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1、能源安全與新能源開發(fā)利用 第二部分 化學與能源（二） 開發(fā)新能源 從資源角度考慮，我國常規(guī)能源相對不足， 人均占有量僅為世界平均水平的一半。能源 供需矛盾突出。 我國能源以石油和煤炭為主，天然氣的產(chǎn)量 近年來有很大增長，可這些主要能源也造成 了環(huán)境污染，而且不可再生。 尋找新能源迫在眉睫 新能源：可燃冰 新能源：可燃冰 可燃冰的學名是天然氣水合物 (Gas Hydrates )， 這是天然氣和水在特定的條件下所形成的一種透 明的冰狀結(jié)晶體 ,又稱 “ 氣冰 ” 、 “ 固體瓦斯 ” 。 是一種清潔高效、使用方便的新能源。 越來越多的科學家相信未來潔凈能源的最大一部 分也許就藏在海底或高緯度永凍

2、區(qū) 可燃冰的構成 天然氣水合物與天然氣成分相似，且更為純凈， 簡單地說，它是天然氣被包進水分子中，在海底 低溫和很高壓力下形成的一種冰狀的固態(tài)晶體。 其結(jié)構是若干個水分子通過氫鍵構成多面體籠子， 籠子中包含有客體的天然氣分子，還可以是 CO2、 N2、 H2S等小分子氣體，它們被統(tǒng)稱為氣水化合 物。其化學成分不穩(wěn)定，可用 MnH2O表示 從化學結(jié)構來看，天然氣 水合物是這樣構成的：由 水分子搭成像籠子一樣的 多面體格架，以甲烷為主 的氣體分子被包含在籠子 格架中。不同的溫壓條件， 具有不同的多面體格架。 可燃冰的性能 能量密度高，燃燒值高。 1m3相當于 164m3的天然氣。 清潔無污染（幾乎

3、不產(chǎn)生任何燃燒廢棄物， SO2比 燃燒油或煤低 2個數(shù)量級） 使用方便。壓力降低就足以使天然氣水合物晶體分 解并釋放出大量甲烷氣體。 注意：甲烷的溫室效應是 CO221倍，是一種對環(huán)境 破壞作用最大的溫室氣體 危險性高 可燃冰的形成條件 被稱為水合甲烷的物質(zhì)大量沉積 低于 20oC的溫度 較大的壓力 有專家預測，可燃冰至少能為人類提供 1000年 的能源，它將來有望替代煤、石油和天然氣，成為“ 21 世紀的新能源”。 可燃冰的開發(fā)利用 1810年，英國，達威在實驗室發(fā)現(xiàn)“天然冰”。雖然是塊香餑 餑，但開發(fā)利用仍然很困難： 勘探定位技術，開采技術 提制可燃氣的技術 運輸?shù)膯栴} 低成本開發(fā) 其它：

4、 未燃燒的天然氣水合物直接排入大氣產(chǎn)生的強烈溫室效應 未燃燒的天然氣水合物對海底已有油氣管道造成危險 對魚的生長的威脅 對航行的威脅 天可燃冰如何保持高壓、低溫狀態(tài)等 新能源：氫 理想能源 2000年 1月，美國通用汽車推出了使用新能源的 汽車 氫能概念車，在悉尼奧運會的馬拉松比 賽中，通用汽車公司的“氫動 1號”作為開道車， 出盡了風頭。 氫是萬物之主，大約 100億年前，大量的氫核遍 布太空。 直到現(xiàn)在，太陽總體積 80%仍是氫；木星氫占 82%；地球上地殼內(nèi) 100個原子中有 17個氫原子， 其數(shù)目僅次于氧而居第二位。 新能源：氫的優(yōu)點 資源豐富。 H主要以化合態(tài)存在于水中，地球上水 資

