].

2.5.太陽能熱化學(xué)循環(huán)制氫的環(huán)境, 經(jīng)濟(jì)和安全問題

太陽能熱化學(xué)循環(huán)采用太陽能聚光器聚集太陽能以產(chǎn)生高溫, 推動熱化學(xué)反應(yīng)的

進(jìn)行. 在整個生命周期過程中, 聚光器的制造, 最終遺棄, 熱化學(xué)反應(yīng)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(huán)境污染. 其具體的污染量

需要進(jìn)行詳細(xì)的生命周期評價(lca)研究. 此外, 在h2s 的分解中, 以及在is 循環(huán)和

ut-3 循環(huán)中, 都使用了強烈腐蝕性或毒性的物質(zhì), 比如h2s, h2so4. 這些物質(zhì)的泄漏

和最終的處理會帶來環(huán)境的污染和危險, 需要在設(shè)計和操作過程中加以考慮. 另外, 由

于反應(yīng)都是在高溫下進(jìn)行, 氫和氧的重新結(jié)合在反應(yīng)器中有引起爆炸的危險, 需要小

心處理.

由于熱化學(xué)循環(huán)制氫尚未商業(yè)化, 相關(guān)的經(jīng)濟(jì)信息都是基于估算. steinfeld

(2002)[29]經(jīng)過估算指出, 對于一個大型的熱化學(xué)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(tǒng)制取氫氣的成本則約為

us$6.67/kg, 而通過大規(guī)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(xué)循環(huán)制氫和天然氣重整制氫相比雖然沒有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢, 但和其他可再生制氫技術(shù)相

比則在經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于太陽熱電-電解水和光伏-電解水技術(shù).

3. 利用生物質(zhì)制氫

生物質(zhì)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(huán)的co2 排放量幾乎為零. 目前對于生物質(zhì)的利用, 尤其

在發(fā)展中國家, 比如中國, 印度, 巴西, 還主要停留在對生物質(zhì)的簡單燃燒的低效率

利用上. 除燃燒外, 對生物質(zhì)的利用還有熱裂解和氣化, 以及微生物的光解與發(fā)酵. 利

用生物質(zhì)熱裂解和氣化產(chǎn)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(zhì)熱裂解制氫

生物質(zhì)熱裂解是在高溫和無氧條件下對生物質(zhì)的熱化學(xué)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(shù). 得到的產(chǎn)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(jī)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(chǎn)物[34]. 為了最大程度的實現(xiàn)從生物質(zhì)到氫的轉(zhuǎn)化, 需要盡量減小焦碳的產(chǎn)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(chǎn)物質(zhì)量除與溫度, 加熱速率等有關(guān)外, 也受反應(yīng)器及催化劑的

影響. 目前國內(nèi)外的生物質(zhì)熱裂解決反應(yīng)器主要有機(jī)械接觸式反應(yīng)器, 間接式反應(yīng)器

和混合式反應(yīng)器. 其中機(jī)械接觸式反應(yīng)器包括燒蝕熱裂解反應(yīng)器, 旋轉(zhuǎn)錐反應(yīng)器等,

其特點是通過灼熱的反應(yīng)器表面直接與生物質(zhì)接觸, 以導(dǎo)熱的形式將熱量傳遞給生物

質(zhì)而達(dá)到快速升溫裂解. 這類反應(yīng)器原理簡單, 產(chǎn)油率可達(dá)67%, 但易造成反應(yīng)器表面

的磨損, 并且生物質(zhì)顆粒受熱不易均勻. 間接式反應(yīng)器主要通過熱輻射的方式對生物

質(zhì)顆粒進(jìn)行加熱, 由于生物質(zhì)顆粒及產(chǎn)物對熱輻射的吸收存在差異, 使得反應(yīng)效率和

產(chǎn)物質(zhì)量較差. 混合式反應(yīng)器主要以對流換熱的形式輔以熱輻射和導(dǎo)熱對生物質(zhì)進(jìn)行

加熱, 加熱速率高, 反應(yīng)溫度比較容易控制均勻, 且流動的氣體便于產(chǎn)物的析出, 是

目前國內(nèi)外廣泛采用的反應(yīng)器, 主要有流化床反應(yīng)器, 循環(huán)流化床反應(yīng)器等[35]. 這

在國內(nèi)各科研院所都已經(jīng)開展了大量的研究, 如廣州能源所, 遼寧省能源所等都開發(fā)

研制出了固定床, 流化床反應(yīng)器.

