第二章化学与能源

第二章化学与能源,主要内容,1、了解现代社会的能源现状2、能源之母太阳能3、常规能源煤、石油、天然气4、新能源氢能、核能、水能、风能5、实用能源电池,一、我们所面临的能源状况,目前全世界使用的能源90%取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是不可在生能源。,从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：石油：1万亿桶天然气：120万亿立方米煤炭：1万亿吨,按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：,储量有限的化石燃料,大庆油田,从1960年至2002年累计生产原油17多亿吨。27年稳产在5000万吨/年以上。1997年最高产量为5600万吨/年2002年为5013万吨/年2003年计划产量4830万吨/年进入递减开采期。化工报2003-1-18-1,我国一次能源消费总量从1978年的5.3亿吨标准煤，上升到2002年的14.3亿吨标煤。在2004年，我国石油消费量达3亿吨，其中进口1亿吨，估计到2020年，我国石油消费量要达4.5亿吨，其中进口量要达2.7亿吨，到2050年，我国石油消费量要达6亿吨，其中进口量要达4亿吨，相当于目前美国的石油进口量。,二、能源之母太阳能,太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。,地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达1.72(1017)W。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。,目前人类所能够使用的能源形式,（一）对太阳能的间接利用,（1）通过光合作用的形式利用太阳能,太阳能的间接利用,煤炭当代工业的粮食石油当代工业的血液天然气最清洁的化学能源可燃冰未来的新能源生物质能前景广阔的绿色能源,（二）太阳辐射能的直接利用,与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：（1）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净能源”。（2）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。,太阳光谱图,主要的利用途径是光电转换，即把太阳能直接转换成电能。这是人们目前对太阳能利用的主要方式之一。太阳能电池就属于这种转换方式。传统的太阳能电池利用太阳光中高达九成以上的可见光。,（1）对可见光的利用,太阳能电池,太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。,推进舱,轨道舱,附加舱,通讯舱,太阳能电池,太阳能电池,按照所用材料的不同：硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）（光电转化效率高，成本高，制备工艺复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的大阳能电池（处于研发初期、转化效率低、使用寿命短）染料敏化纳米晶体太阳能电池（正在研发）,太阳能电池的发展方向,材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合架设太阳电池组件日本：1994-2000年2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划280M美国：19972010年百万屋顶计划3025MW发电成本6美分集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃,太阳能发电站,太阳能光伏发电系统主要由太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量设备等组成。太阳能发电站一旦建成，不需要运行投资即能运用,但初期投资较高。,加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能反射装置,（2）对红外线的利用,主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。,（3）对紫外线的利用,紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫外光的光子所具有的能量约为399kJ/mol，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347kJ/mol）、C-N（305kJ/mol）和C-S（259kJ/mol）键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。,三、传统能源煤、石油、天然气,煤炭当代工业的粮食石油当代工业的血液天然气最清洁的化学能源,煤炭的结构,1、煤黑色的金子,煤炭有实用价值的综合利用主要有煤的干馏、气化和液化。煤最主要的应用是直接作为燃料。,我国：煤的消耗中，30发电、炼焦；50工业锅炉、窑炉；20人民生活,煤的干馏：,煤的气化：是把煤中的有机物转化为可燃件气体的过程。如果将煤在高温时与水蒸气反应即可制很水煤气，这种气体的燃烧热比半水煤气高1倍。,煤炭液化人造石油,煤炭液化是指以煤炭为原料，通过化学加工过程，生产油品和石油化工产品。,煤炭直接液化:,煤炭间接液化:,煤炭,煤粉,油煤浆,加氢裂化,液体油品,煤炭、氧气、水蒸气,H2和CO的混合气体,2、石油的形成,石油是远古时代沉积在海底湖泊中的动植物的遗体，在海洋条件作用下经过千百万年的漫长转化过程而生成。,水中生物的遗骸下沉而埋没于地下,因地热或地压等作用变成石油,石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中,石油所含的基本元素是碳和氢(达9798)，同时含少量硫、氧、氮等元素。石油（原油）经过分馏可得到系列产品，如溶剂油、汽油、柴油、润滑油等。