化学是什么？-第5章 化学是能源的开拓者（2）

发布时间：2022-02-11　　　来源:北达燕园微构分析测试中心

关注我们 获取更多精彩内容




精选优质文章分享给大家，希望文章内容对您有所帮助，欢迎您继续关注，如能转发不胜感激，我们愿和大家一起学习交流，共同提高。



上一篇文章回顾：化学是什么？-第5章 化学是能源的开拓者（1）



5.3　煤



煤是地质历史时期由堆积的植物遗体在缺氧环境中，经过复杂的生物化学作用和地质作用转化而成的可燃有机物质。煤中含有多种高分子有机物和混杂的矿物质。有机物的组成元素主要是碳、氢、氧，其次是氮、硫、磷，其结构的基本单元是各种芳香环、杂环芳香稠合体系，以及多种含氧官能团和支链。矿物质主要是石英、高岭石、黄铁矿和方解石等。碳是煤中的主要成分，也是最主要的可燃物质，它的含量随着煤生成的年代和变质程度加深而增加。例如泥炭中碳含量为50％～60％，褐煤中为65％～75％，烟煤中增加至75％～90％，无烟煤中达90％～98％。氢也是煤中重要的可燃物质，煤中含氢量与成煤植物有关，还随煤变质的程度加深而减少，煤的最高含氢量可超过8％。煤中硫的含量随地域差别很大，多数是在1％～3％之间。


煤的种类不同，组成和煤质也不同，常用的煤质指标有水分、灰分、含硫量、挥发物和发热量等。为了便于折算单位质量的煤完全燃烧时所放出的能量，人为地规定了“标准煤”的发热量为29.2MJ/kg。


煤在世界各地普遍存在，分布比较均匀。至2009年，全世界探明的煤可采量为8300亿吨。2009年我国产煤26亿吨，接近世界产煤量55亿吨的1/2。在我国能源消费中煤约占70％，是世界上唯一以煤为主要能源的大国。

煤的开采使用已有两千多年历史。工业革命后相当长的时间里，煤一直是社会最主要的能源。直到1965年，煤在世界能源生产和消费中仍占第一位，约占总能源的42％。此后，煤让位于石油，产量在能源中的比例迅速下降。在我国，煤在能源消费中的比例会随着其他能源的发展而下降，但煤作为主要能源的格局在相当长的时间中不会改变，这是我国能源结构的弱点所在。煤的利用和化学密切相关，下面从四个方面进行探讨：

（1）煤燃烧热的利用。煤炭的最大用途是作为一次性能源直接燃烧。现在许多家庭用燃料、工农业用的锅炉燃料依靠煤，世界上近一半电能来自以煤作燃料的火力发电厂。燃煤要特别注意两点：一是充分燃烧，不要产生一氧化碳，避免煤气中毒，也使燃烧放出更多热量；二是设法除去燃煤产生的二氧化硫和氮氧化物。

（2）将煤炼成焦炭和其他碳素制品。将煤破碎，在炼焦炉中受高温作用发生热分解，在生成焦炭的同时，还得到炼焦煤气和煤焦油。焦炭是烧结成块状、多孔而较纯的碳素。煤中所含硫、磷、氧、氮、氢等元素在高温干馏过程中大部分都已除去。焦炭是冶金工业的重要原料。焦炭还可进一步经过煅烧石墨化过程而成石墨等碳素制品。煤焦油是重要的化工原料，早在19世纪就已从煤焦油中提炼分离出许多小分子有机化合物，研究它们的组成、结构、性质和应用，使有机化学得到很大发展。炼焦煤气不仅可作民用燃料，更可作化工原料。

（3）煤的气化。煤的气化指煤在控制氧气的条件下，进行不完全氧化的过程，是利用空气、水蒸气或其他气体将煤中的有机物转变成含有一氧化碳、氢、甲烷等可燃气体的一种加工方法。用煤气作燃料比直接烧煤有更多优点，它有热能利用率高、便于储存运输、使用方便、容易控制、清洁卫生、减少环境污染等优点。煤气也是重要的化工原料。煤的气化可在煤的产地，甚至直接在地下进行。


（4）煤的液化。煤是固体，油是液体，煤转化为油的过程称为煤的液化。煤和石油主要都由碳和氢组成，差别在C和H的比例不同，煤的C/H比值比石油高得多，要将煤液化为油，就要加氢。煤的加氢液化是在高压氢气和催化剂存在下加热到400～450℃，使煤粉在溶剂中发生热解和加氢反应，继而通过气相催化，进一步加氢裂解等反应过程转化为液态的小分子。现在我国年产百万吨级油的煤液化厂已在运行。将煤液化成油的理想很好，但成本居高不下，很难和石油竞争，前景尚需化学家和其他科技人员一起不断努力去探索。煤的液化的另一途径是将煤变为液态醇使用。



