第二章+應(yīng)用資源化學(xué)2012

2.1概述2.2礦產(chǎn)資源2.2.1礦產(chǎn)分類2.2.2世界礦產(chǎn)資源2.2.3我國礦產(chǎn)資源2.2.4礦產(chǎn)生產(chǎn)2.2.5重要礦物2.2.6選礦技術(shù)2.3水資源2.3.1水的組成2.3.2水的指標(biāo)與水質(zhì)分析2.3.3工業(yè)用水類型

2.3.4水的凈化2.3.5常用水處理類型2.4能源2.4.1能源的狀況2.4.2能源的分類2.4.3能源的品質(zhì)評價2.4.4化學(xué)與能源技術(shù)2.4.5煤能源2.4.6核能與核技術(shù)2.4.7氫能2.4.8燃料能源2.4.9太陽能第二章資源化學(xué)按人類利用層次分為:物質(zhì)資源、能量資源、環(huán)境資源、信息資源。社會資源（如勞力、體制）按經(jīng)濟(jì)學(xué)技術(shù)資源（如文化、科技）自然資源（如水、土地、農(nóng)林、陽光空氣、礦產(chǎn)）按生存狀態(tài)生物資源按所有權(quán)專有資源非生物資源共有資源（海、天、南極

現(xiàn)實(shí)資源按再生性可更新資源(土、森林、水)按可用性潛在資源不可更新資源(礦物、物種廢物資源氣候、旅游資源)按應(yīng)用形態(tài)分為：材料（礦物資源）、能量、土地、水。

資源（Resources）生產(chǎn)、生活資料的天然來源2.1資源概述

人類對資源的認(rèn)識經(jīng)歷:天命論——征服論——協(xié)調(diào)論三個階段，目前人類已認(rèn)識到資源開發(fā)管理是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，但二戰(zhàn)后人類可用資源已消耗、破壞了1/3，而森林只剩下1/6。項(xiàng)目/單位世界我國我國人均我國與世界人均比人均排位可耕地/億ha100億ha0.9億ha0.08畝/人(1.5畝沙特)1/3淡水/萬億m370(河川)2.8+(地下)0.8世界第6位450t/人1/4109森林/億ha54（木本）1.8（居世界第6位）0.12ha(2畝/人)1/10森林復(fù)蓋率(%)2112.71/2120草地（億ha）673.61/3礦產(chǎn)資源>180種152種，總量居世界第3位1/280生物資源脊椎動物5萬種，植物48萬種陸地脊椎動物1800種淡水魚600種,植物3萬多種，世界第3位1/103表2-1自然資源狀況（2）世界資源概況

①人均少,我國整體人均資源總量僅占世界第120位。②利用效率低

a.我國國民收入增十倍，F(xiàn)e鐵消耗40倍，有色金屬消耗增大

50倍，而美國目前年產(chǎn)出總噸位與百年前相仿，產(chǎn)值已增

20倍。又如我國能源利用率僅32%，而世界平均利用率50%。

b.從能源強(qiáng)度（即：單位國民產(chǎn)值平均能耗）看，我國能源強(qiáng)度4.7倍于世界均值，2倍于發(fā)展中國家。（3）我國資源問題定義:

地殼（星體）中有開采價值的單質(zhì)和化合物。世界礦產(chǎn)約有1/3用于建筑，1/3用于交通運(yùn)輸業(yè)。§2.2.1礦物分類§2.2礦產(chǎn)資源礦物燃料核燃料煤油頁巖、瀝青石油提供90%以上的有機(jī)產(chǎn)品天然氣裂變235U、233U、232Th聚變2H、3H能源（燃料）礦物金屬礦黑色Fe、Mn、Ti、Cr、W有色金屬輕金屬d<5K、Ca、Mg、Al重金屬d>5Cu、Sn、Pb貴金屬稀有金屬（Li、Be、Mo）§2.2.2世界礦產(chǎn)資源二戰(zhàn)后礦產(chǎn)的開發(fā)孕育了地球化學(xué)（geochemistry）的產(chǎn)生，目前主要的金屬礦約有45種，其中Mn、Co、W、Ni、Cr、Mo、Ti、V、Zr、Ta、Nb在合金鋼生產(chǎn)中有重要意義，有些很難或不能代替。有色金屬中Al、Cu、Zn、Pb、Sn、Ni、Mg、U、Pt、Au、Ag、Li、Hg較為重要。品種世界貯量（t）可采年數(shù)品種世界貯量（t）可采年數(shù)Fe1.53×1011171Mo5.4×10655Mn9×10897Sn7.5×10634Cr1×109106V10.0×106357Ti1.7×10876Cu3.1×10833Ni4.7×10757Zn1.4×10820Al1.2×109228Ag2.8×10418Au4.2×10418K、Si2×1011很長Hg1.3×10544稀土4.5×107581表2-2世界主要礦產(chǎn)資源儲量與可采年數(shù)§2.2.3我國礦產(chǎn)資源（1）概況已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)近170種，探明儲量的礦產(chǎn)有152種。其中45種主要礦產(chǎn)價值，居世界第三位，年產(chǎn)礦物50億t，也居世界第三位。我國礦產(chǎn)貯存狀況：

