制冷剂是如何破坏臭氧层的以及目前新型环保制冷剂的研究进展.docx

制冷剂是如何破坏臭氧层的以及目前新型环保制冷剂的研究进展臭氧层的破坏是人类当今所面临的重要环境问题之一,多数科学家认为, 人类过度使用氟氯烃( CFCs )类物质是臭氧层破坏的主要原因之一。臭氧层变薄意味着到达地表的太阳紫外线增强。较强的紫外线辐射, 会伤害人的皮肤、眼睛, 损坏人的免疫系统, 还会对粮食作物、陆生生物及水生生物造成危害。然而，目前制冷技术被广泛的应用在家用电器（电冰箱、空调器）、商用冷冻、冷藏及医疗、科研等领域，在人们的生活中发挥着至关重要的作用。但是制冷行业中使用的制冷剂多为CFCs (氯氟烃的统称)和HCFCs(含氢氯氟烃)。但是由于这些物质能够产生温室效应，并且对臭氧层具有很大的破坏作用。因此，这里我将简单介绍臭氧层的形成、制冷剂破坏臭氧层的机理以及目前新型环保制冷剂的研究状况。一、臭氧层的形成臭氧由3 个氧原子(O3 ) 构成。自然界中的臭氧, 大多分布在距地面20 50 km的大气中, 将其称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要来源于紫外线。太阳光线中的紫外线分为长波和短波, 当大气中(含有21% )的氧气分子受到短波紫外线照射时, 氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强, 极易与其他物质发生反应。如与H2 反应生成H2O, 与C反应生成CO2。同样, 与O2 反应时, 便形成了O3。臭氧形成后, 由于其比重大于氧气, 会逐渐向臭氧层的底层降落, 在降落过程中随着温度的上升, 臭氧不稳定性越加明显, 再受到长波紫外线的照射,再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。由于臭氧和氧气之间的平衡, 在大气中形成了一个较为稳定的臭氧层。臭氧层是指在大气平流层中距地面20 25 km的特殊大气层, 这一大气层的臭氧含量特别高, 含量接近0. 01mg /ml 高空大气层中约有90%的臭氧集中在臭氧层, 而大气中平均臭氧含量大约仅为0. 0003mg/ml。太阳光中也存在对生物生存有害的紫外线, 按生物效应的不同, 可将太阳光中的紫外线分为3 类：弱效应波长(UV-A, 320 400 nm, 对生物影响不大)、强效应波长(UV-B,280 320 nm, 对生物有杀伤作用) 和超强效应波长(UV-C,200 280 nm, 属灭生性辐射)。通常情况下, 大气平流层中的臭氧几乎吸收了全部的UV-C和90% 左右的UV-B。臭氧层是地球的“保护伞”。因此, 臭氧层的破坏会对生活在地球的生物产生重要影响。二、臭氧层破坏的机理1974年美国科学家Row land和Molina认为, 同温层渗入了氟氯甲烷、氯原子对臭氧具有催化破坏作用。在平流层的臭氧层中, 在太阳紫外线的照射下, 有如下反应平衡:由于排放出来的CFCs 气体具有非常稳定的特点, 在大气对流层中几乎完全不分解, 所以能够扩散到大气平流层中, 当其受到来自太阳的紫外辐射时, 就会发生碳氯链断裂的光化学反应, 产生氯原子, 如：CFCl3hvCFCl2 + Cl接着Cl会引发一系列破坏臭氧的链式反应C l+ O3hvC lO+ O2C lO+ OhvCl+ O2净反应为: O + O3hv2O2其作用机制见图1。相关研究表明, 1个氯原子引发的这种链式反应大约可以破坏10万个臭氧分子, 所以CFCs 气体的排放致使O3 不断消耗, 从而使臭氧失去其吸收紫外线的性能。三、新型环保制冷剂的研究现状国际上先后通过了关于臭氧层保护计划、保护臭氧层维也纳公约、关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书。