5、源豐富， H2燃燒的產(chǎn)物是水，二者無限循環(huán) 氫作為燃料的獨一無二的優(yōu)點是，它的燃燒產(chǎn)物是 水，不會污染環(huán)境，燃料循環(huán)與生物圈相吻合。 按重量計算，氫的能量是同量汽油能量的 2.5倍左右。 如果把噴氣機上的燃料換成同等效能的氫，就會大 大節(jié)省重量，這也使氫成為一種航空燃料具有的明 顯優(yōu)點。 新能源：氫的優(yōu)點 氫的燃燒值很高，即燃燒時產(chǎn)生的熱量很高，在空 氣中燃燒，溫度可達 1000oC。在氧氣中燃燒，可達 2800oC高溫。它產(chǎn)生的熱量比汽油高得多。 1gH2燃 燒時放熱 130KJ，是汽油的 34倍 使用方便，現(xiàn)有內(nèi)燃機，稍加改裝就可用氫作燃料， 也可通過燃料電池將氫能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?氫的運輸和

6、銷售費用要比輸電的便宜，在許多情況 下，把現(xiàn)有的天然氣管線改造一下，就能用來運輸 氫。運送氫的費用只為遠距離輸電的八分之一。氫 還可能比電更宜于儲存。 新能源：氫的存儲 常溫常壓下， H2的密度小，能量 /體積比小，所以必須解決 貯存問題 儲氣罐 高壓鋼瓶 液化 H2：需要很厚的絕熱保護層。 貯氧合金技術：金屬與 H2充分反應，回執(zhí)后釋放 H2。 碳納米材料：新型貯氧材料。（ 1999年我國研制，與克 隆羊同時被評為我國十大科技新聞） 大量儲存氫一般有兩種方法： 一種方法是 高壓下液化為液氫 。但在常壓下，氫氣必須 降溫至 -252度才能變成液體，這種方法成本高，而且儲存液 氫要有極好的絕熱設

7、備 托瓦瓶。液氫易逸散滲漏，會釀成 嚴重火災和爆炸事故。 另一種方法是 用某些金屬或合金來儲存氫 。氫有一個奇 持的性質(zhì)，它會與某些過渡金屬 (如鈀等 )或合金形成金屬氫 化物，如 1體積膠狀銠 (Rh)能吸收 2900體積氫氣。當溫度升高 或體系氫壓降低時，它們就放出氫。利用儲氫材料儲氫具有 儲存量高、可逆、安全等優(yōu)點。 氫的儲存方法 新能源：氫的制作 實驗室制氫： Na， Ca與 H2O反應制 H2等 工業(yè)制氫：天然氣、石油裂解可制 H2，水煤氣可 用煤炭制 H2，但消耗化石燃料制 H2從能源角度講 毫無意義。 用 H2O制氫： 電解 H2O 熱化學分解 利用太陽能分解水 生物制 H2：

8、模擬光合作用 研究新的合理的制氫方法是一項一勞永逸地解決能源 問題的研究課題，理想的氫能源如圖所示。 理想的氫能源示意圖 光分解水制氫的研究中已找到一些催化劉，如 鈣和聯(lián) 吡啶形成的配合物 。它吸收的陽光正好近似于水分解成 氫和氧所需的能量。另外， 二氧化鈦和某些含鈣的化合 物 也是較適用的催化劑。 有人大膽設想用城市垃圾和污水來制取氫氣，主要 原理是： 日本東京大學的科學家在氬和氦的氣流中 ， 將陶瓷 CNF 加熱至 300度 ， 然后用注射針頭向 CNF注水制得氫 。 由于水解 后 CNF又回到非活化狀態(tài) ， 所以 CNF能反復使用 。 在每一次 反應中 ， 平均每克 CNF可產(chǎn)生 2至

9、3厘米 3H2。 我國在世界上首次完成生物制氫中試實驗 。 哈爾濱建筑大 學的學者利用細茵從污水中分解收集氫氣 ， 并于 2000年 2月初 完成中試實驗 。 利用含碳水化合物的有機廢水通過生物發(fā)酵 制氫 ， 使人類找到了一種新的可再生的潔凈能源 。 新能源：氫的利用 直接燃燒 氫能電池 新能源：二甲醚 二甲醚 (Dimethyl ether)，簡稱 DME，化學分子式 為 CH3OCH3，是一種含氧燃料，它無毒性，常溫常壓 下為氣態(tài)，常溫時可在五個大氣壓下液化，具有與 液化石油氣相似的物性。 二甲醚無 C-C鏈，其十六烷值大于 55，具有優(yōu)良的 壓縮性，非常適合于壓燃式發(fā)動機，用作為柴油機

