化學與清潔能源

1、清潔能源,總述能源之母—太陽能魔鬼與天使——核能氫能源總結,一.總述,清潔能源是不排放污染物的能源，包括核電站和“可再生能源”，可再生能源是指原材料可以再生的能源，如水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能、生物能（沼氣）、海潮能等，可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到許多國家的重視，尤其是能源短缺的國家 可再生能源是最理想的能源，可以不受能源短缺的影響，但也受自然條件的影響，如需要有水力、風力、太陽能資源，而且最主要的是投資和維護

2、費用高，效率低，所以發(fā)出的電成本高，現(xiàn)在許多科學家在積極尋找提高利用可再生能源效率的方法，相信隨著地球資源的短缺，可再生能源將發(fā)揮越來越大的作用。,二、能源之母——太陽能,太陽能即太陽輻射能，它是太陽內部連續(xù)不斷的核聚變反應過程產生的能量。,目前人類所能夠使用的能源形式,太陽輻射能的直接利用,與其他能源相比，太陽能具有獨特的優(yōu)點：（1）它沒有一般煤炭、石油等礦物燃料產生的有害氣體和廢渣，因而不污染環(huán)境，被稱作“干凈能源”。（2）到處

3、都可以得到太陽能，使用方便、安全。（3）成本低廉，可以再生。,（1）對可見光的利用,主要的利用途徑是光電轉換，即把太陽能直接轉換成電能。這是人們目前對太陽能利用的主要方式之一。太陽能電池就屬于這種轉換方式。傳統(tǒng)的太陽能電池利用太陽光中高達九成以上的可見光。,太陽能電池,太陽能電池主要以半導體材料為基礎，利用光照產生電子空穴對，在PN結上可以產生光電流、光電壓的現(xiàn)象（光伏效應），實現(xiàn)光電轉換。硅是最合適最理想的太陽能電池材料。按照所用

4、材料的不同分為：硅太陽能電池(單晶硅、多晶硅、非晶硅） （光電轉化效率高，成本高，制備工藝復雜?。┮詿o機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池 （鎘：劇毒。銦、硒：稀有元素）功能高分子材料制備的大陽能電池 （處于研發(fā)初期、轉化效率低、使用壽命短）染料敏化納米晶體太陽能電池 （正在研發(fā)）,太陽能電池的應用,太陽能電池的發(fā)展方向,材料與器件結構的研究與開發(fā)各種太陽能電池材料

5、研究雜質與缺陷的轉換效率及穩(wěn)定性影響使用薄膜技術和剝離技術。大規(guī)模生產技術的開發(fā)跟蹤與聚光儲電及并網發(fā)電結合并網發(fā)電已占50%以建成多個兆瓦級的電站，~100MW規(guī)模VS太陽能熱發(fā)電站與建筑物結合架設太陽電池組件日本：1994-2000年 2萬套屋頂光伏系統(tǒng)185MW ；七萬屋頂計劃 280M美國：1997~2010年 百萬屋頂計劃 3025MW 發(fā)電成本6美分集成在建筑材料上曲線形屋頂瓦、垂直幕墻、窗用玻璃,

6、太陽能發(fā)電站,太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣列、貯能蓄電池、防反充二極管、充電控制器及逆變器、測量設備等組成。 太陽能發(fā)電站一旦建成，不需要運行投資即能運用,但出初期投資較高。,加利福尼亞一家太陽能發(fā)電站中的太陽能反射裝置,（2）對紅外線的利用,主要的利用途徑是光熱轉換，即把太陽能直接轉變成熱能。如：太陽能熱水器。,太陽能熱利用,低溫熱利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸餾、供暖、太陽能熱水系統(tǒng)中溫熱利用：空調制冷、制鹽以及其它工業(yè)

7、用熱高溫熱利用：聚焦形太陽灶、焊接機和高溫爐,（3）對紫外線的利用,紫外線具有殺菌功效。波長為300nm的紫外光的光子所具有的能量約為399kJ/mol，它比細菌的蛋白質分子中重要的化學鍵C-C（347 kJ/mol）、C-N（305 kJ/mol）和C-S（259 kJ/mol）鍵的鍵能大，因此紫外光的能量足以使這些化學鍵斷裂，從而破壞細菌的蛋白質分子，達到殺菌的目的。,三.魔鬼與天使—核能,（一）核裂變能 使一個重原子核分裂成為

