化学与能源

化学与能源蒋哥PB13206***能源就是向自然界提供能量转化的物质（矿物质能源，核物理能源，大气环流能源，地理性能源）。能源是人类活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。现在将能源分为传统能源和新型能源分别讨论能源在应用中所用到的化学知识与工艺。能源传统能源•煤煤主要由碳、氢、氧、氮、硫和磷等元素组成，碳、氢、氧三者总和约占有机质的95%以上，是非常重要的能源，也是冶金、化学工业的重要原料。煤的综合利用•煤的气化煤的气化就是把煤转化为可燃性气体的过程。在高温下煤和水蒸气作用得到CO、H2、CH4等气体，生成的气体可作为燃料或化工原料气。•煤的液化煤的液化是把煤转化为液体燃料的过程。在一定条件下，使煤和氢气作用，可以得到液体燃料（甲醇等）。煤气化生成的水煤气在经过催化合成也可以得到液体燃料。•煤的干馏煤干馏是将煤隔绝空气加强热，使其发生复杂的变化，得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水、粗苯等。通过煤的综合利用，大大提高了煤的利用率，并且可以提供大量的化工原料。石油石油又称原油，是一种粘稠的、深褐色液体。地壳上层部分地区有石油储存。主要成分是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。石油主要被用来作为燃油和汽油，也是许多化学工业产品如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。981钻井平台石油的综合利用石油的分馏•石油的裂化与裂解裂化反应，或称作裂解作用，是指把较大的烷烃分子间的碳键破坏，并生成较小的碳氢化合物的过程。温度与催化剂的使用对反应速率与所生成的物质有极大影响。此类型反应的另一重要优点是能够生成更具经济价值的烯烃等不饱和化合物。反应机理：其中一类的裂化反应是自由基的作用，以乙烷为例：链的引发：CH3CH3→2CH3·链的传递：CH3·+CH3CH3→CH4+CH3CH2·CH3CH2·→CH2=CH2+H·CH3CH2·+CH2=CH2→CH3CH2CH2CH2·链的终止：CH3·+CH3CH2·→CH3CH2CH3CH3CH2·+CH3CH2·→CH2=CH2+CH3CH3例如：C16H34→C8H18+C8H16C8H18→C4H10+C4H8C4H10→CH4+C3H6C4H10→C2H4+C2H6天然气天然气，是一种多组分的混合气态化石燃料，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然气燃烧后无废渣、废水产生，相较煤和石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势。CH4+2O2→CO2+2H2O中俄签署4000亿美元天然气协议天然气的综合利用天然气除了直接用作燃料，还可用于发电，以天然气为燃料的燃气轮机电厂的废物排放水平大大低于燃煤与燃油电厂，而且发电效率高，建设成本低，建设速度快；天然气也可用作化工原料，以天然气为原料的一次加工产品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20个品种，经二次或三次加工后的重要化工产品则包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等50个品种以上。甲醇合成工序：CH4+H2O→CO+3H2（镍催化剂）CO+H2O→CO2+H2（镍催化剂）CO+2H2=CH3OHCO2+3H2=CH3OH+H2O传统能源的缺点传统能源大多属于不可再生能源，虽然像煤的储量是所有矿物中最丰富的，还有石油和天然气等，由于其不可再生性，这些能源总有消耗完的一天。传统能源在利用时，大多是通过燃烧，在燃烧的过程中，产生各种不同的气体、烟尘微粒，污染的空气、水源，特别是排放的温室气体，使全球气候变暖，对人类的生活环境影响较大，就对每个人来说，对其身体，特别是呼吸道方面影响较大。而且其能源利用率也不高。因此，新型能源逐渐诞生了。新型能源核能（下面仅谈其与化学的关系）铀的分离与提取基本原理利用238UF6和235UF6蒸气扩散速度的差异，可分离235U和238U，达到富集核燃料235U的目的。核反应堆中的减速剂主要是重水，它可以减小中子的速率，使之符合发生裂变过程的需要。重水（D2O）的生产：地球上的水约有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以通过电解及蒸馏生产或以化学方法从普通水中提炼出来。可以使用化学方法，是因为重氢及普通氢原子由于质量稍为不同，所以化学反应的速度有异。当水中的半重水到了相当的浓度，重水便会因为水份子之间交换氢原子而慢慢出现。要从半重水再提炼纯正的重水亦可使用电解、蒸馏及化学方法。但是电解及蒸馏所需要的能量会非常巨大，因此一般这一步只会使用化学方法。下面介绍两种主要的化学交换法：GS法是基于在一系列塔内（通过顶部冷和底部热的方式操作）水和硫化氢之间氢与氘交换的一种方法。在此过程中，水向塔底流动，而硫化氢气体从塔底向塔顶循环。使用一系列多孔塔板促进硫化氢气体和水之间的混合。在低温下氘向水中迁移，而在高温下氘向硫化氢中迁移。氘被浓缩了的硫化氢气体或水从第一级塔的热段和冷段的接合处排出，并且在下一级塔中重复这一过程。氨——氢交换法可以在催化剂存在下通过同液态氨的接触从氢气中提取氘。氢气被送进交换塔，而后送至氨转换器。在交换塔内气体从塔底向塔顶流动，而液氨从塔顶向塔底流动。氘从H2中洗涤下来并在液氨中浓集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而气体流入塔顶部的氨转换器。