我国于1991年6 月签署了5议定书6的伦敦修正案, 目前议定书的缔约方已达168个。1994年第52次联合国大会决定, 把每年的9月16 日定为国际保护臭氧层日。我国正在为实现议定书规定的指标而努力, 制定并实施了20余项有关保护臭氧层的政策。这对减少消耗臭氧层物质浓度及保护臭氧层具有重要意义。同时，国际公约强制规定制冷剂氟利昂将全面禁用。发达国家必须在2030年前全面禁用，发展中国家也不迟于2040年。因此，新型环保制冷剂的研究迫在眉睫。目前使用较多的制冷剂是CFCs 、HCFCs 和HFCs。这三类制冷剂都属于氟利昂家族的成员，都被认为是温室气体。近些年，在制冷剂的研究替代过程中，主要形成了以下三种替代路线。1、HFCs 制冷剂。仍以元素周期表中的“F”元素为中心,开发了以F、H、C元素组成的化合物,如:HFC134a、HFC32、HFC152a、HFC143a、HFC125等及其混合物R407C、R410a等。2、天然工质, 以元素周期表中的C、H、O、N 等元素组成的碳氢化合物, 如HCs、CO2、NH3 等。3、混合制冷剂，将两种以上的制冷剂按照一定的比例混合形成新的制冷剂。（1）R11 的替代制冷剂R11是第一批要被替代的制冷剂，R11的替代物目前主要有R123、R22、R134a、R245ca等。 R123从R11和R123的理化数据上看，R123的环境性能好，但有毒； 具有较高的化学稳定性和热稳定性。 R11的其它替代物由于R123仍具一定的（臭氧破坏系数）ODP，今后也将被禁用，因而还正在研究R11的最终替代物。R245ca被认为是一种具有前景的替代物。它具有与R11相近的饱和压力，有较好的稳定性及较低的毒性。（2）R12的替代制冷剂R12 也是第一批要被淘汰的制冷剂。目前国内外采用的R12的替代物,大体上分为三类: R 134a；碳氢化合物R600a 及其混合物；二元或三元化合物。 R 134a R 134a已经广泛应用在冰箱、冰柜、汽车空调、中小型离心式压缩机冷水机组中等。与R12 相比，R134a的环保和安全性能较好；冷凝压力较高；饱和气密度较小, 容积制冷量小；R134a的汽化潜热较大,将使单位质量制冷量增大；质量比热容比较小,将使压缩机排气温度降低；R134a对金属材料的影响程度基本上与R12 的相当，对塑性材料的影响程度也基本相当。 碳氢化合物R600a及其混合物碳氢化合物不仅不破坏臭氧层，而且GWP值很小。在家用冰箱方面，异丁烷R600a以及R290/R600a得到了广泛的应用。碳氢化合物的优点是：环保性能好；热工性能好；油熔性能好，不用更换润滑油；材料相容性好；因质量制冷量大，则充注量少。缺点是: 易燃、易爆；容积制冷量相差大，压缩机需改型；纯异丁烷在蒸发时处于真空状态，密封性要求高；含丙烷R290的系统会出现噪音偏大。 正在研发的R12 的替代物针对R134a存在的问题，国际上正在研发第三代替代物， 如：被提及的：HFC245CB/HFC134a、HFE143a、HFE143a/H FC152a 和HFE125/HC270等共沸混合物以及可能的纯工质HFC134a和HFC245cb。但目前还没有各方面都理想的R12 的新型替代物。（3）R 22的替代制冷剂R22 是第二批要被淘汰的制冷剂。目前国内外采用的比较成熟的替代物是R407c和R410a，其他的还有R134a、HEC32/HFC134a、R 290、THR03等。（4） 天然工质由于人工合成制冷剂对环境的影响, 人们开始重新将目光转向对地球生态系统无害的水、氨、二氧化碳、空气、碳烃化合物等自然工质。其中CO2尤其受到重视。CO2制冷剂是一种安全无毒、不可燃的自然工质,不破坏臭氧层,温室效应系数(GWP=1),价格低廉,不需回收,可降低设备报废处理成本。CO2的热力性质很好,单位容积制冷量为人工制冷剂的310倍。经过汽车空调的实验, CO2系统的效率虽