化學(xué)與能源課件

化學(xué)與能源

蔣哥PB13206***化學(xué)與能源蔣哥PB1320能源就是向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì)（礦物質(zhì)能源，核物理能源，大氣環(huán)流能源，地理性能源）。能源是人類活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。在某種意義上講，人類社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)能源技術(shù)的使用?，F(xiàn)在將能源分為傳統(tǒng)能源和新型能源分別討論能源在應(yīng)用中所用到的化學(xué)知識(shí)與工藝。能源能源就是向自然界提供能量轉(zhuǎn)化的物質(zhì)（礦物質(zhì)能源，核物傳統(tǒng)能源煤煤主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，碳、氫、氧三者總和約占有機(jī)質(zhì)的95%以上，是非常重要的能源，也是冶金、化學(xué)工業(yè)的重要原料。傳統(tǒng)能源煤煤的綜合利用煤的氣化

煤的氣化就是把煤轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的過(guò)程。在高溫下煤和水蒸氣作用得到CO、H2、CH4等氣體，生成的氣體可作為燃料或化工原料氣。煤的液化

煤的液化是把煤轉(zhuǎn)化為液體燃料的過(guò)程。在一定條件下，使煤和氫氣作用，可以得到液體燃料（甲醇等）。煤氣化生成的水煤氣在經(jīng)過(guò)催化合成也可以得到液體燃料。煤的干餾

煤干餾是將煤隔絕空氣加強(qiáng)熱，使其發(fā)生復(fù)雜的變化，得到焦炭、煤焦油、焦?fàn)t氣、粗氨水、粗苯等。通過(guò)煤的綜合利用，大大提高了煤的利用率，并且可以提供大量的化工原料。煤的綜合利用煤的氣化石油

石油又稱原油，是一種粘稠的、深褐色液體。地殼上層部分地區(qū)有石油儲(chǔ)存。主要成分是各種烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴的混合物。石油主要被用來(lái)作為燃油和汽油，也是許多化學(xué)工業(yè)產(chǎn)品如溶液、化肥、殺蟲(chóng)劑和塑料等的原料。981鉆井平臺(tái)石油石油又稱原油，是一種粘稠的、深褐色液體。地殼上層部石油的綜合利用石油的分餾石油的綜合利用石油的裂化與裂解

裂化反應(yīng)，或稱作裂解作用，是指把較大的烷烴分子間的碳鍵破壞，并生成較小的碳?xì)浠衔锏倪^(guò)程。溫度與催化劑的使用對(duì)反應(yīng)速率與所生成的物質(zhì)有極大影響。此類型反應(yīng)的另一重要優(yōu)點(diǎn)是能夠生成更具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的烯烴等不飽和化合物。反應(yīng)機(jī)理：其中一類的裂化反應(yīng)是自由基的作用，以乙烷為例：鏈的引發(fā)：

CH3CH3→2CH3·

鏈的傳遞：

CH3·+CH3CH3→CH4+CH3CH2·

CH3CH2·→CH2=CH2+H·

CH3CH2·+CH2=CH2→CH3CH2CH2CH2·

鏈的終止：

CH3·+CH3CH2·→CH3CH2CH3

CH3CH2·+CH3CH2·→CH2=CH2+CH3CH3例如：C16H34→C8H18+C8H16C8H18→C4H10+C4H8C4H10→CH4+C3H6C4H10→C2H4+C2H6石油的裂化與裂解天然氣

天然氣，是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然氣燃燒后無(wú)廢渣、廢水產(chǎn)生，相較煤和石油等能源有使用安全、熱值高、潔凈等優(yōu)勢(shì)。CH4+2O2→CO2+2H2O中俄簽署4000億美元天然氣協(xié)議天然氣天然氣，是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，主要成天然氣的綜合利用

天然氣除了直接用作燃料，還可用于發(fā)電，以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)電廠的廢物排放水平大大低于燃煤與燃油電廠，而且發(fā)電效率高，建設(shè)成本低，建設(shè)速度快；天然氣也可用作化工原料，以天然氣為原料的一次加工產(chǎn)品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20個(gè)品種，經(jīng)二次或三次加工后的重要化工產(chǎn)品則包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等50個(gè)品種以上。甲醇合成工序：CH4+H2O→CO+3H2（鎳催化劑）CO+H2O→CO2+H2（鎳催化劑）CO+2H2=CH3OH