在以后的各级中得到进一步浓缩，最后通过蒸馏生产出反应堆级重水。冷却剂利用液态钠和钠钾合金具有大的热容量和良好的传热性能，用其做冷却剂效果良好。大亚湾核电站海洋渗透能海水渗透法发电原理——渗透原理：如果有两种盐溶液，一种溶液中盐的浓度高，一种溶液的浓度低，那么把两种溶液放在一起并用一种隔膜隔离后，会产生渗透压，水会从浓度低的溶液流向浓度高的溶液。江河里流动的是淡水，而海洋中存在的是咸水，两者也存在一定的浓度差。在江河的入海口，淡水的水压比海水的水压高，如果在入海口放置一个涡轮发电机，淡水和海水之间的渗透压就可以推动涡轮机来发电。而隔膜是渗透发电的关键，它必须具有结实、耐用、透水性能好和阻止盐分通过的性能。而高性能隔膜的研发则要靠材料系的我们。太阳能太阳能是一种重要的洁净无污染新能源，太阳能电池就是实现光电转换的一种电子学。目前深入研究和应用的太阳能电池材料主要是单晶硅、多晶硅和非晶硅系列。单晶硅高纯硅的制取SiO2+2C=Si（粗）+2CO↑（杂质为焦炭）Si+2Cl2=SiCl4↑（沸点较低，可用蒸馏分离）SiCl4+2H2=4HCl+Si（纯）氢能氢具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料，同时氢在工业生产中也有广泛应用。氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演绎了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。2H2+O2=2H2O氢气的制备3Fe+4H2O(水蒸气)=Fe3O4+4H2↑（铁屑法）C+H2O(水蒸气)=CO↑+H2↑（水煤气法）2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑(电解法）利用太阳能制取氢气：例如欧盟集中式太阳能研发项目清洁制作氢气：研发团队利用集中式太阳能系统制作氢气，其工作原理是利用众多圆状抛物面反光镜，将太阳光聚焦反射到由陶瓷材料制成的太阳能发生器（SolarReactor），发生器内部安装多条具有纳米材料涂层的管道，当水蒸气通过管道时分解成氢和氧，其热转换效率可达到70%左右。氢气的储存稀土金属合金是较有前途的合金储氢材料,具有单位体积内高的氢储存容量以及在温和条件下吸附氢的能力。这些合金材料中氢的吸附和脱附性质依赖于合金组成和金属与氢的相互作用。如Mg-30wt%的MgLaNi5和Mg-50wt%的MgLaNi5复合材料。Mgwt30%LaNi5纳米晶复合物在573K时吸放氢量可达5%。而Mg-50wt%的MgLaNi5在长时间球磨后纳米复合物转化成Mg+LaHx+Mg2Ni的复合物,而其在较低的温度下有更好的吸放氢动力学性能,在29℃、500s内吸氢量达到2.5%。LaNi5也是良好的储氢材料。可燃冰天然气水合物（可燃冰）是天然气分子（烷类）被包进水分子中，在海底低温与压力下结晶形成的。形成可燃冰有三个基本条件：温度、压力和原材料。在“可燃冰”中，平均每46个水分子构成8个笼，每个笼里容纳1个CH4分子或1个游离的H2O分子。开采方法1、CO2置换开采法：方法依据的是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下，天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高。因此在某一特定的压力范围内，天然气水合物会分解，而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO2气体，CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。2、固体开采法：该方法的具体步骤是，首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相，采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆，然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理，促使天然气水合物彻底分解，从而获取天然气。电池在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。主要有干电池、蓄电池、锂电池、燃料电池。现对燃料电池进行具体分析。燃料电池燃料电池的主要构成组件为：电极、电解质与连接体等。1、电极燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积。2、电解质电解质的主要作用在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子。3、连接体连接体又称作双极板，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用。其中，固体燃料电池是现在的一个研究热门方向。固体燃料电池（SOFC）在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气(H2)、甲烷(CH4)等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。燃料电池基本原理图SOFC属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。常压运行的小型SOFC发电效率能达到45%~50%。高压SOFC与燃气轮机结合，发电效率能高达到70%，是普通内燃机使用效率的2~3倍。顾名思义，SOFC电解质材料是固态的，例如Ce0.8Sm0.2O1.9（Sm取代Ce20%的位置，简称SDC）。无机化学实验中自己制备的SDC粉体。谢谢观赏