化学与清洁能源

化学与清洁能源第1页，共30页，2023年，2月20日，星期一清洁能源总述能源之母—太阳能魔鬼与天使——核能氢能源总结第2页，共30页，2023年，2月20日，星期一一.总述清洁能源是不排放污染物的能源，包括核电站和“可再生能源”，可再生能源是指原材料可以再生的能源，如水力发电、风力发电、太阳能、生物能（沼气）、海潮能等，可再生能源不存在能源耗竭的可能，因此日益受到许多国家的重视，尤其是能源短缺的国家可再生能源是最理想的能源，可以不受能源短缺的影响，但也受自然条件的影响，如需要有水力、风力、太阳能资源，而且最主要的是投资和维护费用高，效率低，所以发出的电成本高，现在许多科学家在积极寻找提高利用可再生能源效率的方法，相信随着地球资源的短缺，可再生能源将发挥越来越大的作用。

第3页，共30页，2023年，2月20日，星期一二、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。第4页，共30页，2023年，2月20日，星期一目前人类所能够使用的能源形式

第5页，共30页，2023年，2月20日，星期一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。第6页，共30页，2023年，2月20日，星期一（1）对可见光的利用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。第7页，共30页，2023年，2月20日，星期一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。按照所用材料的不同分为：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）第8页，共30页，2023年，2月20日，星期一太阳能电池的应用第9页，共30页，2023年，2月20日，星期一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：1997~2010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、窗用玻璃第10页，共30页，2023年，2月20日，星期一太阳能发电站

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,但出初期投资较高。

加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能反射装置第11页，共30页，2023年，2月20日，星期一（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。如：太阳能热水器。第12页，共30页，2023年，2月20日，星期一太阳能热利用低温热利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：空调制冷、制盐以及其它工业用热高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉第13页，共30页，2023年，2月20日，星期一（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。第14页，共30页，2023年，2月20日，星期一三.魔鬼与天使—核能（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。第15页，共30页，2023年，2月20日，星期一人们将核反应堆形象地比喻为核电站的“锅炉”，在这种“锅炉”里烧的是铀、钚等核燃料。在核电站“锅炉”这个家庭中，有一个特殊成员——快中子增殖反应堆，简称“快堆”，现在已成为核反应中的佼佼者。在一般锅炉里的燃料如煤、燃油等都是越烧越少，而“快堆”的“燃料”却越烧越多，成了魔炉。一座快堆核电站，在5～15年的时间内可使燃料数量翻一番，通过建造快堆核电站，既能用238U发电，又能增殖燃料，因此“快堆”被人们称为“明天的核电站锅炉”。建设中的中国快堆“快堆”——明天的核电站“锅炉”第16页，共30页，2023年，2月20日，星期一“快堆”如何增值燃烧？在“快堆”中用的核燃料是239Pu(钚bù)。1个每吸收1个快中子发生裂变反应会放出2.45个快中子，除去1个用于链式裂变反应后，剩下的1.45个快中子会被装在反应区周围的238U（大量存在）吸收，产生1.45个新的核燃料原子239Pu

。就是说在核锅炉中一边“烧”掉，又一边使238U转为成新的，而且新产生的比“烧”掉的还多。这就使“快堆”的燃料越烧越多。“快堆”增殖核燃料把铀资源的利用率大大提高了，因为它正好解决了热中子核反应堆产生的大量238U废料堆积问题。第17页，共30页，2023年，2月20日，星期一核裂变能使用带来的问题1、放射性废料的危害核废料是指含有α、β和γ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。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。第18页，共30页，2023年，2月20日，星期一2、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。第19页，共30页，2023年，2月20日，星期一所谓“天葬”是指：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”是美国能源部研制的一种处理核废料的先进方法。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４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。第20页，共30页，2023年，2月20日，星期一（二）核聚变太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。第21页，共30页，2023年，2月20日，星期一和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。第22页，共30页，2023年，2月20日，星期一核能虽然属于清洁能源，但消耗铀燃料，不是可再生能源，投资较高，而且几乎所有的国家，包括技术和管理最先进的国家，都不能保证核电站的绝对安全，前苏联的切尔诺贝利事故和美国的三里岛事故影响都非常大，日本也出现过核泄漏事故，核电站尤其是战争或恐怖主义袭击的主要目标，遭到袭击后可能会产生严重的后果，所以目前发达国家都在缓建核电站，德国准备逐渐关闭目前所有的核电站，以可再生能源代替，但可再生能源的成本比其他能源要高。切尔诺贝利核电站第23页，共30页，2023年，2月20日，星期一四.氢能源氢能需求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。氢能的特点：储量大，分布广，清洁无污染,高效第24页，共30页，2023年，2月20日，星期一氢能社会构想第25页，共30页，2023年，2月20日，星期一氢气的制取氢气是清洁能源，也是重要的化工原料。氢气的制取都是从—次性能源转化而来，目前制取氢气的方法主要有：煤、焦碳气化制氢，天然气或石油产品转化制氢，各种工业生产的尾气回收或焦化厂、氯碱厂副产氢以及水电解制氢等。作为化工原料的含氢气体基本采用化石燃料制取，而作为工业氢气、石化行业加氢用的氢气，基本采用前面提及的含氢气体或工业生产的含氢尾气利用变压吸附法(PSA)或膜法分离或水电解法制取，这些制取方法国内外均有一定的成熟经验。

第26页，共30页，2023年，2月20日，星期一氢的储运

1、液氢储运，1.0立方米液氢气化后可得到788Nm3的气氢，所以采用液氢（以下简称LH2）储运，可减少储运体积和运输重量，但每Nm3气氢液化为LH2要消耗大约0.5-1.0kWh的电力，且LH2装置一次投资较大，在贮运过程中还有一定量蒸发损失，因此通常在运输距离较远且使用点分散或储氢、氢的使用特殊时，才采用LH2储运；也可通过技术经济比较，确认采用LH2储运经济合理时采用。

2、高压氢气钢瓶（含大型长管钢瓶）储运，目前国内外都有采用压力为25-30MPa的氢气钢瓶储运；每辆氢气长管车的气氢储运量3000-5000Nm3。燃料电池汽车所需氢气钢瓶，现已有压力为25-35MPa的碳纤维钢瓶，减轻了钢瓶重量，目前国内正研制40MPa的氢气钢瓶。

3、储氢材料（金属氢化物、纳米碳等）储运，国内外已开展大量的各种储氢材料的储氢、放氢性能的开发研究工作，但是目前要达到实用的单位重量储氢量的要求尚需进行大量的研究，下表为几种储氢方法的比较。

4、氢气管网输送，氢气的规模生产和氢能的广泛应用，氢气管网的建设势在必行，尤如当今的天然气管网一样，氢气的长距离输送管网和“庭院”管网的建设终将成为现实。为了实现这个目的，我们应该从现在开始，就组织开发研究氢气管网建设用氢气压缩机、管材、附件的开发研究和安全管理的规程、规范的制定。第27页，共30页，2023年，2月20日，星期一氢能的利用（1）燃烧放热（2）用于燃料电池，释放电能（3）利用氢的核聚变反应释放的核能第28页，共30页，2023年，2月20日，星期一五.总结化学的知识来源于日常生活、生产、实践、自然界和化学实验等，并通过应用服务于社会。化学与生活结合、有利于引导我们根据已有的知识和生活经验去探究和认识化学，激发我们探究和学习的兴趣。同时，通过化学知识在生活中的应用，可以让我们了解化学知识的社会价值，培养我们应用化学知识解决实际问题的能力，实现自我、社会与自