催化劑的使用能加速生物質(zhì)顆粒的熱解速率, 降低焦炭的產(chǎn)量, 達(dá)到提高效率和

產(chǎn)物質(zhì)量的目的. 目前用于生物質(zhì)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(chǎn)物中含氫和其他碳?xì)浠衔? 可以通過重整和水氣置換反應(yīng)以得

到和提高氫的產(chǎn)量. 如下式所示:

合成氣 + h2o h2 + co (18)

co + h2o co2 + h2 (19)

利用生物質(zhì)熱裂解聯(lián)同重整和水氣置換反應(yīng)制氫具有良好的經(jīng)濟(jì)性, 尤其是當(dāng)反

應(yīng)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(shù)

上也日益成熟, 逐漸向大規(guī)模方向發(fā)展. danz (2003 年)[39]估算了通過生物質(zhì)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(dāng)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(yōu)勢, 但carlo 等[40]指出, 當(dāng)熱裂解制氫的規(guī)

模達(dá)到400mw 時, 氫的成本會大大降低, 達(dá)到us$5.1/gj. 可見實現(xiàn)大規(guī)模的利用生物

質(zhì)制氫, 將會是非常有潛力的發(fā)展方向.

3.2. 生物質(zhì)氣化制氫

生物質(zhì)氣化是在高溫下(約600-800oc)下對生物質(zhì)進(jìn)行加熱并部分氧化的熱化學(xué)過

程. 氣化和熱裂解的區(qū)別就在于裂解決是在無氧條件下進(jìn)行的, 而氣化是在有氧條件

下對生物質(zhì)的部分氧化過程. 首先, 生物質(zhì)顆粒通過部分氧化生成氣體產(chǎn)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?xì)浠衔?

對于生物質(zhì)氣化技術(shù), 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(chǎn)物的質(zhì)量, 還容易阻塞和粘住氣化設(shè)備, 嚴(yán)重影響氣化系統(tǒng)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(dāng)?shù)牟僮鲄?shù), 二是選用催化劑加速焦油的分解,

三是對氣化爐進(jìn)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(chǎn)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(shè)

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(zhì)氣化爐, 在其喉部采用特殊結(jié)構(gòu)形式的噴嘴設(shè)計, 在反應(yīng)區(qū)形成高溫旋風(fēng)動力

場, 保證了焦油含量低于2g/m3.

由氣化所得產(chǎn)物經(jīng)過重整和水氣置換反應(yīng), 即可得到氫, 這與處理熱裂解產(chǎn)物類似.

通過生物質(zhì)氣化技術(shù)制氫也具有非常誘人的經(jīng)濟(jì)性. david a.bowen 等人(2003)[44]比較

了生物質(zhì)氣化制氫和天然氣重整制氫的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)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(huán)境因素考慮進(jìn)去,

由于天然氣不可再生, 且會產(chǎn)生co2, 而生物質(zhì)是可再生資源, 整個循環(huán)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(zhì)制氫從經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上的

綜合考慮, 就已經(jīng)比天然氣重整更有優(yōu)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(zhì)制氫與天然氣制氫經(jīng)濟(jì)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(zhì)高溫裂解和氣化制氫適用于含濕量較小的生物質(zhì), 含濕量高

于50%的生物質(zhì)可以通過光合細(xì)菌的厭氧消化和發(fā)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(zhì)的氣化方法是利用超臨界水的特

性氣化生物質(zhì), 從而制得氫氣.

3.3. 生物質(zhì)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(dāng)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(zhì)與常溫常壓下水的性

質(zhì)相比有很大的變化.

在超臨界狀態(tài)下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng), 通過控制壓力, 溫度以控制反應(yīng)環(huán)境, 具有增強

反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度, 提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率, 加快反應(yīng)速率等顯著優(yōu)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(jìn)行生物質(zhì)的催化氣化, 生物質(zhì)的氣化

率可達(dá)100%, 氣體產(chǎn)物中氫的體積百分比含量甚至可以超過50%, 并且反應(yīng)不生成焦

油, 木碳等副產(chǎn)品, 不會造成二次污染, 具有良好的發(fā)展前景. 但由于在超臨界水氣中

所需溫度和壓力對設(shè)備要求比較高, 這方面的研究還停留在小規(guī)模的實驗研究階段. 我

國也只進(jìn)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(chǎn)氫, 得到了95%的氣化效率 [47]. 中科院山西煤炭化學(xué)研究所在間隙

式反應(yīng)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(zhì)在不同反應(yīng)條件下進(jìn)行實

驗研究, 得到各種因素對氣化過程的影響. 表3 總結(jié)了近幾年對生物質(zhì)超臨界水氣化制

氫的研究情況. 研究表明, 生物質(zhì)超臨界水氣化受生物質(zhì)原料種類, 溫度, 壓力, 催化劑,

停留時間, 以及反應(yīng)器形式的影響.