10、的代用燃料。而常規(guī)發(fā)動機代用燃料液化石油氣、 天然氣、甲醇，它們的十六烷值都小于 10，一般只 適合于點燃式發(fā)動機。 新能源：二甲醚制備 二甲醚燃料的 制取原理 可以煤、天然氣、生物有機物 等為原料產(chǎn)生合成氣一氧化碳、二氧化碳和氫氣，然 后常規(guī)法先制得甲醇，進一步脫水制成二甲醚。 二甲醚的 生產(chǎn)方法 最早是由高壓甲醇生 產(chǎn)中的副產(chǎn)品精餾后制得，隨著低壓合成甲醇技 術的廣泛應用，副反應大大減少，二甲醚的工業(yè) 生產(chǎn)技術很快發(fā)展到甲醇脫水或合成氣直接合成 工藝。近年來，二甲醚的需求量增長較大，各國 又相繼開發(fā)投資省、操作條件好、無污染的新工 藝，主要包括 二步法和一步法 ，一步法具有流程 短、設備效

11、率高、操作壓力低和 CO單程轉(zhuǎn)化率高 等特點，合成二甲醚的生產(chǎn)成本較兩步法大幅度 降低。因此，一步法經(jīng)濟上更加合理，市場上更 具競爭力，總體上來說更具技術優(yōu)勢。 新能源：二甲醚使用 用于生活： DME在排放與燃燒方面都優(yōu)于 LPG， 只要有價格優(yōu)勢， DME大量替代 LPG是比較容易 的。因為 LPG的原有設施完全可以用于 DME。 用于燃氣輪機的燃料：建立以 DME為燃料的電廠 替代柴油：這是一個重要領域。因為以超清潔燃料 取代柴油是個世界性課題，對中國尤其有挑戰(zhàn)性與 迫切性。因為柴油是我國油品中用量最大，也是目 前缺口最大的燃料（目前的柴油機難以滿足環(huán)保要 求）。 作為高附加值化工產(chǎn)品的中

12、間原料：如 CH3OOH(醋酸 ) LPG 液化石油氣是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有 少量的丙烯和丁烯。一種強烈的氣味劑乙硫醇被加 入液化石油氣，這樣石油氣的泄漏會很容易被發(fā)覺。 液化石油氣是在提煉原油時生產(chǎn)出來的，或從石油 或天然氣開采過程揮發(fā)出的氣體。 液化石油氣 (LPG)常被人們誤認為是丙烷。實際上 LPG是石油 和天然氣在適當?shù)膲毫ο滦纬傻幕旌衔锊⒁猿匾?態(tài)的方式存在。在美國和加拿大，對這兩種物質(zhì)的 混合通常被認為主要是由丙烷組成，而在許多歐洲 國家其 LPG中的丙烷含量都只有 50%或更低。 新能源：太陽能（能源之源） 地球上最根本的能源是太陽能。煤、石油中的化學能是 由太陽能轉(zhuǎn)

13、化而成的，風能、生物能、海洋能等其實也 都來自太陽能。 太陽每年輻射到地球表面的能量為 50 1018kJ，相當于 目前全世界能量消費的 1.3萬倍，真可謂取之不盡用之 不竭，因此利用太陽能的前景非常誘人。陽光普照大地， 單位面積上所受到輻射熱并不大，如何把分散的熱量聚 集在一起成為有用的能量是問題的關鍵。太陽能的利用 方式是 光電轉(zhuǎn)化或光化學轉(zhuǎn)化 。 新能源：太陽能利用 聚集陽光 太陽能的熱利用是通過集熱器進行光熱轉(zhuǎn)化的，集熱器也 就是太陽能熱水器。它的板芯由涂了吸熱材料的銅片制成 的，封裝在玻璃鋼外殼中。銅片只是導熱體，進行光熱轉(zhuǎn) 化的是吸熱涂層，這是特殊的有機高分子化合物。封裝材 料也很