A類：豐富，人均世界領(lǐng)先。

如W貯量占全世界80%，產(chǎn)量為世界90%，其它有Sn、Sb、Mo、Hg、V、

Ti、稀土、Th、石墨、滑石、螢石、菱鎂礦、重晶石、大理石、花崗石等礦物均可滿足需要并可出口。

B類：可滿足國民經(jīng)濟(jì)需要貯量世界領(lǐng)先。

Fe、Mn、Cu、Zn、Pb、Al、Ni、Au、Ag、Mg、Zr、V、Nb、B貯量較大。Fe貯量約500億t，居世界第9位，但98%為貧礦，仍需進(jìn)口鐵礦沙5000

萬t/a，銅貯量居第12位，但2/3靠進(jìn)口，鋁貯量居世界第6位，但1/3靠進(jìn)口.

C類：缺乏

包括Cr、Co、Pt族、鈾、金剛石、鉀鹽、硼、天然堿、磷等。第二章資源化學(xué)（3）我國礦業(yè)生產(chǎn)情況

①Cu、Al、Mn(V)、Zn、Sn、Sb、Li、Mg（Mo）、Pb等10種有色金屬總產(chǎn)量~700萬t/a，接近美國，居世界第二位。煤、鐵、鎢、銻、汞產(chǎn)量居世界第一。

②不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如Al產(chǎn)量居世界第4位，但70%的鋁材進(jìn)口，產(chǎn)品品種少?！?.2.4礦產(chǎn)生產(chǎn)（1）基本概念

礦物:地殼中由于地質(zhì)作用（自然的物理、化學(xué)與生物作用）按聚集狀態(tài)形成的單質(zhì)和化合物。礦物具有一定成分、結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)特性，可分為氣、液、固態(tài)三類礦物。（2）礦石類型按元素可分為鐵礦、銅礦、磷礦等。按是否為金屬可分為金屬礦與非金屬礦。金屬礦單金屬礦石黑色金屬礦有色金屬礦貴金屬與稀有金屬礦多金屬復(fù)合礦非金屬礦工業(yè)巖石工業(yè)礦物通用砂石（3元/t）特種專用貴重礦金剛石103美元/g，為砂石的27億倍自然礦石單質(zhì)硫化礦石如方鉛礦、閃鋅礦氧化礦石碳?xì)浠衔锘旌系V石鹵化物硅酸鹽、硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽鉻、硼、P、As、V、Co、Ta等的鹽類建筑材料用非金屬礦陶瓷材料用冶金輔助原料礦化學(xué)（工業(yè)原料）礦特種非金屬礦云母、金剛石能源（非金屬）礦普通建材膠凝材料非金屬礦按應(yīng)用按化學(xué)組成§2.2.5重要礦物

（1）金屬礦1）鋼鐵基本原料——黑色金屬礦鐵（鉻、錳）礦及合金元素，如鎂、鎳、鎢、鉬、釩、鈦。2）有色金屬礦重要的有色金屬礦包括輕金屬礦，如Al、Ca、Mg礦；重金屬礦，如Cu、Zn、Pb礦；貴金屬礦，如Au、Ag、Pt、Ir礦和稀有金屬礦，如Ge、Be、La、U。（2）非金屬礦

建筑材料用非金屬礦,幾乎所有的類型材料都可用于建筑，其中砂、石材、粘土以及無機(jī)膠凝材料原料是天然礦產(chǎn)。1)花崗巖（花崗石、麻石）花崗巖屬酸性火成巖含SiO2>70%，由石英、長石及少量深色礦物，如黑云母、角閃石組成，具有耐酸、耐磨的特點(diǎn)。2）大理石（大理巖，marble）主成分為方解石（CaCO3），由多種碳酸鹽組成（包括石灰?guī)r、白云巖），白色顆粒狀結(jié)晶的稱為漢白玉，裝飾性、介電性好，但易風(fēng)化。3)4）石膏生石膏主要成分為CaSO4·2H2O，又稱軟石膏，用于制造水泥、硫酸、燒石膏等，也用作填充劑、凝結(jié)劑、肥料、中藥等。冰洲石純方解石，無色透明大理石重結(jié)晶類石灰?guī)r石灰?guī)r含雜質(zhì)用于生產(chǎn)石灰的方解石文石(霰石)晶簇狀斜方碳酸鈣，主要用于裝飾、雕刻石鐘乳、石筍、泉華方解石