CO2+3H2=CH3OH+H2O天然氣的綜合利用天然氣除了直接用作燃料，還可用于發(fā)電傳統(tǒng)能源的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)能源大多屬于不可再生能源，雖然像煤的儲(chǔ)量是所有礦物中最豐富的，還有石油和天然氣等，由于其不可再生性，這些能源總有消耗完的一天。傳統(tǒng)能源在利用時(shí)，大多是通過(guò)燃燒，在燃燒的過(guò)程中，產(chǎn)生各種不同的氣體、煙塵微粒，污染的空氣、水源，特別是排放的溫室氣體，使全球氣候變暖，對(duì)人類的生活環(huán)境影響較大，就對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)，對(duì)其身體，特別是呼吸道方面影響較大。而且其能源利用率也不高。因此，新型能源逐漸誕生了。傳統(tǒng)能源的缺點(diǎn)傳統(tǒng)能源大多屬于不可再生能源，雖然像煤的新型能源核能（下面僅談其與化學(xué)的關(guān)系）鈾的分離與提取基本原理

利用238UF6和235UF6蒸氣擴(kuò)散速度的差異，可分離235U和238U，達(dá)到富集核燃料235U的目的。新型能源核能（下面僅談其與化學(xué)的關(guān)系）

核反應(yīng)堆中的減速劑主要是重水，它可以減小中子的速率，使之符合發(fā)生裂變過(guò)程的需要。重水（D2O）的生產(chǎn)：地球上的水約有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以通過(guò)電解及蒸餾生產(chǎn)或以化學(xué)方法從普通水中提煉出來(lái)?？梢允褂没瘜W(xué)方法，是因?yàn)橹貧浼捌胀湓佑捎谫|(zhì)量稍為不同，所以化學(xué)反應(yīng)的速度有異。當(dāng)水中的半重水到了相當(dāng)?shù)臐舛?，重水便?huì)因?yàn)樗葑又g交換氫原子而慢慢出現(xiàn)。要從半重水再提煉純正的重水亦可使用電解、蒸餾及化學(xué)方法。但是電解及蒸餾所需要的能量會(huì)非常巨大，因此一般這一步只會(huì)使用化學(xué)方法。下面介紹兩種主要的化學(xué)交換法：GS法是基于在一系列塔內(nèi)（通過(guò)頂部冷和底部熱的方式操作）水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過(guò)程中，水向塔底流動(dòng)，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環(huán)。使用一系列多孔塔板促進(jìn)硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級(jí)塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級(jí)塔中重復(fù)這一過(guò)程。氨——?dú)浣粨Q法可以在催化劑存在下通過(guò)同液態(tài)氨的接觸從氫氣中提取氘。氫氣被送進(jìn)交換塔，而后送至氨轉(zhuǎn)換器。在交換塔內(nèi)氣體從塔底向塔頂流動(dòng)，而液氨從塔頂向塔底流動(dòng)。氘從H2中洗滌下來(lái)并在液氨中濃集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉(zhuǎn)換器。在以后的各級(jí)中得到進(jìn)一步濃縮，最后通過(guò)蒸餾生產(chǎn)出反應(yīng)堆級(jí)重水。核反應(yīng)堆中的減速劑主要是重水，它可以減小中子的速冷卻劑利用液態(tài)鈉和鈉鉀合金具有大的熱容量和良好的傳熱性能，用其做冷卻劑效果良好。大亞灣核電站冷卻劑海洋滲透能

海水滲透法發(fā)電原理——滲透原理：如果有兩種鹽溶液，一種溶液中鹽的濃度高，一種溶液的濃度低，那么把兩種溶液放在一起并用一種隔膜隔離后，會(huì)產(chǎn)生滲透壓，水會(huì)從濃度低的溶液流向濃度高的溶液。江河里流動(dòng)的是淡水，而海洋中存在的是咸水，兩者也存在一定的濃度差。在江河的入?？冢乃畨罕群Ｋ乃畨焊?，如果在入海口放置一個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)，淡水和海水之間的滲透壓就可以推動(dòng)渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電。而隔膜是滲透發(fā)電的關(guān)鍵，它必須具有結(jié)實(shí)、耐用、透水性能好和阻止鹽分通過(guò)的性能。而高性能隔膜的研發(fā)則要靠材料系的我們。海洋滲透能海水滲透法發(fā)電原理——滲透原理：太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是一種重要的潔凈無(wú)污染新能源，太陽(yáng)能電池就是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的一種電子學(xué)。目前深入研究和應(yīng)用的太陽(yáng)能電池材料主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅系列。

單晶硅太陽(yáng)能太陽(yáng)能是一種重要的潔凈無(wú)污染新能源，太陽(yáng)能電池高純硅的制取SiO2+2C=Si（粗）+2CO↑（雜質(zhì)為焦炭）Si+2Cl2=SiCl4↑（沸點(diǎn)較低，可用蒸餾分離）SiCl4+2H2=4HCl+Si（純）高純硅的制取SiO2+2C=Si（粗）+2CO↑（雜質(zhì)為焦氫能