14、有講究，既要有高透光率，又要有良好的絕熱性。 隨涂層、材料、封裝技術和熱水器的結(jié)構設計等不同，終 端使用溫度較低的在 100 以下，可供生活熱水、取暖等； 中等溫度在 100 300 之間，可供烹調(diào)、工業(yè)用熱等； 高溫的可達 300 以上，可以供發(fā)電站使用。 新能源：太陽能利用 光電轉(zhuǎn)換 太陽能也可通過光電池直接變成電能，這就是太 陽能電池、光伏打電池。它們具有安全可靠、無 噪聲、無污染、不需燃料、無需架設輸電網(wǎng)、規(guī) ?？纱罂尚〉葍?yōu)點，但需要占用較大的面積，因 此比較適合陽光充足的邊遠地區(qū)的農(nóng)牧民或邊防 部隊使用。 光電池應用范圍很廣，大的可用于微波中繼站、 衛(wèi)星地面站、農(nóng)村電話系統(tǒng)，小的可用

15、于太陽能 手表、太陽能計算器、太陽能充電器等，這些產(chǎn) 品已有廣大市場。 -太陽能庭院燈系列 太陽能電站 - 新能源：太陽能利用 光化學轉(zhuǎn)換 :儲存陽光 熔鹽儲能法 太陽能光解 H2O制 H2 綠色植物光合作用 新能源：海洋能 在地球與太陽、月亮等互相作用下海水不停地運動， 站在海灘上，可以看到滾滾海浪，在其中蘊藏著潮 汐能、波浪能、海流能、溫差能等，這些能量總稱 海洋能。 主要特點： 可再生性 清潔能源 能量多變，不穩(wěn)定性 能量巨大，頒布分散不均 海洋能 潮汐能 潮汐能是以位能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能，是指海水潮漲和潮落 形成的水的勢能。 海水漲落的潮汐現(xiàn)象是由地球和天體運 動以及它們之間的相互作用而

16、引起的。 在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升 高。由于地球的旋轉(zhuǎn)，這種水位的上升以周期為 12h25min 和振幅小于 1m的深海波浪形式由東向西傳播。太陽引力的 作用與此相似，但是作用力小些，其周期為 12h。 當太陽、月球和地球在一條直線上時，就產(chǎn)生大潮；當它 們成直角時，就產(chǎn)生小潮。除了半日周期潮和月周期潮的 變化外，地球和月球的旋轉(zhuǎn)運動還產(chǎn)生許多其他的周期性 循環(huán)，其周期可以從幾天到數(shù)年。同時地表的海水又受到 地球運動離心力的作用，月球引力和離心力的合力正是引 起海水漲落的引潮力。 海洋能 波浪能 波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。 波浪的能量 與波高的平方、波

17、浪的運動周期以及迎波面 的寬度成正比。 波浪能是海洋能源中能量最不穩(wěn)定的一種能源。 波浪能是由風把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，它實質(zhì)上是吸收 了風能而形成的。能量傳遞速率和風速有關，也和風與水相 互作用的距離（即風區(qū)）有關。水團相對于海平面發(fā)生位移 時，使波浪具有勢能，而水質(zhì)點的運動，則使波浪具有動能。 貯存的能量通過摩擦和湍動而消散，其消散速度的大小取決 于波浪特征和水深。 深水海區(qū)大浪的能量消散速度很慢，從而導致了波浪系統(tǒng)的 復雜性，使它常常伴有局地風和幾天前在遠處產(chǎn)生的風暴的 影響。 波浪可以用波高、波長（相鄰的兩個波峰間的距離） 和波周期 （相鄰的兩個波峰間的時間）等特征來描述。 海洋能

