第六章-能源工程中的化学.ppt

1、2020年8月2日1时32分,第六章 能源工程中的化学（,了解能源利用和发展的形势； 了解清洁能源和可再生能源的发展动态； 理解蓄电池的构成及其电化学原理； 熟悉化学在解决能源危机中的作用。,2020年8月2日1时32分,6.1 能源概论 6.2 化石能源的有效利用和清洁生产 6.3 蓄电池 6.4 可再生能源,2020年8月2日1时32分,6.1 能源概论,6.1.2能源的定义与分类: 能源是指可以从其中获得能量的资源。 能源的分类: （一）地球外的太阳能、地球自身蕴藏的能量、地球和其他天体引力相互作用形成的能量（如潮汐能） （二）一次能源与二次能源、可再生能源与非再生能源、常规能源与新能源

2、 （三）燃料能源与非燃料能源 （四）清洁能源与非清洁能源,2020年8月2日1时32分,能源的分类,2020年8月2日1时32分,2020年8月2日1时32分,6.2 化石能源的有效利用和清洁生产,6.2.1化石燃料的定义、分类和组成,煤、石油、天然气构成了化石燃料。,石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中75以上是各种各样的烃类，其他组分是含氧、氮、硫及含金属的化合物。,天然气的主要成分是甲烷。当甲烷的体积分数高于0.5，称为干天然气；降至0.5则称为湿天然气，“湿”表示这种天然气中含有较多高沸点的容易液化的烃类。,2020年8月2日1时32分,煤是由有机物、无机物组成的一种混合物，主要成

3、分为碳和氢，也含有少量硫、氧、氮、灰分等。,由植物残骸转化的煤炭包括泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤等主要类型，随着煤转化程度的提高，其碳氢比依次增高，含氧量逐渐减少，热值依次递增。,煤的主要形成过程可由下式表示：,无烟煤,烟煤,褐煤,泥炭,植物,煤的结构复杂，杂质多，直接燃烧时不完全，热效率低，而且煤的燃烧会产生硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和烟尘等气体严重污染了人类生存的环境。,2020年8月2日1时32分,6.3 蓄电池（二次电池）,一次电池与二次电池,原电池的电极活性物质在氧化还原反应中不断消耗，使化学能直接转换成电能，放电后不能使电极活性物质复原，即它只能将化学能一次性地转化为电能，

4、不能将电能还原回化学能，故又称为一次电池或干电池,市售碱性电池、锰干电池等都是一次性电池。,蓄电池的电极活性物质经反应输出电能后，可用充电的方法使活性物质复原而继续使用，故又称二次电池或可充电电池。所有蓄电池的电池反应均可逆。充电电池的充放电循环可达数千次到上万次。,2020年8月2日1时32分,1、镉镍蓄电池的工作原理,镉镍电池是一种常见的二次碱性电池。,电池符号： () Cd | KOH(1. 19 1. 21 gcm3) | NiO(OH) | C(+),电极反应: 负极：Cd(s) + 2 OH (aq) = Cd(OH)2(s) + 2 e 正极：2 NiO(OH)(s) + 2 H

5、2O + 2 e = Ni(OH)2(s) + 2 OH,电池特点： 镉镍电池的内部电阻小，电压平稳，反复充放电次数多，使用寿命长，且能够在低温环境下工作，常用于航天部门、电子计算器及便携式家用电器的电源。,2020年8月2日1时32分,镉镍可充电电池,2020年8月2日1时32分,2、氢镍蓄电池,氢镍电池是进几年开发出来的一种新电池，主要针对镉镍电池的镉污染问题。,电池符号： () Ti-Ni | H2(p) | KOH( c ) | NiO(OH) | C(+),电极反应: 负极：H2(p) = H+(c) + 2e 正极：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = Ni(O

6、H)2(s) + 2 OH,电池特点： 氢镍电池由于材料无毒，无污染而被称为绿色环保电池，电池电动势约为1. 2V，循环寿命可以很长。,2020年8月2日1时32分,镍氢电池构造,2020年8月2日1时32分,3、银锌蓄电池,锌银电池内阻小、放电功率大、电压平稳、电性能稳定、使用安全可靠、比能量高(是铅酸蓄电池的5倍，镉镍蓄电他的3倍)，因此多用于通信、激光武器、水中兵器、航空、航天、战略核武器等军事装备，军体器材遥控航模，新闻摄影和特殊电子仪器设备作配套电源。目前国内外已有多种不同结构特性的电池组正在各种军事武器装备上服役。,其工作原理为：,负极,正极,电池反应：,2020年8月2日1时32

7、分,4、锂电池,锂电池是一类以金属锂或含锂物质为负极的化学电源的总称。迄今，正在研究或生产中的锂电池约有20多种，现在常用的是锂蓄电池，电池可以反复充放电，降低了使用成本和减少了处理一次电池的困难。 当锂电极用碳电极代替时，便成了最新式的锂离子蓄电池，电池中锂离子源由氧化钴锂 (LiCoO2) 材料提供，而碳电极可以吸藏锂离子生成锂碳化合物(LiCx),850锂电池及其保护电路,2020年8月2日1时32分,锂离子电池的特点是：体积小，比能量高，单电池的输出电压高达 4. 2V。 锂离子电池主要用于便携式摄像机、液晶电视机、移动电话机和笔记本计算机等。 锂离子电池以及银锌电池等与铅电池相比，具

8、有重量轻、体积小、储存能量大以及无污染等优点，被称为新一代无污染的绿色电池。,2020年8月2日1时32分,5燃料电池,电池符号： （-）CH2KOH(30%)O2C（+）,电极反应： （-） H2 + 2 OH- - 2 e- 2 H2O,（+） O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH,2 H2 + O2 2 H2O,每个电池可产生 1. 23V 的电压。 优点：生成物不污染环境，且热能转化率高（达 80% 左右）,电池反应：,2020年8月2日1时32分,电动汽车,燃料电池,2020年8月2日1时32分,6.4重要的新能源（可再生能源）,太阳能、风能、地热、潮汐、核能,2020年8月

9、2日1时32分,图4- 治理前的热电厂,我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。 最有希望的清洁能源是氢能和太阳能,2020年8月2日1时32分,氢能的优点 热值高，其数值为 142. 9 MJkg1。 燃烧反应速率快，功率高 原料是水，取之不尽 产物是水，对环境无任何影响,思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？,1. 氢能,2020年8月2日1时32分,太阳能光解,电解,作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。,思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？,从经济上考虑是不可行的。,利用太阳光的能量电解水得到氢气，正在研究中。,(1) 氢气的制取(经济问题),2020年8月2日1时32分,(2) 氢气的贮存和运输(安全高效),2020年8月2日1时32分,2. 光转变为电能,2020年8月2日1时32分,风力发电,2020年8月2日1时32分,地热,2020年8月2日1时32分,核裂变反应 在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原子核的反应称为核裂变反应。,该反应损失质量m = 0. 2118 gmol，能量变化为：,此能量相当于 634. 5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。,* 核能,2020年8月2日1时32分,核 电,2020年8月2日1时32分,对于能源，不仅需要开发，而且需要节