表3. 近年來關(guān)于生物質(zhì)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(zhì)的主要成分是纖維素, 木質(zhì)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(tài)產(chǎn)品, 而木質(zhì)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(jī)物后可以形成基本穩(wěn)

定, 均一的原料, 與木質(zhì)生物質(zhì)很相似. 由表可見, 不同的生物質(zhì)原料, 其氣化效率和速

率也有所不同. 溫度對生物質(zhì)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(yuǎn)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(zhì)在超臨界水中氣化停

留時間與溫度相關(guān), 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(yīng)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(yīng)器的選擇也會影響生物質(zhì)氣化過程, 目前的反應(yīng)

器可以分為間歇式和連續(xù)式反應(yīng)器. 其中間歇式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單, 對于淤泥等含固體的

體系有較強適應(yīng)性, 缺點是生物質(zhì)物料不易混合均勻, 不易均勻地達(dá)到超臨界水下所需

的壓力和溫度, 也不能實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn),. 連續(xù)式反應(yīng)器則可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn), 但反應(yīng)時間

短, 不易得到中間產(chǎn)物, 難以分析反應(yīng)進(jìn)行的情況, 因此今后需要進(jìn)行大量的研究, 研

制出更加有效的反應(yīng)器以及尋求不同生物質(zhì)在不同參數(shù)下的最佳氣化效果, 實現(xiàn)高效,

經(jīng)濟(jì)的氣化過程.

4. 其他制氫技術(shù)

除熱化學(xué)方法外, 生物質(zhì)還可以通過發(fā)酵的方式轉(zhuǎn)化為氫氣和其他產(chǎn)物. 此外,

微藻等水生生物質(zhì)能夠利用氫酶(hydrogenase)和氮酶(nitrogenase)將太陽能轉(zhuǎn)化為

化學(xué)能-氫. 這些生物制氫技術(shù)具有良好的環(huán)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(dǎo)體光催化反應(yīng)制氫也是目前廣泛研究的制氫技術(shù). 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(jīng)研究發(fā)現(xiàn)能夠在一定光照條件下催化分解水從而產(chǎn)生氫氣.

但由于很多半導(dǎo)體在光催化制氫的同時也會發(fā)生光溶作用, 并且目前的光催化制氫效

率太低, 距離大規(guī)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(shù)總結(jié)以及在香港的應(yīng)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(shù). 這些技術(shù)的特點,

經(jīng)濟(jì)性, 環(huán)境和安全方面的特點總結(jié)于表4.

表4. 利用可再生資源制氫技術(shù)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(zhì)氣化技術(shù)和風(fēng)能-電解制氫技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)性. 對于環(huán)境的污染

以及危險性也相對較小, 極具發(fā)展前景, 可以作為大規(guī)模制氫技術(shù). 而光伏-電解水技

術(shù)則目前還未顯示出經(jīng)濟(jì)優(yōu)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(jìn)一步提高, 成本能大幅降低, 則是未來很有潛力的制氫技術(shù). 太陽

能熱化學(xué)循環(huán)也是可行的制氫技術(shù), 今后的發(fā)展方向是進(jìn)一步降低分解產(chǎn)物的能量損

耗以及發(fā)展更為經(jīng)濟(jì)的循環(huán).