,原油加工示意图,汽油和汽油性能的表征辛烷值,辛烷值是汽油抗暴性能的间接量度，车用汽油标号就是按照汽油的辛烷值大小划分的，例如90号汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。,提高汽油辛烷值的方法：1.提高异辛烷的含量2.加少量的四乙基铅Pb(C2H5)2,（一）核裂变能,使一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程，称为核裂变。核裂变是取得核能的重要途径之一。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量，1克235U完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量。,三、新能源,要大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:第一，重核裂变要形成链式反应；第二，链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。,链式反应,中子,鈾-235核分裂,放射性废料的危害核废料是指含有、和辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。,核裂变能的利用带来的问题,研究表明，孕妇在怀孕初期腹部受过X光照射，她们生下的孩子与母亲不受X光照射的孩子相比，死于白血病的概率要大50%。受放射性污染的人在数年或数十年后，可能出现癌症、白内障、失明、生长迟缓、生育力降低等远期效应，还可能出现胎儿畸形、流产、死产等遗传效应。,切尔诺贝利核电站,放射性核废料的处理与核能相关的一个最困难的问题就是在开采、燃料生产以及反应堆的运行过程中产生的核废料的处理，如何处理这些废料可能将是最终核能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有“天葬”、“水葬”和“火葬”三种方法。,“天葬”：把核废料先固化成玻璃块，装到特制的合金棺中，在棺材外面装上隔热外套，然后用航天飞机把它带入预定的轨道，机械手随即把它推入太空，再点燃助推火箭将它送入3000千米的轨道上，让核废料远远离开人类生活的地球。,“火葬”：火葬前，先在地下挖一个深坑，把放射性物质放入坑内，用特制的盖子把坑顶盖好。将空气净化器上的一根导管从盖子上插入坑内，坑内装个碳电极，电极接通后，就会产生一股强大的电流，使坑内的泥土温度上升到几百度。,在这样的高温下，泥土开始溶化，使核废料均匀地分布在浆状的泥石溶液里。当溶化的泥石浆冷却后，与核废料一起形成了一种类似天然岩石的坚硬物质，其硬度比天然花岗石和大理石更高，渗透性更低，而且体积也缩小了好几倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物质均被围困在里面，不会外泄。,“水葬”就是将深海作为核废料的墓场。将核废料装入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。,氢能经济的背景,大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。能源结构单一，过渡依赖化石能源。经济增长、环境保护和社会发展的压力。,氢：原料来源丰富(水)，燃烧热值高，清洁无污染,（二）理想的新能源氢能,氢气作为能源遇到的两个问题,氢气的制备,氢气的储存,（一）氢气的制备,（）热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物(煤、石油、天然气、生物质等)输入高温化学反应器，生成由H2、CO、CO2和CH4等组成的合成气体，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。,（2）电解水制氢工艺,该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。,理想的氢能源示意图,氢气的储存,近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达10%。,电池的分类：电池按照其使用性质的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大类。,四、实用的能源化学电池,原电池,锌锰干电池：负极是锌做的圆筒，正极是一根探棒，周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混合剂包围。,干电池发电时反应如下：,负极：Zn-2e-=Zn2+正极：2NH4+MnO2+2e-=2NH3+MnO+H2O电池反应:Zn+2NH4Cl+MnO2=ZnCl2+2NH3+MnO+H2O,使用过程中，负极锌筒逐渐消耗以致穿漏，正极处的MnO2的活性逐渐衰减，最后干电池不再供电而失效。,蓄电池,蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，正极铅板上是二氧化铅，负极铅板上是海绵状铅。,内部构造,外部构造,蓄电池放电时发生下列反应：负极(Pb):Pb+SO42-2e-=PbSO4正极(PbO2):PbO2+4H+SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O电池充电时发生与上述反应相反的反应,电动自行车,锂电池,锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。,锂电池自行车,目前，商业化锂离子二次电池的正极材料主要是LiCoO2，负极材料主要为C，充电时发生如下反应：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+xLi+xe-负极反应：C+xLi+xe-CLix电池总反应：LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。,燃料电池,燃料电池(FuelCell，FC)是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地按