CaCO3（3）化工原料礦①磷礦:磷灰石ApatiteCa5(PO4)3（F、Cl、H）可含多種微量元素，有氟磷灰石、氯磷灰石、羥基磷灰石等；②鉀礦:鉀(石)鹽（Sylvine,KCl）、鉀長石(KAlSi3O8)、硝石、鋰云母（Lepidolite、KLi1.5Al1.5[AlSi3O10]（F,OH）2）、鋰輝石、光鹵石（CarnalliteKCl·MgCl2·6H2O）,明礬石[AluniteKAl3(SO4)2(OH)6③鋰礦（LiAlSi2O6）、磷紅石（磷鋁石LiAlPO4F）用于提煉鋰或制鋰化物；④硫礦天然硫(自然硫)(H2S)氣藏，硫鐵礦(黃鐵礦)FeS2,磷石膏用于生產(chǎn)硫酸、水泥等，也用于改善堿性土壤；⑤天然堿碳酸鈉石，口堿，Na3H(CO3)2·2H2O，用于制堿、冶金、制取鋁氧（Al2O3）,也用于煉油、造紙、紡織、生產(chǎn)玻璃、肥皂和洗滌劑。§2.2.6選礦技術(shù)

（1）化學(xué)選礦利用化學(xué)作用提取礦石中有用成分，生產(chǎn)化學(xué)精礦的方法稱為化學(xué)選礦。1）主要特點(diǎn)：（a）多通過焙燒、浸出等簡單化學(xué)過程。（b）適于貧礦、細(xì)礦、雜礦、難選礦及三廢處理。（c）其工藝特點(diǎn)與目的介于物理選礦與冶金之間，經(jīng)濟(jì)壓力比冶金大。2）典型工藝：準(zhǔn)備→焙燒→浸出→固液分離→凈化→精礦。3）化學(xué)選礦的主要方法：

焙燒法：氧化焙燒，硫酸化焙燒，氯化焙燒，酸性焙燒，堿性焙燒，還原焙燒浸出法：細(xì)菌浸出，藥劑浸出溶劑萃取法：適于稀土，Ta-Nb或Zr-Hf

離子交換法：多用于稀土、U的分離離子浮選法：適于從稀溶液或廢水中回收金屬或消除有害離子化學(xué)沉淀法：金屬沉積法：置換、電解4）焙燒化學(xué)選礦法：

①氧化焙燒:如輝鉬礦（MoS2）氧化變?yōu)镸oO3，再溶解在氨水中變?yōu)殂f酸銨溶液焙燒得較純MoO3，加氫還原為Mo。②硫酸化焙燒:含硫(金屬)礦焙燒變?yōu)榱蛩猁}，利用焙燒得到的硫酸鹽分解溫度不同進(jìn)行分級加熱分解，未分解的硫酸鹽可浸出而分離。③還原焙燒:以C、CO、H2等為還原劑的還原焙燒法主要用于處理Fe、Mn、Ni、Cu、Sn等氧化物。HgO、Ag2O在低于400℃焙燒即可分解出金屬。

5）浸出化學(xué)選礦法

通過水、酸、堿、鹽水溶液或細(xì)菌作用促進(jìn)礦物直接溶出的方法。酸浸:銅礦與硫酸作用生成CuSO4再用鐵還原成海綿銅，經(jīng)浮選變?yōu)榫V。氨浸：如用氨水使銅生成Cu(NH3)22+后浸出堿浸：用Na2CO3、NaHCO3溶液浸出，適于含碳酸鹽較多的礦物氰化絡(luò)合法：Au或Ag礦泥與NaCN或硫脲作用生成絡(luò)合物再用鋅還原為純礦?；旃ǎ喝鏏u與Hg形成汞齊，再加熱分解得到金。稀釋劑：有機(jī)溶劑如烴、煤油、己烷、無臭礦物油、苯、鹵烴氯仿、CCl46）溶劑萃取法

萃取劑：有機(jī)酸：羧酸、磺酸、磷酸有機(jī)磷（磷氧型）：如二（2-乙基己基）磷酯酯，甲基膦酸二甲酯胺型等。硫型主要是硫醚其它如碳氧型雙酮、醇、酚、醚特點(diǎn)：（a）采用有機(jī)溶劑。有機(jī)相一般由萃取劑、稀釋劑和助劑組成，萃取劑主要是可與待選離子形成脂溶性絡(luò)合物的絡(luò)合劑。（b）效率高，容量大，易自動化。（c）成本高，適于稀有金屬、稀土、鋯與鉿或鈮與鉭的分離。