香港地少人多, 沒有自己的煤, 石油, 天然氣, 也沒有大規(guī)模的農(nóng)業(yè), 所有能源

目前都依賴進(jìn)口. 但香港具有豐富的風(fēng)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?cè)丝?81 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(shù)人口集中在港島, 九龍等面積較小的市區(qū), 而新界很多區(qū)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(fēng)力強勁

(>6m/s), 具有很大的發(fā)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(fā)電量可達(dá)144.7twh, 這相當(dāng)于香港1999 年電

消耗量35.5twh 的4 倍! 這說明發(fā)展光伏技術(shù)在香港有很大潛力. 考慮到香港市區(qū)人

口稠密, 可以考慮將光伏電池安裝在周邊島嶼發(fā)電, 通過電解槽制氫. 由于光伏-電解

水成本很高, 這一技術(shù)還難以大規(guī)模應(yīng)用, 如果光伏成本能大幅度降低, 則在香港發(fā)

展光伏制氫具有非常誘人的前景. 另外, li(2000)[53]進(jìn)行了在香港發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組, 可

以實現(xiàn)年發(fā)電2.1 twh, 這相當(dāng)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(fēng)力都在6.7 m/s 以上, 在這些島嶼發(fā)展大規(guī)模的風(fēng)力機(jī)組也是值得

進(jìn)一步探討的問題. 除此之外, 香港每年產(chǎn)生的大量有機(jī)垃圾, 也可以通過氣化或熱

解制氫. 這些技術(shù)在香港的成功應(yīng)用還需要更深入的研究, 本文不作深入探討.

6. 小結(jié)

本文綜述了目前利用可再生資源制氫的主要技術(shù), 介紹了其基本原理, 也涉及到

了各項技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境以及安全方面的問題. 對各項制氫技術(shù)進(jìn)行了對比分析,

總結(jié)出利用風(fēng)能發(fā)電再推動電解水, 以及利用生物質(zhì)的熱化學(xué)制氫具有良好的經(jīng)濟(jì)性,

對環(huán)境的污染較小, 技術(shù)成熟, 可以作為大規(guī)模制氫的選擇. 利用光伏-電解水技術(shù)具

有誘人的發(fā)展前景, 但目前還未顯示出其經(jīng)濟(jì)性. 而太陽能熱化學(xué)制氫則處于研究階

段, 還難以用于大規(guī)模制氫. 香港具有比較豐富的可再生資源, 利用風(fēng)力發(fā)電和有機(jī)

廢物制氫是可行的制氫技術(shù), 而光伏電池還需要大量研究以進(jìn)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(jīng)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(yīng)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(qū)政府資助, 在此表示感謝!

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【關(guān)鍵詞】再生混凝土，研究現(xiàn)狀，發(fā)展前景

引 言

再生混凝土是將廢棄的混凝土塊進(jìn)行回收利用，然后再經(jīng)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(jié)約天然資源，這對于保護(hù)環(huán)境和自然資源具有很重要意義。循環(huán)再利用廢棄混凝土被看作是發(fā)展綠色混凝土的重要措施之一，具有很明顯的經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境效益和社會效益。

1 再生混凝土概述

將廢棄混凝土經(jīng)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(xì)骨料全部采用再生骨料；（2）粗骨料采用再生骨料，細(xì)骨料采用天然砂；（3）粗骨料采用天然的碎石或卵石，細(xì)骨料為再生骨料；（4）再生骨料替代部分粗骨料或部分細(xì)骨料，或者再生骨料同時替代部分粗骨料和細(xì)骨料。跟據(jù)有關(guān)研究成果已表明應(yīng)工程結(jié)構(gòu)上采用再生骨料是可行的，但對其經(jīng)濟(jì)性尚存疑慮。當(dāng)利用廢棄混凝土作再生骨料時研究現(xiàn)狀，石灰石資源可節(jié)省62%；而當(dāng)廢棄混凝土用作制造水泥的原料時，除可節(jié)省62%石灰石資源外，還可節(jié)約制造水泥的優(yōu)質(zhì)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(fā)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(yīng)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(huán)境造成的負(fù)面影響，從而保證了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，因此，它是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色混凝土。

2再生混凝土的發(fā)展現(xiàn)狀

改革開放以來，隨著中國經(jīng)濟(jì)不斷的快速發(fā)展，環(huán)保、生態(tài)、資源已成為阻礙社會發(fā)展的“瓶頸”，可再生資源利用越來越受到人們的關(guān)注。在人類跨入21世紀(jì)前夕，中國政府在《中國21世紀(jì)議程―― 中國2l世紀(jì)人口、環(huán)境和發(fā)展白皮書》中，對世界面臨的生態(tài)破壞和環(huán)境污染等問題給予了高度的關(guān)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(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，加緊對再生混凝土的開發(fā)利用進(jìn)行立項研究，并大力支持和鼓勵廢棄物研究和應(yīng)用。目前，國內(nèi)一些高校和科研院所的研究工作得到了相關(guān)部門的資助，并且已經(jīng)著手對再生混凝土的性質(zhì)和應(yīng)用進(jìn)行初步研究，并取得了一定的研究成果。