氫具有高揮發(fā)性、高能量，是能源載體和燃料，同時(shí)氫在工業(yè)生產(chǎn)中也有廣泛應(yīng)用。氫能在二十一世紀(jì)有可能在世界能源舞臺(tái)上成為一種舉足輕重的二次能源。它是一種極為優(yōu)越的新能源，其主要優(yōu)點(diǎn)有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產(chǎn)物是水，是世界上最干凈的能源。資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源，演繹了自然物質(zhì)循環(huán)利用、持續(xù)發(fā)展的經(jīng)典過(guò)程。2H2+O2=2H2O氫能氫具有高揮發(fā)性、高能量，是能源載體和燃料，同時(shí)氫氫氣的制備3Fe+4H2O(水蒸氣)=Fe3O4+4H2↑（鐵屑法）C+H2O(水蒸氣)=CO↑+H2↑（水煤氣法）2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑(電解法）利用太陽(yáng)能制取氫氣：

例如歐盟集中式太陽(yáng)能研發(fā)項(xiàng)目清潔制作氫氣：研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用集中式太陽(yáng)能系統(tǒng)制作氫氣，其工作原理是利用眾多圓狀拋物面反光鏡，將太陽(yáng)光聚焦反射到由陶瓷材料制成的太陽(yáng)能發(fā)生器（SolarReactor），發(fā)生器內(nèi)部安裝多條具有納米材料涂層的管道，當(dāng)水蒸氣通過(guò)管道時(shí)分解成氫和氧，其熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到70%左右。氫氣的制備3Fe+4H2O(水蒸氣)=Fe3O4+4H2↑氫氣的儲(chǔ)存

稀土金屬合金是較有前途的合金儲(chǔ)氫材料,具有單位體積內(nèi)高的氫儲(chǔ)存容量以及在溫和條件下吸附氫的能力。這些合金材料中氫的吸附和脫附性質(zhì)依賴于合金組成和金屬與氫的相互作用。如Mg-30wt%的MgLaNi5和Mg-50wt%的MgLaNi5復(fù)合材料。Mgwt30%LaNi5納米晶復(fù)合物在573K時(shí)吸放氫量可達(dá)5%。而Mg-50wt%的MgLaNi5在長(zhǎng)時(shí)間球磨后納米復(fù)合物轉(zhuǎn)化成Mg+LaHx+Mg2Ni的復(fù)合物,而其在較低的溫度下有更好的吸放氫動(dòng)力學(xué)性能,在29℃、500s內(nèi)吸氫量達(dá)到2.5%。LaNi5也是良好的儲(chǔ)氫材料。氫氣的儲(chǔ)存稀土金屬合金是較有前途的合金儲(chǔ)氫材料,具可燃冰

天然氣水合物（可燃冰）是天然氣分子（烷類）被包進(jìn)水分子中，在海底低溫與壓力下結(jié)晶形成的。形成可燃冰有三個(gè)基本條件：溫度、壓力和原材料。在“可燃冰”中，平均每46個(gè)水分子構(gòu)成8個(gè)籠，每個(gè)籠里容納1個(gè)CH4分子或1個(gè)游離的H2O分子?？扇急烊粴馑衔铮扇急┦翘烊粴夥肿樱ㄍ轭悾┍话_(kāi)采方法1、CO2置換開(kāi)采法：方法依據(jù)的是天然氣水合物穩(wěn)定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下，天然氣水合物保持穩(wěn)定需要的壓力比CO2水合物更高。因此在某一特定的壓力范圍內(nèi)，天然氣水合物會(huì)分解，而CO2水合物則易于形成并保持穩(wěn)定。如果此時(shí)向天然氣水合物藏內(nèi)注入CO2氣體，CO2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應(yīng)得以持續(xù)地進(jìn)行下去。2、固體開(kāi)采法：該方法的具體步驟是，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然后將這種混合泥漿導(dǎo)入海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。開(kāi)采方法1、CO2置換開(kāi)采法：方法依據(jù)的是天然氣水合物穩(wěn)定帶電池

在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁强侩姵貎?nèi)部自發(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，這種反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。當(dāng)外電路閉合時(shí)，在兩電極電位差的作用下即有電流流過(guò)外電路。電荷在電解質(zhì)中的傳遞也要由離子的遷移來(lái)完成。主要有干電池、蓄電池、鋰電池、燃料電池?，F(xiàn)對(duì)燃料電池進(jìn)行具體分析。

電池在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁强侩姵貎?nèi)部燃料電池

燃料電池的主要構(gòu)成組件為：電極、電解質(zhì)與連接體等。1、電極

燃料電池的電極是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，其結(jié)構(gòu)與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)成多孔結(jié)構(gòu)的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質(zhì)中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實(shí)際工作電流密度，故發(fā)展出多孔結(jié)構(gòu)的的電極，以增加參與反應(yīng)的電極表面積。2、電解質(zhì)

電解質(zhì)的主要作用在分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子。

3、連接體連接體又稱作雙極板，具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等之功用。其中，固體燃料電池是現(xiàn)在的一個(gè)研究熱門方向。燃料電池