萃取劑添加劑有機(jī)相水相反萃劑洗滌劑洗出共萃雜質(zhì)萃取劑、稀釋劑再生被萃取的有用M+進(jìn)入水相礦粉典型工藝：水

§2.3水資源

人類消耗淡水按每人每天消耗干物質(zhì)7kg計，世界淡水需求量約為4×1010t/天（包括牲畜、禽用水及蒸發(fā)損失），投資15億美元/天；20世紀(jì)以來，全世界用水劇增，農(nóng)業(yè)用水增加37倍，工業(yè)用水增加了20倍?；び盟好繃嶄撚美鋮s水200t，造紙3000t水/t紙，化纖1000t/t合成纖維。50萬t尿素生產(chǎn)選廠時用水指標(biāo)0.6~1m/s，30萬t乙烯廠選廠時用水指標(biāo)為2~3m3/s。而水資源則處于危機(jī)狀態(tài)（參見表2-3）。表2-3世界水源分布水源類型貯量/103km3占有率/%更新時間/年海水1.35×1069737000冰川、極冰2.8×104216000地下水（4000m內(nèi)）8.2×1030.6300淡水湖、江河1250.00910-100鹽堿湖、內(nèi)海1040.00810-1000土壤水、滲流水670.005280天大氣水*130.0019天生物水0.0001合計14億km3其中淡水2.8%，可利用淡水0.07%世界降雨3×1011t/天我國平均年降水量64cm（世界平均86cm），全國計6×1012m3/a，可用總淡水量2.8億m3/a，居世界第6位，但4/5在江南，人均僅2.5×103m3，居世界第109位，僅為世界人均的1/4，是13個貧水國之一。目前我國江河地表入海量10億m3/a

，較1949年少20倍。湖泊減少了3000多個，面積縮至1949年的1/3。地面下沉，上海達(dá)2.63m/a西安10mm/年全國總用水量~6000億m3，工業(yè)約占11%城市用水重復(fù)利用率45%（日83%，美75%），噸鋼耗水~60t（先進(jìn)水平3t），噸紙耗水700t（德國7t），因缺水造成工業(yè)減產(chǎn)2000億元/a。

我國水資源§2.3.1水的組成

天然水中含有固體、液體、氣體，雜質(zhì)包括可溶物、膠體、懸浮物、生物體和重水（D162OD172OD182O）超重水T2O等。天然污染人為污染水的污染來源無機(jī)礦物、空中漂浮物有機(jī)動植物排泄物，腐朽物，生物工業(yè)農(nóng)業(yè)生活熱量無機(jī)有機(jī)氣體H2S、NH3、CO2、NOX采礦區(qū)礦砂、渣及礫石酸、堿、鹽、F－、CN－、S=、Hg、Cd、Pb、As植物營養(yǎng)物及需氧污染物;油石油約1000萬t/a進(jìn)入水體，主要有壓艙水、洗艙水、井噴、煉油廠排出物;酚、有機(jī)氯、磷;微生物導(dǎo)致O2含量↓，增加化學(xué)反應(yīng)§2.3.2水的指標(biāo)與水質(zhì)分析基本概念：TDS:總?cè)芙夤腆w硬度（H,hardness）:表征水中可溶鹽（Ca、Mg、Fe）一種質(zhì)量指標(biāo)，用單位體積含量（mmol/L）表示?？傆捕?

碳酸鹽硬度(舊稱暫時硬度),指由Ca++、Mg++、HCO3－造成煮沸后可除去的硬度.

非碳酸鹽硬度（舊稱永久硬度）總堿度（A,alkalinity,basicity,basiccapacity）:

中和質(zhì)子的能力，指水中OH－、CO=、HCO3－及弱酸鹽的總和，以CaO或CaCO3計，常用的有酚酞堿度、甲基橙堿度。（TC總碳（Totalcarbon=TOC+TIC）TIC總無機(jī)碳以150℃分解出的CO2計TOC總有機(jī)碳以950℃（TOC測定儀中）分解出的CO2計TN總氮=有機(jī)氮+氨態(tài)氮+硝態(tài)氮（TON+NH3--N+NOX－—N）mg/LBOD生化需氧量biochemicaloxygendemand