3再生混凝土的經(jīng)濟(jì)效益分析

“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，是通過回收利用廢棄物再生利用水平，在生產(chǎn)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(tǒng)“大量生產(chǎn)、大量浪費、大量廢棄”增長模式的根本變革。循環(huán)經(jīng)濟(jì)的建立是以“減量化、再利用、再循環(huán)”為行為原則。廢棄混凝土的回收利用符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

一個地區(qū)廢棄混凝土回收利用的主要影響因素有：地區(qū)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(shè)備及工藝技術(shù)水平，以及國家和地區(qū)對廢棄混凝土回收利用的政策法規(guī)和財政稅收上的扶持程度。

1）地區(qū)人口密度和城市化水平。地區(qū)人口密度和城市化水平?jīng)Q定著城市廢棄混凝土的數(shù)量，城市規(guī)劃中規(guī)定了建筑垃圾堆放場所的位置和數(shù)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(chǎn)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(yīng)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(huán)境保護(hù)意識有關(guān)研究現(xiàn)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(huán)境，長此以往，不僅不利于環(huán)境保護(hù)，更不利于社會可持續(xù)發(fā)展。

3）廢棄混凝土回收利用的設(shè)備與工藝技術(shù)水平。廢棄混凝土的回收與再利用，都需要通過一定的技術(shù)手段來實現(xiàn)，工藝技術(shù)水平、設(shè)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(xué)合理的再生混凝土技術(shù)將決定回收利用的成本和利潤。

4）國家和地區(qū)對廢棄混凝土回收利用的政策法規(guī)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(xiàn)場的零排放（無垃圾）等有關(guān)法律是必須的，以促進(jìn)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(yè)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(chǎn)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(fā)利用廢棄混凝土，需要盡快就再生混凝土集料制定集料標(biāo)準(zhǔn)、再生混凝土制品標(biāo)準(zhǔn)等。

4再生混凝土的發(fā)展前景

1）隨著建筑業(yè)的發(fā)展，會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，發(fā)展和利用再生混凝土符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。據(jù)有關(guān)資料粗略統(tǒng)計，在每萬平方米建筑的施工過程中，僅產(chǎn)生建筑廢渣可達(dá)500～600t。住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部在2005年首屆周際智能與綠色建筑技術(shù)研討會上指出，預(yù)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(xiàn)有建筑面積將至少產(chǎn)生20億t建筑廢渣。近20～30 年來，建筑業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，隨著城市化進(jìn)程加快，大批舊建筑物被拆除，就會產(chǎn)生大量的建筑垃圾。至2012年，我國城鎮(zhèn)有約50% 的房子是上個世紀(jì)建造的，將被拆除，專家估計，隨之而產(chǎn)生的建筑垃圾將達(dá)到5～7億t，這是一個令人震撼的數(shù)字。而我國的垃圾處理技術(shù)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(shù)建筑垃圾只是進(jìn)行簡單的填埋。如此大的建筑垃圾產(chǎn)生量再加上如此簡單的處理方式，長此以往研究現(xiàn)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(xù)發(fā)展道路的有效途徑?？沙掷m(xù)發(fā)展的核心是發(fā)展。它要求人們改變傳統(tǒng)的的生產(chǎn)方式和生活方式，改變?nèi)祟悓τ谧匀坏膽B(tài)度，在開發(fā)和利用自然資源的同時，必須注重對環(huán)境資源的保護(hù)。據(jù)統(tǒng)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(zhì)量的70% 以上，用量十分巨大。據(jù)中國砂石協(xié)會統(tǒng)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(jìn)程，既是我國現(xiàn)代建設(shè)的歷史重任，也是有效解除阻礙我國現(xiàn)代化推進(jìn)的“瓶頸”約束，保證我國經(jīng)濟(jì)社會實現(xiàn)高速、持續(xù)和協(xié)調(diào)發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措。

可見，如果能真正得以推廣應(yīng)用再生混凝土技術(shù)，這將對自然資源的保護(hù)、建筑垃圾的綜合處理起到積極的作用，也是建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

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