18、溫差能 溫差能是指海洋表層海水和深層海水之間水溫之差的 熱能。 海洋是地球上一個巨大的太陽能集熱和蓄熱器。 由太陽投射到地球表面的太陽能大部分被海水吸收， 使海洋表層水溫升高。赤道附近太陽直射多，其海域 的表層溫度可達 25 28 ，波斯灣和紅海由于被炎熱 的陸地包圍，其海面水溫可達 35 。而在海洋深處 500 1000m處海水溫度卻只有 3 6 。這個垂直的溫 差就是一個可供利用的巨大能源。在大部分熱帶和亞 熱帶海區(qū)，表層水溫和 1000m深處的水溫相差 20 以 上，這是熱能轉(zhuǎn)換所需的最小溫差。據(jù)估計，如果利 用這一溫差發(fā)電，其功率可達 2TW。 海洋能 鹽差能 鹽差能是以化學能形態(tài)出現(xiàn)

19、的海洋能。 地球上的水分為兩大類：淡水和咸水。全世界水 的總儲量為 1.4 109km3，其中 97.2為分布在大 洋和淺海中的咸水。在陸地水中， 2.15為位于 兩極的冰蓋和高山的冰川中的儲水，余下的 0.65 才是可供人類直接利用的淡水。海洋的咸水中 含有各種礦物和大量的食鹽， 1km3的海水里即含 有 3600萬 t食鹽 海洋能 海流能 海流能是另一種以動能形態(tài)出現(xiàn)的海洋能。所謂海流主要是指海 底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導致的有規(guī)律的海 水流動。其中一種是海水環(huán)流，是指大量的海水從一個海域長距 離地流向另一個海域。 引起因素兩種：首先海面上常年吹著方向不變的風，如赤道南側(cè)

20、常年吹著不變的東南風，而其北側(cè)則是不變的東北風。風吹動海 水，使水表面運動起來，而水的動性又將這種運動傳到海水深處。 隨著深度增加，海水流動速度降低；有時流動方向也會隨著深度 增加而逐漸改變，甚至出現(xiàn)下層海水流動方向與表層海水流動方 向相反的情況。在太平洋和大西洋的南北兩半部以及印度洋的南 半部，占主導地位的風系造成了一個廣闊的，也是按反時鐘方向 旋轉(zhuǎn)的海水環(huán)流。在低緯度和中緯度海域，風是形成海流的主要 動力。其次不同海域的海水其溫度和含鹽度常常不同，它們會影 響海水的密度。海水溫度越高，含鹽量越低，海水密度就越小。 這種兩個鄰近海域海水密度不同也會造成海水環(huán)流。海水流動會 產(chǎn)生巨大能量。 核

21、能（原子能） 原子核是帶正電的質(zhì)子和中子的緊密結(jié)合體， 其直徑不及原子直徑的萬分之一，但其質(zhì)量 卻占原子質(zhì)量的絕大部分。 為體么帶正電的質(zhì)子少可以緊密的結(jié)合在原 子核中？由于 核力 的存在。當兩個核子間距 離為 310-13cm以內(nèi)時核子間有很強的吸引力 （遠大于靜電排斥力），但一旦超過這一距 離，核力則驟減為 0。 質(zhì)子 原子核 核子 原子 中子 電子 核子結(jié)合能 當核子因彼此間強核力的吸引作用而緊密結(jié)合 成穩(wěn)定的原子核時，會釋放巨大的能量，這種 能量叫核子結(jié)合能。 結(jié)合能的大小 2E mc= 原子能釋放途徑 原子能釋放途徑主要有兩個 輕核聚變成為一個較重核 重核裂變成兩個質(zhì)量中等的核 在輕

22、核區(qū)，如將平均結(jié)合能小的核聚變成平均結(jié)合 能大的核，將釋放巨大的能量。例如， 2個 2H核，聚 變成 1個 或 1個 2H核和 3H核聚變成 1個 核，并 釋放出一個 ,都會釋放巨大能量。 這是核聚變反 應和氫彈研制的理論依據(jù)。 在重核區(qū)，重核的平均結(jié)合能比中等核小，當它分 裂為兩個中等核時，平均結(jié)合能升高，所以重核裂 變時釋放巨大能量， 這是制造核能反應堆與原子彈 的理論根據(jù)。 42He 10n 42He 原子能釋放途徑特點 兩種方法的共同之處是平均結(jié)合能低的核轉(zhuǎn)變成 平均結(jié)合能高的核，在轉(zhuǎn)變過程中，出現(xiàn) “ 質(zhì)量 虧損 ” ，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成增加的結(jié)合能釋放出 來 物質(zhì)與能量是同一事物的兩