由于好氧微生物氧化分解一升水中有機(jī)物而消耗的水中含氧總量。由于準(zhǔn)確測定BOD需要100天以上，所以通常實(shí)際測定時在20℃培養(yǎng)5天后用測溶氧差，BOD5表示，BOD適于科技用。我國規(guī)定地面水BOD5<4mg/l\L，廢水<60mg/LCOD化學(xué)需氧量水中有機(jī)物、亞硝酸鹽、亞鐵鹽、硫化物等還原性物質(zhì)在化學(xué)氧化時所耗的氧量。用KMnO4法記為CODMn

適于地面水、飲用水用KCrO4法記為CODCr

再現(xiàn)性好，適于廢水KIO3氧化力強(qiáng)，測定值較接近實(shí)際，適于有懸浮物的水。我國規(guī)定工業(yè)廢水排放COD<100mg/L，造紙、皮革、脫脂棉廠<300mg/L—2001.1.新規(guī)定降低為100mg/L。AOX總有機(jī)氯水質(zhì)分析常用物理或化學(xué)法，如電導(dǎo)率測定、容量分析；測定H+的pH計法，測定Na+、Ca2+、Cl－、F－、CN－等的選擇性離子電極法；滴定法測定酸度、堿度、硬度、離子和化學(xué)需氧量；發(fā)射光譜法測定金屬雜質(zhì)等。§2.3.3工業(yè)用水的類型

按用途工業(yè)用水可分為：原料用水:

用于生產(chǎn)精制水的原料水，如井水、自來水工藝用水:

（操作用水、處理用水）如洗滌、稀釋輸送用水，制糖、制革要求Fe、Mn含量要低鍋爐用水:

指標(biāo)與鍋爐類型和工作壓力有關(guān)，主要要求防結(jié)垢，硬度、Fe、Cu、Si和溶氧含量較低冷卻用水:

消耗量最大，指標(biāo)要求溫度低、不結(jié)垢、無泥渣，無腐蝕性，不繁殖微生物§2.3.4水的凈化

除去水中不溶物和溶解物的方法可分為物理法、物理化學(xué)法、化學(xué)法和生物法和綜合法。（1）物理法可分為：物理法機(jī)械法上浮法隔油池、氣浮池沉降法沉淀池、沉降槽、沉降器、沉砂池、濃縮池蒸餾法磁分離法分離鐵磁、順磁雜質(zhì)，如投入磁粉、混凝劑可分離反磁性雜質(zhì)凍結(jié)法通氣法主要用于吹脫H2S、SO2、SO3、CO2、苯、醛等超聲氣振法汽提法蒸汽汽提，可用填料塔、浮閥塔、泡罩塔、篩板塔分出揮發(fā)性雜質(zhì)常壓：可采用管道過濾器、微孔管過濾器、濾池、濾網(wǎng)加壓：通過離心、真空等操作磁濾：同時加入鐵粉、鐵氧體、鐵鹽等以促進(jìn)磁性雜質(zhì)吸附分離隔池、格、柵、網(wǎng)過濾1）浮選法:

包括氣浮法，如加壓溶氣浮選，常用浮選劑有脂肪酸（鹽）、胺，起泡劑有萜烯、脂肪醇、甲酚酸、雜環(huán)類表面活性劑。2）萃取法如用N-503、三辛胺—煤油或乙酸丁酯—異丙醚處理含酚廢水，用陰離子液體樹脂（烷基叔胺）選擇性提取鈷、鉬、鎢、鉑、鈀、鈾、釷等。3）吸附法常用吸附劑有活性炭、磺化煤、沸石、活性白土、木炭、木屑、礦渣、硅藻土等，活性炭吸附效率高，可用于污水三級處理4）離子交換法5）膜法（3）化學(xué)法2)混凝法:化學(xué)混凝法是水處理常用的方法RO反滲透ReverseOsmosisMF微濾MicroFiltrationUF超濾UltraFiltration電滲析SF(SupersonicFiltration)

1）中和法酸堿中和投藥中和石灰、純堿、白云石、電石渣、CO2、煙道氣過濾中和用石灰石、白云石過濾、中和酸性廢水（2）物理化學(xué)法主要有：（4）生物法按是否降解分為：按是否需氧可分為

生物化學(xué)法，如活性污泥法應(yīng)用最廣，極端酶，如嗜熱酶、嗜冷酶、嗜堿酶、耐重金屬酶、耐溶劑酶是研究熱點(diǎn)之一生物絮凝生物吸附生物降解：非生物降解生物處理法：如活性污泥法曝氣池法、純氧曝氣、射流曝氣法及生物轉(zhuǎn)盤等生物膜法生物膜法：生物濾池、活性生物濾池、塔式濾池生物轉(zhuǎn)盤流化床反應(yīng)器、充氧生物流化床生物處理，多采用床式反應(yīng)器、厭氧轉(zhuǎn)盤或消化池，