5.4　天然气



天然气不是泛指自然界一切天然存在的气体，而是指沉积在地层中的有机物质生成的可燃气体。它的存在形式有四种：纯天然气、油层气、煤层气（又称瓦斯）和天然气水合物（又称可燃冰）。由于目前天然气水合物的开采正在探索，而煤层气的数量较少，比较分散，所以通常所指的天然气储量不包括这两种。2009年估计世界天然气的可采储量为187万亿立方米，每1立方米天然气发热量大约和1千克石油的发热量在同一数量级，按此估算，天然气和石油在目前开采技术条件下的可采储量大致相同。2009年全世界天然气产量近3万亿立方米，我国为887亿立方米，占世界产量的约3％。


沉积在海底大陆架上的天然气水合物资源极为丰富，据估计其蕴藏量约为18000万亿立方米，是上述两种天然气的可采储量的100倍。2017年，我国已成功地对可燃冰进行试验性开采。

天然气的主要成分是甲烷（CH4），它含H量高，作为化石燃料对环境的污染最小，燃烧不产生烟尘，没有固体排放物，含SO2低，不会因之产生酸雨。燃烧产生相同的热能，排放二氧化碳量，天然气仅为煤的1/10。作为家庭燃料，天然气比人工煤气更为安全。汽车用天然气作燃料，排放的污染物大为减少，CO减少40％，碳氢化合物减少40％，NOx减少30％，SO2减少70％，是低碳、低污染的“绿色”汽车燃料。

天然气是重要的化工原料，用作合成氨、甲醇、乙炔、一碳化工产品，生产乙烯等原料。天然气的管道输送价廉安全。北京使用来自陕北气田的天然气已有十多年，大大地改善了北京的环境，人民得到了实惠。


我国新疆、四川及南海海疆莺歌海等地天然气蕴藏量丰富，加上周边邻国哈萨克斯坦、塔吉克斯坦和蒙古储量丰富，国内开发和国际合作开发利用天然气资源，能源前景是很好的。

煤层气是与煤伴生的可燃气体，一般甲烷含量超过95％，是一种优质洁净能源。在各类煤矿安全事故中，瓦斯爆炸事故最多，这是煤层气在作祟。甲烷是主要的温室气体之一，它对温室效应的作用，一个CH4分子相当于56个CO2分子。不回收煤层气，在采煤时让它排放到大气中，对环境影响很大，对安全采煤也是威胁。所以抽取利用煤层气，是防止煤矿瓦斯爆炸、减少环境污染的重要善举。我国煤层气储量估计为30万亿立方米，相当于450亿吨标准煤。要重视在煤矿上专门打井开采煤层气的工作。



5.5　太阳能



太阳是距离地球最近的一颗恒星，它的质量是地球质量的33万倍，占整个太阳系质量的99.7％。太阳核心温度达1500万摄氏度，压力超过地球大气压的340亿倍，是一个核聚变的熔炉，不断地进行着核聚变反应，即由4个氢核聚变成1个氦核的反应。每秒钟约有6亿吨氢变成氦，这一过程约有400万吨的质量变成能量。这些能量转移到太阳表面向外发出辐射能，其中大约有22亿分之一到达地球。


太阳能具有储量大、不会枯竭、不受地域限制、清洁无污染等优点。人们利用太阳能的主要途径有三：
（1）通过生物的光合作用，将CO2和H2O结合成糖类化合物，如淀粉、纤维素、糖等，形成森林、植被、谷物，提供动物的食粮、木材和柴草等生物质能。


（2）直接利用太阳的热能，聚集成高温热源，用以烹饪、蓄热取暖、热风干燥、材料加工和冶金等用途，也可用铝箔或镜片制作大直径凹面半球形反射镜，将太阳能聚焦制作太阳能锅炉，用来加热、发电。近年来人们探索建立太阳能发电站，利用阳光将液体加热，一部分直接发电，另一部分将热储存在储热性能优良的熔融盐中，保证夜间和阴雨天也能产生蒸气发电。


（3）太阳光发电，又称光伏发电。即将太阳光照到太阳能电池上，将光能直接转变为电能。光伏发电和传统发电相比，具有独特优点：它无需消耗燃料、无运动部件、无排放、无副作用、维护工作量小等，是可持续发展的最佳能源之一。现在全世界都在致力于太阳能电池的发展。有人预计，在今后的20年中，全世界在光伏发电上可达到约3太瓦，包括装在屋顶上的小型光伏发电装置和大型的太阳能发电场。