8、兩個或兩個以上中等質量原子核的過程，稱為核裂變。核裂變是取得核能的重要途徑之一。只有一些質量非常大的原子核，像鈾、釷等才能發(fā)生核裂變。原子核在發(fā)生核裂變時，釋放出巨大的能量，1克235U完全發(fā)生核裂變后放出的能量相當于燃燒2.5噸煤所產生的能量。,人們將核反應堆形象地比喻為核電站的“鍋爐”，在這種“鍋爐”里燒的是鈾、钚等核燃料。在核電站“鍋爐”這個家庭中，有一個特殊成員——快中子增殖反應堆，簡稱“快堆”，現(xiàn)在已成為核反應中的佼佼者。在

9、一般鍋爐里的燃料如煤、燃油等都是越燒越少，而“快堆”的“燃料”卻越燒越多，成了魔爐。一座快堆核電站，在5～15年的時間內可使燃料數量翻一番，通過建造快堆核電站，既能用238U發(fā)電，又能增殖燃料，因此“快堆”被人們稱為“明天的核電站鍋爐”。,建設中的中國快堆,“快堆”——明天的核電站“鍋爐”,“快堆”如何增值燃燒？,在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1個每吸收1個快中子發(fā)生裂變反應會放出2.45個快中子，除去1個用

10、于鏈式裂變反應后，剩下的1.45個快中子會被裝在反應區(qū)周圍的238U（大量存在）吸收，產生1.45個新的核燃料原子239Pu 。就是說在核鍋爐中一邊“燒”掉，又一邊使238U轉為成新的，而且新產生的比“燒”掉的還多。這就使“快堆”的燃料越燒越多?！翱於选痹鲋澈巳剂习砚欃Y源的利用率大大提高了，因為它正好解決了熱中子核反應堆產生的大量238U廢料堆積問題。,核裂變能使用帶來的問題,1、放射性廢料的危害核廢料是指含有α、β和γ輻射的不穩(wěn)定元

11、素并伴隨有熱產生的無用材料，核廢料進入環(huán)境后會造成水、大氣、土壤的污染，并通過各種途徑進入人體，當放射性輻射超過一定水平，就能殺死生物體的細胞，妨礙正常細胞分裂和再生，引起細胞內遺傳信息的突變。研究表明，孕婦在懷孕初期腹部受過X光照射，她們生下的孩子與母親不受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數年或數十年后，可能出現(xiàn)癌癥、白內障、失明、生長遲緩、生育力降低等遠期效應，還可能出現(xiàn)胎兒畸形、流產、死產等遺傳

12、效應。,2、放射性核廢料的處理與核能相關的一個最困難的問題就是在開采、燃料生產以及反應堆的運行過程中產生的核廢料的處理，如何處理這些廢料可能將是最終核能使用的最大障礙。目前，核廢料的處理有“天葬”、“水葬”和“火葬”三種方法。,所謂“天葬”是指：把核廢料先固化成玻璃塊，裝到特制的合金棺中，在棺材外面裝上隔熱外套，然后用航天飛機把它帶入預定的軌道，機械手隨即把它推入太空，再點燃助推火箭將它送入3000千米的軌道上，讓核廢料遠遠離開人類生

13、活的地球。 “火葬”是美國能源部研制的一種處理核廢料的先進方法。火葬前，先在地下挖一個深坑，把放射性物質放入坑內，用特制的蓋子把坑頂蓋好。將空氣凈化器上的一根導管從蓋子上插入坑內，坑內裝４個碳電極，電極接通后，就會產生一股強大的電流，使坑內的泥土溫度上升到幾百度。在這樣的高溫下，泥土開始溶化，使核廢料均勻地分布在漿狀的泥石溶液里。當溶化的泥石漿冷卻后，與核廢料一起形成了一種類似天然巖石的堅硬物質，其硬度比天然花崗石和大理石更高，滲透性

14、更低，而且體積也縮小了好幾倍。最后用泥土把坑封死，一切放射性物質均被圍困在里面，不會外泄。 “水葬”就是將深海作為核廢料的墓場。將核廢料裝入密封的合金棺，再用混凝土密封在海底下面。,（二）核聚變,太陽的中心發(fā)生核聚變，放出巨大能量。在太陽內部，這個天然的核聚變過程以及發(fā)生了了好幾十億年了。,和平利用聚變能實驗非常困難，因為核力是一種短程力，只有當它們之間的距離接近到大約萬分之一毫米時，核力能才起作用，使兩個原子核聚合在一起，放出巨大的