UASB（上流式厭氧污泥床反應(yīng)器）處理能力可達(dá)數(shù)千噸/d需氧（好氣、好氧）厭氧（厭氣）生物膜法§2.3.5常用的水處理類型

（1）一般給水處理

均和調(diào)節(jié)混凝過濾(臭)氧化

吸附(活性炭)消毒軟化離子交換鍋爐用水等（2）海水淡化海水含鹽～3.5%，苦咸水含鹽0.2%～1.0%，而飲用水要求含鹽≤0.05%，可通過冷凍，多級閃蒸（MSF），膜法（RO），電滲析進(jìn)行淡化處理。如美國Yuma廠采用SWRO法處理海水27～35萬t/d，出水口含鹽量為0.1g/l。（3）循環(huán)冷卻水：主要是緩蝕、阻垢、分散、除垢及殺菌滅藻處理。（4）污水處理：一般可分為三個階段：一級處理（予處理）：沉淀、中和除去懸浮物、除浮油、浮渣等。二級處理：主要采用生物處理，除去膠體和可溶解有機(jī)物，降低BOD、COD，經(jīng)二級處理應(yīng)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。三級處理：除去難降解有機(jī)物、無機(jī)物污染。若經(jīng)高級處理，如活性炭過濾、反滲透、電滲析則可達(dá)到回收、復(fù)用的目的?！?.4能源

§2.4.1能源狀況

能源利用率：有效能源/可利用總能源。發(fā)達(dá)國家52%，我國32%。石油煤天然氣核能水電構(gòu)成比%-4030.5206.33.5產(chǎn)量/億t標(biāo)準(zhǔn)煤57.643.62895實(shí)產(chǎn)/億噸40.3611.2×1012m37.5×104t(U)貯量/億噸140042980587(8.4×1013m3)1.9Mt(U)靜態(tài)開采壽命/年357047225(U)表2-4世界能源一次狀況§2.4.2能源的分類按來源天體能地球能源（地殼能源）主要指礦物能源，占人類應(yīng)用總能源的95%生物能源太陽能其它如潮汐、核燃料直接能源：陽光輻射間接太陽能源生物化石海浪、溫差按再生性枯竭（不可再生）能源可再生能源生物質(zhì)自然能源風(fēng)、水力、海洋、太陽按可燃性燃料能源非燃料按對環(huán)境影響排廢能源潔凈（綠色）能源按市場特點(diǎn)非商品能源：太陽、風(fēng)商品能源傳統(tǒng)能源新型能源柴草(薪柴)1850時薪柴提供了人類所需能源的90%煤炭1900人類從煤炭獲得的能量的70%石油1959石油成為主要能源目前約占人類總能源的60%燃料非燃料生物質(zhì)能熱核能H、3H、He、Li礦物如天然氣水合物（甲烷冰）太陽能風(fēng)能、潮汐、波浪地?zé)?水、氣、巖地下熱巖可提供100-360℃)熱水式蒸汽，可用幾千年冷能如低溫形成的溫差如海水下層水可蒸發(fā)丁烷產(chǎn)生動力液氮可用于汽車和發(fā)電汽車，人體體溫可用于辦公照明濃差如滲析電池

1t標(biāo)準(zhǔn)煤=7GCal=2.93×1010J（29.3GJ）=8.13kwh=1.4t原煤

=0.7t石油=0.6676t標(biāo)油=0.77km3天然氣

1t2235U裂變能=280萬t標(biāo)煤;

1t2H聚變能=1200萬t標(biāo)煤再生性與污染性:如在提供同樣熱量的條件下，天然氣產(chǎn)生的

CO2比石油少30%，比煤少43%?！?.4.3能源的品質(zhì)評價—能源單位換算能源材料：產(chǎn)生或改變能源狀態(tài)的材料?；瘜W(xué)不僅是提供能源材料的基礎(chǔ)科學(xué)而且在能源的控制、高效利用和貯運(yùn)中發(fā)揮著不可替代的作用，如§2.4.4化學(xué)與能源技術(shù)新能源開發(fā)太陽能電池、集熱器、燃料電池、濃（鹽）差電池燃料核、熱核材料合成汽油、甲醇制氫如熱化學(xué)循環(huán)制氫已設(shè)計200多條途徑能源貯運(yùn)化學(xué)蓄熱、貯冷，如利用反應(yīng)貯氫材料化學(xué)熱管液體在管中熱端將凈熱帶到冷端冷凝放熱后通過芯毛細(xì)管返回的導(dǎo)熱裝置高效利用煤化學(xué)氣化、液化生物質(zhì)利用—世界年產(chǎn)木質(zhì)素約6×1014t/a，纖維素約1×1015t/a，