将太阳光能转变为电能主要依靠化学家和物理学家制造出太阳能电池。这种电池是根据半导体材料的光发电效应（又称光伏效应）制成。目前所用的半导体主要是单质硅（又称元素硅或金属硅），它是半导体工业和信息产业最重要的基础材料。将硅片在相邻近的区域通过不同杂质的扩散或不同离子的注入，使它成为p-n结。


当太阳光照射到p-n结时，被太阳光激发的电子，在p-n结中的内建电场作用下，电子（）流向n型半导体；它也相当于正电荷（）流向p型半导体，在p型层和n型层间产生电势差，在p-n结外侧连接的电极上形成正极和负极的太阳能电池，将电极连接在负荷（如电灯泡）上，就有电流流通、电灯泡发光。太阳连续不停地照射，电流就连续不停地流通；太阳下山，没有光照，也就没有电流。这种将太阳能转变为电能的太阳能电池，既没有物质的消耗，没有污染产生，也没有噪音，可持续地发电应用。


上述单晶硅太阳能电池制造的关键是化学。首先要制得纯度很高并定量地掺有特定杂质的单晶硅片。由于硅片纯度要求很高，晶体生长的时间很长，掺杂制得p-n结的技术复杂，太阳能电池的制造成本和发展速度受到了限制。许多国家投入大量资金探索硅以外其他单质和化合物的半导体性能，并用以制作太阳能电池。我国建筑行业利用自主生产的铜铟镓硒光伏发电材料，制成薄膜光伏组件，作为建筑物外装饰幕墙，发电供热，具有安全、耐用、发电量高等特点，对整个能源的绿色转型和清洁发展都具有重要意义。

由上述可见，太阳能电池的生产关键是化学问题，它涉及材料的制备、提纯和检测等各个方面，例如硅片的纯度要达到6个9（即99.9999％）以上，这就需要使用各种超纯的试剂，除去极微量杂质以及超纯度的检测等。当制得太阳能电池的电极后，为了保护电极，表面上还要覆盖透光好、强度高、非常薄的玻璃板，选用的材料需要化学科学的指导。

太阳能电池在太阳光照射下，产生的是直流电的电能，它对于用在远离市区的海上灯塔、浮标，山顶的无线电中继电台等情况时，则需要配套使用蓄电池，将白天的电能充电到蓄电池中，提供夜间或阴雨天使用。目前广泛应用的是铅酸免维护蓄电池。这种蓄电池的制造、特性的测试以及进一步的更新研发，也是化学的任务。

化学是什么？化学是一门为人类解决将太阳能转变为电能，形成用之不竭、价廉可靠、清洁无害的能源的基础科学。



5.6　氢能及其他可再生能源


5.6.1　氢能


氢能源在本世纪将有很大发展，原因有三：一是氢元素几乎都以化合物的状态存在，主要存在于水和碳氢化合物中，是取之不尽、用之不竭的元素。二是氢气是清洁、高效燃料，燃烧产物是水，没有其他污染物。三是以摩［尔］为单位，氢气燃烧放热的化学方程式如下：


按质量计，氢气的燃烧热为（千焦/千克），是汽油的3倍。这种高密度能量的氢气可作航天动力燃料（但要注意爆炸和渗入金属等特性），可以像天然气、汽油一样储存起来调制使用。


要从化合物中得到氢气作为能源使用，需要用另外的能源来交换。最常用的是用电能电解水制得氢气。一般电解水用15％KOH水溶液作电解质，电极反应如下：


电解时所用电极最理想的是铂系金属，但因太贵，可用镍或镍上镀微量的铂，为了降低成本，常用遮镀镍的铁电极。


2010年统计，世界上汽车已超过6亿辆，文明世界离不开汽车。汽车业发达的原因主要在于有廉价的汽油。氢燃料电池汽车已出现，将会逐渐和汽油汽车争雄。


氢燃料电池的构造示意见图5.6.1。汽车上安装这种电池，同时携带氢气和氧气，使它们在电池中转化为水，并产生电能开动汽车。2010年上海世博会园区中的百余辆交通车，就是以氢燃料电池为动力，实现了碳的零排放。

图5.6.1　氢燃料电池构造示意图


氢气很轻，密度很小（），单位质量占的体积大，很难液化（临界温度-240℃），且易于泄漏。作为车辆燃料，储藏和携带氢气是需要重点攻克的难题。采用低温下液态的氢气，温度要在-250℃左右，用优良的绝热材料才能实现。采用高压压缩，高压钢瓶20 MPa（兆帕，106帕，帕［斯卡］＝1牛［顿］·米-2）下储氢，H2只占钢瓶重量的1.6％。储存在储氢合金中，如铁-钛合金、镧-镍合金，充氢气时温度较低，H2与合金结合在一起，当加热时，压力在1 MPa以下，放出H2，储氢量仅占合金重的1％～2％。上述几种储氢方法都不令人满意。