15、能量。,核能雖然屬于清潔能源，但消耗鈾燃料，不是可再生能源，投資較高，而且?guī)缀跛械膰遥夹g和管理最先進的國家，都不能保證核電站的絕對安全，前蘇聯(lián)的切爾諾貝利事故和美國的三里島事故影響都非常大，日本也出現(xiàn)過核泄漏事故，核電站尤其是戰(zhàn)爭或恐怖主義襲擊的主要目標，遭到襲擊后可能會產生嚴重的后果，所以目前發(fā)達國家都在緩建核電站，德國準備逐漸關閉目前所有的核電站，以可再生能源代替，但可再生能源的成本比其他能源要高。,,切爾諾貝利核電站,四

16、.氫能源,氫能需求的背景大氣中二氧化碳逐年增加，地球不斷變暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災害頻發(fā)，造成的損失逐年增加?；茉磧α坑邢?，消耗加快。能源結構單一，過渡依賴化石能源。經濟增長、環(huán)境保護和社會發(fā)展的壓力。氫能的特點：儲量大，分布廣，清潔無污染,高效,氫能社會構想,氫氣的制取,氫氣是清潔能源，也是重要的化工原料。氫氣的制取都是從—次性能源轉化而來，目前制取氫氣的方法主要有：煤、焦碳氣化制氫，天然氣或石油產品轉化制氫，各種工業(yè)生

17、產的尾氣回收或焦化廠、氯堿廠副產氫以及水電解制氫等。作為化工原料的含氫氣體基本采用化石燃料制取，而作為工業(yè)氫氣、石化行業(yè)加氫用的氫氣，基本采用前面提及的含氫氣體或工業(yè)生產的含氫尾氣利用變壓吸附法(PSA)或膜法分離或水電解法制取，這些制取方法國內外均有一定的成熟經驗。,氫的儲運,1、液氫儲運，1.0立方米液氫氣化后可得到788Nm3的氣氫，所以采用液氫（以下簡稱LH2）儲運，可減少儲運體積和運輸重量，但每Nm3氣氫液化為LH2要消耗大約

18、0.5-1.0kWh的電力，且LH2裝置一次投資較大，在貯運過程中還有一定量蒸發(fā)損失，因此通常在運輸距離較遠且使用點分散或儲氫、氫的使用特殊時，才采用LH2儲運；也可通過技術經濟比較，確認采用LH2儲運經濟合理時采用。 2、高壓氫氣鋼瓶（含大型長管鋼瓶）儲運，目前國內外都有采用壓力為25-30MPa的氫氣鋼瓶儲運；每輛氫氣長管車的氣氫儲運量3000-5000Nm3。燃料電池汽車所需氫氣鋼瓶，現(xiàn)已有壓力為25-35 MPa的碳纖維鋼瓶

19、，減輕了鋼瓶重量，目前國內正研制40 MPa的氫氣鋼瓶。 3、儲氫材料（金屬氫化物、納米碳等）儲運，國內外已開展大量的各種儲氫材料的儲氫、放氫性能的開發(fā)研究工作，但是目前要達到實用的單位重量儲氫量的要求尚需進行大量的研究，下表為幾種儲氫方法的比較。 4、氫氣管網輸送，氫氣的規(guī)模生產和氫能的廣泛應用，氫氣管網的建設勢在必行，尤如當今的天然氣管網一樣，氫氣的長距離輸送管網和“庭院”管網的建設終將成為現(xiàn)實。為了實現(xiàn)這個目的，我們應該從

20、現(xiàn)在開始，就組織開發(fā)研究氫氣管網建設用氫氣壓縮機、管材、附件的開發(fā)研究和安全管理的規(guī)程、規(guī)范的制定。,氫能的利用,（1）燃燒放熱（2）用于燃料電池，釋放電能（3）利用氫的核聚變反應釋放的核能,五.總結,化學的知識來源于日常生活、生產、實踐、自然界和化學實驗等，并通過應用服務于社會?；瘜W與生活結合、有利于引導我們根據已有的知識和生活經驗去探究和認識化學，激發(fā)我們探究和學習的興趣。同時，通過化學知識在生活中的應用，可以讓我們了解化學知識

21、的社會價值，培養(yǎng)我們應用化學知識解決實際問題的能力，實現(xiàn)自我、社會與自然的和諧。 同過本次做化學與生活相關的ppt，我了解到化學是一門實用性的學科。生活中處處有化學知識，讓我更容易懂得日常生活中衣，食,住,行, 育,樂等種種發(fā)生的現(xiàn)象。 同時，化學對科學的貢獻讓我了解到它的博大精深。學習化學與生活，重要好處是讓我明白宏觀的現(xiàn)象往往是微觀的變化的外在表現(xiàn) 。,六.致 謝,衷心的感謝任川宏老師孜孜不倦的給我們傳授化學與生活知識，