半纖維素4×1014t/a、可轉(zhuǎn)化為CH4、乙醇、生物柴油低值燃料利用石油增產(chǎn)與利用催化

潔凈煤技術(shù)指煤的低污染、高效化的加工利用技術(shù)。原煤直接燃燒的缺點(diǎn)：熱效率低，我國煤燃燒熱效率僅10%~30%。運(yùn)輸困難。污染。大氣污染的70%由煤造成，是空氣中SO2和NOX的主要來源，另外還產(chǎn)生大氣粉塵、粉煤灰、爐渣等。我國：由于燃煤排放SO22500萬t/a酸雨復(fù)蓋面積達(dá)30%，城市雨水pH<5.6，另還排放NOX800萬t/a；粉塵1700萬t/a；煤矸石7500t/a，已積存30億t，占地1.2萬ha；渣2億t/a；粉煤灰1.5億t，積存6億t，占地50萬畝；污染系數(shù)是發(fā)達(dá)國家的20倍。煤污染造成的損失約1000億元/a。3）潔凈煤技術(shù)（cleancoaltech）4）煤的氣化氣態(tài)燃料主要是天然碳?xì)浠衔锛捌浼庸ぎa(chǎn)物。煉焦是煙煤在通氣條件下加熱的芳構(gòu)化過程，目的主要是獲得焦炭，是典型的干餾為主的以高溫煤熱加工過程。高溫焦化是回收苯、萘、蒽的重要過程；中溫焦化主要生產(chǎn)燃料；低溫焦化又稱半焦化（蘭炭），主要產(chǎn)生80%的半焦，10%的煤氣和10%的焦油，其中<C8烷、烯、環(huán)烷較多，含酚，但不含芳烴。5）煤的液化核心原理：提高H/C比例.提高H/C比(將煤的H/C比由0.7-0.8提高至1.32-1.39),即提高含氫比(煤含氫3%,石油含氫12%).核心技術(shù)是加氫熱解。工藝直接液化間接液化煤油共煉油煤漿熱解供氫溶劑熱解萃取如以四氫萘作再循環(huán)油高壓催化加氫CO+H2氣化Co(Ni,Rh,Fe)F-T合成Cu系催化劑P、Δ合成石油、液體燃料、石蠟CH3OHMTG高辛烷值汽油CH3OCH3

高十六烷值、效率~柴油§2.4.6核能與核技術(shù)

（1）基本概念原子核化學(xué)：

研究原子核的反應(yīng)、產(chǎn)物的組成與性質(zhì)、鑒定及合成制備有關(guān)的化學(xué)。原子能化學(xué)（Chemistryofnuclearenergy）

:包括放射化學(xué)、輻射化學(xué)、同位素化學(xué)及核燃料化學(xué)。放射化學(xué)（radiochemistry）:研究放射性物質(zhì)的性質(zhì)、制備、純化、鑒定、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及應(yīng)用的化學(xué)。同位素化學(xué)（Isotopicchem.）:

研究同位素的性質(zhì)、分布、分離、分析及應(yīng)用的化學(xué)。核反應(yīng):

原子核與其它粒子碰撞導(dǎo)致核結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、電荷和能量變化的過程。1）高效

1kg235U裂變能8.21×1013J=2500t煤=20ktTNT1kg2H+3H聚變D+T→4He+n可產(chǎn)生3.4×1014J

（3.52+14.06MeV）的能量，相當(dāng)于11571t煤或90ktTNT.2）長效世界鈾估計貯量超過250萬t，其中高價鈾68萬t，低價鈾168萬t，相當(dāng)于107~108tU3O8，另外，海水含鈾量為3mg/t海水，貯量達(dá)45億t，可用2000年。海水重水含量為140kg/t，用于生產(chǎn)熱核能。則一桶海水~400桶石油~300桶汽油，可用千億年。3）清潔不排放CO2等，無溫室效應(yīng)。4）經(jīng)濟(jì)發(fā)電成本較煤低，美國核電價1.6美分/度，法國核電價為火電價的60%。（2）核能的優(yōu)點(diǎn)（3）核裂變1）核裂變原理:

原子核分為質(zhì)量相當(dāng)?shù)乃槠倪^程(包括自發(fā)裂變和誘發(fā)誘變)。中子誘發(fā)的裂變可形成自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。熱中子可誘發(fā)裂變的核素稱易裂變核，其中裂變截面大且壽命長的只有