攻克储氢难关是利用氢能源的关键，化学家们正在进行研究实验，制备容易和氢结合又容易释放出氢气的化合物，其中石墨烯材料的开拓研究已有一定成效，开始推广应用。


5.6.2　生物质能和沼气



植物、动物和微生物都是生物质。生物质分解或转化时将其中蕴藏的能量释放出来，即为生物质能。植物是生物质能的制造者，它在阳光下，依靠光合作用，将二氧化碳和水生成有机质。在这个过程中，将太阳能转化为化学能储藏在生物质中，成为生物质能。

地球上的植物每年通过光合作用固定下来的碳约达2000亿吨。按其所含能量相当于720亿吨石油，相当于当前全世界每年能源消耗量的8倍。

生物质能种类繁多，包括陆地和海洋中的动植物，人类和动物的排泄物，工业和人类生活的有机废弃物，污水中的有机质等。生物质能资源虽然非常丰富，但并不可能都作为能源加以利用。人类衣食住行各个方面，除需要能源外，生活中所需的粮食、木材、棉花等都需要植物提供资源。另外自然界的生物质的生成和分解是同时进行着的，构成复杂的平衡。由于人口增加，和不适当地利用自然资源，生态平衡受到冲击，例如大面积砍伐森林、草原过度放牧、物种灭绝加速等。按照可持续发展的思维，利用生物质能可在原有基础上从两方面进行：一是植树种草；二是废物利用。


1．植树种草、绿化大地
其必要性已逐渐成为人类共识。因为它是人类改善环境、提高生活质量的最主要途径。在此过程中，一部分可用以营造薪柴林，即以获取薪柴提供生物质能为目的，可根据自然条件，选择速生、密植、高产、发热值高的树种进行营造。这种林地不但可生产薪柴和木炭，同时也和其他林地一样具有防风、固沙、保持水土、保护农田、改善生态等功能。有的国家从20世纪50年代开始实施，已取得显著效果。有的树种在每公顷土地上年产薪柴相当于60吨石油，是解决能源问题的途径之一。


2．废物利用、发展沼气
沼气是生物质在厌氧条件下，经过细菌的发酵作用的最终产物。各种生物质如秸杆、杂草、垃圾、人畜粪便、工业有机废物等都可以作为原料。沼气的主要成分为甲烷（CH4），通常占沼气总体积的60％～70％，其次是二氧化碳，约占沼气总体积的25％～35％，其余约5％是硫化氢、氮气、氢气和一氧化碳等。纯甲烷燃烧时火焰呈淡蓝色，发热值达36.84。

前些年我国在农村推广各户建小型沼气池，经过十多年实践，发现缺点较多：① 产生的沼气净化水平低，有害物超标，燃烧后气体排放到室内外，造成污染。② 受季节影响大，又没有足够的储气设备，冬天投入池中的杂草、秸杆少，转化成沼气数量少，很难满足取暖和炊事所需；夏天的情况则相反，直接排放造成污染。


建议在农村乡镇和城市建造规模较大、自动化高的沼气厂和发电厂。有较强的净化装置和储气柜，为秸杆、畜牧业和养殖业排放物以及生活垃圾发酵气化，为塑料袋、废旧纸张和树木的枝叶等燃烧发电找到出路。


5.6.3　醇能


甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）可以替代部分汽油，作内燃机燃料。乙醇制成车用的乙醇汽油或称生物燃料，在世界上已很普遍。巴西利用本国盛产的甘蔗生产乙醇，是世界上最大的车用乙醇汽油的生产国和消费国，该国生产的乙醇燃料已替代本国40％以上的汽油消耗，还大量出口，国内已没有使用纯汽油的汽车。乙醇汽油的使用是科学技术上的一项成果，世界每年生产乙醇汽油已超过千万吨级规模，使人们增加了一种调制能源的手段。

乙醇可以方便地用粮食或糖为原料，也可用非粮食来制造。在立足于生物质综合利用的基础上，应优先满足粮食供人们生存的需求，也不宜毁林拓地种植宜醇作物、损害环境地去生产乙醇。制取乙醇的原料除粮食外，还可用甘蔗、甜菜、玉米秆、秸秆、锯屑等。对含糖和淀粉的原料，可直接发酵，含纤维素的原料先用酸水解使纤维素糖化，然后发酵生成乙醇。