23、個不同方面，物質(zhì)可 以消失，但同時會產(chǎn)生一定的能量，能量可以消 失但同時會產(chǎn)生一定的物質(zhì)。即使很少量的物質(zhì) 也能產(chǎn)生極大的能量。所以物質(zhì)和能量合在一起， 既不能創(chuàng)造，也不能被消滅 核裂變能及利用 1938年德國化學家哈恩與他的助手用中子轟擊鈾原 子核后，得到兩個大小相仿的較小的核，并把這種 現(xiàn)象稱為裂變，釋放出的能量稱為 裂變能 。 同一年法國居里夫婦通過實驗發(fā)現(xiàn)一個中子引起一 個鈾核裂變的同時，釋放 23個中子，新產(chǎn)生的中子 以同樣的方式轟擊其他鈾核使其裂變，一變二，二 變四，四變八 。如不加控制，這種連鎖反應越 來越激烈，在百萬分子一秒內(nèi)就會把蘊藏在原子核 內(nèi)的巨大能量釋放出來。（雪崩式裂

24、變 ） 核裂變能及利用 通常情況下，這種反應不能持續(xù)下去，因為 238U會把大部分 中子吃下去， 235U才是鏈式反應的關鍵。所以要讓反應持續(xù) 下去， 分離提純 235U 使中子減速至 (用重水和石墨 ) 利用： 1.核彈： 2.核電：和平利用，另外產(chǎn)生的碎核可作標記原子，射線可用 于醫(yī)學技術 1 40 ev 沖擊波 破壞因素 高溫 大火 輻射( 強光, X 射線，Y 射線) 輻射病 可控核聚變 地球的能量大部分間接或直接來自于太陽，太陽的能 量從何而來？ 1938年，美國科學家貝茨最先回答了這個問題：太陽 能來自核聚變，在極高的溫度下，由兩個 H原子合成 一個 He原子的熱核聚變。 能否用太

25、陽的方法生產(chǎn)能量？ 1954年 3月 1日，美國在太平洋上的比基尼島上成功爆 炸了第一顆氫彈，開始了人類研究熱核反應的新篇章。 可控核聚變 核裂變產(chǎn)生巨大能量，但遠不及核聚變，裂變堆的 核燃燒蘊藏也極為有限，不僅產(chǎn)生巨大的輻射，傷 害人體，而且貽害千年的廢料也很難處理。 核聚變的輻射則少得多，而且核聚變能幾乎是一種 取之不盡的能源。其研究是當今世界科技界為解決 人類未來能源問題而開展的主攻課題之一 。 可控核聚變 熱核反應的原料是氫的同位素氘（以及氚）。 氘的提煉比鈾容易，而且在地球上的含量也極 其豐富，每噸海水含氧化氘 140g，每桶海水所 含氘的能量相當于 300桶汽油。地球上的海水 有

26、1.371018t，按目前的耗能水平計算，氘所能 產(chǎn)生的能量可供全人類用 1萬億年。 另一方面，熱核反應的產(chǎn)物是氦，同核裂變相 比，聚變產(chǎn)生的放射性小得多，基本不造成污 染，所以說氘是較“干凈”的能源。 可控核聚變 核聚變過程非常復雜，有兩種可能 核聚變應用： 氫彈： 1967年我國氫彈爆炸成功（氘，氚） 研究可控核聚變：將核聚變產(chǎn)生的巨大能量按人類意愿 有控制地釋放出來，其目標是建成聚變能核電站。目前 尚有大量技術問題需要解決，科學家正突破各項關鍵技 術，以最終建成商用核聚變電站。據(jù)估計，可控熱核反 應可望在 2025年投入商用。 3 2 4 11 1 2 0H H H e n+? CN 質(zhì)子- 質(zhì)子( H - H ) 循環(huán) 循環(huán) - 1、什么是一次能源、二次能源、可再 生能源、非再生能源、常規(guī)能源和新 能源？ 2、氫能源優(yōu)點是什么？氫能源的制取 方法有哪些？ 作業(yè)