235U、239Pu和233U。

裂變材料:235U239Pu233U，自然界只有235U，天然鈾中含0.7%235U（n，f）的裂變反應(yīng)：235U+n—236U*—X+Y+an2）核反應(yīng)堆控制核燃料產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)搅炎儯óa(chǎn)生核能）的裝置。

表2-6反應(yīng)堆的分類分類標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)堆名稱中子能量熱（中子）堆，快（中子）堆慢

化

劑石墨堆、輕水堆、重水堆、鈹堆3）重要的反應(yīng)堆有輕水堆和快堆

目前工業(yè)化的主要有：①輕水反應(yīng)堆（LWR）

以普通水作慢化劑和冷卻劑的熱中子反應(yīng)堆。目前全世界大約有400座輕水堆，輕水堆效率低（僅2%）。②快堆（fastreactor）

又稱快中子增殖堆（FBR,Fastbreederreactor）

由快中子引起裂變并同時將可裂變核素轉(zhuǎn)化為易裂變核素的反應(yīng)堆。中子能量>1.2MeV使238U、232Th裂變得到239Pu和233U，效率可達(dá)70%。（4）核聚變1）核聚變原理

兩個或更多的原子核聚合形成一個重原子核的過程。輕核聚變較重核裂變可釋放更多的能，平均結(jié)合馴服變化最大的聚變反應(yīng)是：41H——4He+2β++2υ+2γ+26.7MeV,即每個質(zhì)子釋放6.7MeV，相當(dāng)于每個235U核裂變能的8倍，1kg氫理論釋能6.45×1014J。2）核聚變的優(yōu)點(diǎn)①能量大無放射性產(chǎn)物，污染小。

②轉(zhuǎn)換效率高熱電轉(zhuǎn)換效率為30%，而聚變能量大部集中在帶電粒子上，故轉(zhuǎn)換效率有可能高達(dá)90%，廢熱問題少。③成本低氫彈比原子（鈾）彈便宜數(shù)百倍。

④原料豐富地球上鈾僅可用50年,而氘進(jìn)行熱核反應(yīng)則1L海水~300L汽油?！?.4.7氫能

2）氫的來源世界氫產(chǎn)量為3.6×107t/a，其中50%來自原油裂解；30%來自天然氣，16%來自煤氣化；只有3%來自電解；少量來自氫田及藻類或細(xì)菌分解產(chǎn)物。3）氫能優(yōu)越性，是長遠(yuǎn)理想能源

（1）熱值高1.4×105kJ/kg，相當(dāng)于煤的4倍，汽油的2.8倍；（2）聚變最易,聚變能最高,最便宜,成本幾分錢可產(chǎn)生相當(dāng)100kg汽油的能；（3）基本可再生,（水）貯量豐富；（4）最清潔；（5）最輕LH2比汽油輕40%適于航天；6）易點(diǎn)火，燃燒穩(wěn)定，火焰亮度低。載熱體如超高溫氣冷堆（溫度為2000-2773K）焊接熔煉飛機(jī)1955美用于超音機(jī)轟炸機(jī)火箭1968“阿波羅”登月，“土星V”2，3級，我國長征3號航天飛機(jī)“哥倫比亞”“東方快車超起飛重量350t”汽車、船美1973電廠發(fā)電常規(guī)燃料電池聚變能源

1）氫能的用途5）氫能的制取6）貯氫合金（貯氫材料）Pd吸收700倍體積的H2，100℃減壓后即可析出。制取供能法化學(xué)法核能太陽電解放射線（n.r）電能聚焦、熱直接分解>3000K才有明顯反應(yīng)光電效應(yīng)產(chǎn)生電能絡(luò)合催化普通電解可采用串聯(lián)、并聯(lián)電解器高溫水（蒸汽）電解固體高分子電解質(zhì)（SPE）電解反應(yīng)制氫如由LiH或Na+H2O，H2O+Fe(FeO)、鋼鐵副產(chǎn)、

H2O+C（煤、重油、天然氣）電池等離子化學(xué)法高頻放電光化學(xué)如TiO2與Fe-I2（光敏劑）催化熱化學(xué)循環(huán)已設(shè)計200多種，如2H2O+SO2+I2H2SO4+2HI800℃H2+I225℃600℃O2理論效率85%，目前已達(dá)40-50%（1）燃料電池原理

燃料電池原理示意圖

單電池組裝置（2）燃料電池的特點(diǎn)

1）能量轉(zhuǎn)換效率高：理論上~100%目前70%，直接性、高效性

H2+O2H2O效率84%CO+O2CO2

效率91%O2H2NNH2(aq）N2+2H2O效率99%

2）清潔：排放少、