制取乙醇的原料除粮食外，还可用甘蔗、甜菜、玉米秆、秸秆、锯屑等。对含糖和淀粉的原料，可直接发酵，含纤维素的原料先用酸水解使纤维素糖化，然后发酵生成乙醇。

乙醇汽油首先是将乙醇脱水，加入变性剂，成为变性燃料乙醇，将它与一定量汽油调和，成为车用乙醇汽油。乙醇汽油具有增氧剂效果，有提高车用燃料辛烷值、清洁汽车引擎、降低汽车尾气有害物含量的效果。

甲醇的燃烧性能比乙醇更为优越，它的生产原料既可以用生物质，也可以由H2和CO催化合成：


另外，可利用甲醇制氢，是一种间接而方便的储存氢气的方法。此方法的化学反应式如下：


按此方法得到的气体，通过净化装置除去CO2和其他杂质气体，得到高纯H2，可用于车载的氢燃料电池。


5.7　核能

核能又称原子能或原子核能，是核反应过程中原子核结构发生变化所释放的能量。核结构变化有两类：一类是核裂变，另一类是核聚变。原子弹爆炸产生巨大威力靠的是核裂变；氢弹爆炸则是核聚变。现在全世界已建成和在建的核电站都是依靠核裂变释放的能量。核聚变释放的能量的利用，由于技术上的困难，正在进行研究，人们盼望本世纪能实现核聚变发电站的应用。


核裂变能是铀和钚等重原子核分裂成两个或多个轻原子核过程中由质量亏损转变产生的能量。以受中子（n）轰击发生核裂变，产生和为例：


每一个原子核裂变前后质量亏损（Δm）为0.19 u（u为原子质量单位，为原子质量的1/12），相应释放的能量（ΔE）为：



1g有个原子。按此可算得1g裂变释放的能量为，将它和1kg标准煤的燃烧发热量29.26 MJ比较，1g和2460 kg标准煤相当。


核裂变所用的铀矿等资源的开采和提取，需要依靠化学反应进行。例如天然铀矿主要由和组成，其中是易裂变成分，它在天然铀中仅占0.714％，必须要将它富集才能成为核燃料。目前所用的将富集的方法首先是依靠化学方法，将矿石开采所得的和HF反应，制得和HF反应，制得后，再将它和反应制得。是铀化合物中唯一易挥发而稳定的气态化合物。由于F只有一种同位素，气相产物中只有两种成分：（分子量348.99）和（分子量351.99）。利用它们质量的微小差异，可用超离心法或气相扩散法分离和富集出和，供核反应堆使用。


核能是地球上储量非常丰富的能源。目前世界上已探明的铀储量约为490万吨，钍储量约为275万吨，所含能量远超过化石能源所含能量的总和。核电是一种清洁能源，不产生碳、硫等排放废物；放射性废物被回收处理，不向环境排放。核电的经济性优于火电，虽然建造费用高，但燃料费比火电低得多，总体成本低。建核电站时一定要精心设计、严格施工，防止各种突发事件时核放射物质泄漏释放而危害人类。


化学和其他科学技术一起，开发核能，降低碳排放，保护环境，积极探索研究核聚变能量的利用，争取顺利地实现化石能源、核裂变能源和核聚变能源接轨。届时地球上用之不竭的氘等核聚变能源将作为主角，使人类社会在可持续发展道路上前进。
未完待续......下一章：第6章化学是材料的研制者


▲

END



北京北达智汇微构分析测试中心有限公司

技术咨询服务包括：北京高校科技资源对接、危险废弃物梳理、环境影响评价、环保项目竣工验收、场地环境调查等多个领域。

开展的分析测试服务包括：X射线衍射分析、土壤矿物检测、水质检测、场地环境检测、二噁英检测、建材VOC检测、固废检测、理化参数等检测项目，已取得CMA检验检测机构资质认定和ISO/IEC 17025检测实验室认可资质。

科学仪器研发方面：具备国内领先的 X 射线衍射 / 荧光分析仪器的研发生产能力，在 X 射线分析仪器的开发领域拥有多项自主知识产权。

单位先后通过北京市级企业科技研究开发机构、高新技术企业、中关村高新技术企业等认证。    

若您有任何咨询问题，可联系我们，我们会为您解答。
400-0064-028 、010-62423361

公司网址：www.labpku.com


 

免责声明：资料来源网络，以传播知识、有益学习和研究为宗旨，所提供内容仅供读者参考交流，科学研究使用，其他用途不得转载或下载。如涉及侵权，请联系我们及时删除。