《无机化学》课件第十章

无机化学

第十章化学与社会第二节生物无机化学第三节无机纳米材料第四节环境与化学第一节无机非金属材料第五节能源与化学第六节绿色化学与清洁生产

化学作为自然科学的基础学科，被誉为21世纪的中心科学，其重要性毋庸置疑。一方面，它不断借助其他学科，特别是数学、物理学、电子学和计算机技术的进步而得到了快速的发展；另一方面，其本身也不断向其他学科（如生物学、环境科学、材料科学、信息科学）渗透，为这些学科的发展提供理论基础、工艺途径和测试手段。化学与化工技术的结合，有力地促进了现代社会的文明进步。无机化学作为化学学科的重要分支，在化学学科的发展与应用过程中发挥了举足轻重的作用。本章主要介绍无机化学在材料、生物、环境、能源等领域的应用以及发展趋势。第十章化学与社会

第一节无机非金属材料无机非金属材料在近几十年中得到了飞速发展。它包括除金属材料和高分子材料以外的几乎所有材料，根据性能和用途的不同，可分为包括陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸盐为主要成分的传统无机材料和由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机材料，如特种陶瓷、激光晶体等。无机非金属材料耐高温，硬度高，抗腐蚀，并具有优良的介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性，品种极多，使用历史最长，近年来又发展很快，不少材料与高新技术的发展密切相关，是十分重要的一类工程材料，已广泛应用于国民经济各个领域中。

陶瓷材料一、一般所说的陶瓷，是指以黏土为主要原料，调制成型，经高温煅烧制得的硬而强、耐水、性脆的人工硅酸盐材料。陶瓷是人类最早使用的合成材料，我国是最早发明陶瓷的国家，为人类文明做出了巨大贡献。第一节无机非金属材料

陶瓷的主要原料是层状结构的硅酸盐——黏土。黏土与适量水充分调制后，有较好的可塑性，可制成一定形状的坯体。在制造过程中，常需掺入适量的SiO2（石英）粉末，以减少坯体在干燥、烧结时的收缩或变形；加入长石等熔剂性原料，可得到不同致密度的坯体，并降低其烧成温度。再经低温干燥、高温烧结、保温处理和冷却等阶段，经历了一系列复杂的物理、化学变化，最终生成以3Al2O3·2SiO2为主要成分的坚硬固体，即为陶瓷材料。第一节无机非金属材料

用普通黏土为原料，在不高于1000℃的温度下烧结得到的多孔烧结体，通常称为陶器。用较纯净的黏土，在更高的温度下烧成，并经上釉而得的产品，称带釉陶器。以更纯的黏土为原料，掺入大致等量的石英和长石，成型后经1200℃左右高温下煅烧，再放入长石细粉和水的糊状混合物中，涂上一层长石涂料，烧至1400℃后，可得到带有致密而光亮的半透明制品，称为细瓷。表10-1中列出了陶瓷的性能和用途。第一节无机非金属材料

第一节无机非金属材料

从结构上看，陶瓷是组成复杂的多晶体，其中存在各种形状（如粒状、针状、片状和纤维状等）的晶粒、晶粒间的晶界、气孔和不同物质以玻璃态存在的包裹物等，因此可将陶瓷材料看作是晶粒、晶界、气孔和玻璃态包裹物的集合体。正因为结构上的这种复杂性，陶瓷材料中主要的化学键（离子键与共价键）未能充分发挥作用。陶瓷材料的实际强度比理论强度低约3个数量级。减少气孔率、细化晶粒、设置附加能量消耗材料相都能显著地提高陶瓷材料的强度，增加其韧性，即可作为工程结构材料使用。第一节无机非金属材料

和传统的陶瓷相比，新型无机非金属材料具有下述特点：（1）材料的组成已远超出硅酸盐范围，扩大到经高温烧结制成的所有无机材料。（2）材料的制备突破了传统的工艺，采用了许多新技术制取高纯、超细的原料，保持精确的化学组成，严格控制成型和烧结工艺，以获得尺寸和形状精确，微观结构和所需优良性能确定的新材料。（3）制品的形态多样化，除传统的材料和烧结体外，还有单晶体、薄膜和纤维等品种。（4）在应用上，已由主要利用材料固有的静态物理性能发展到利用各种物理、化学效应和微观现象的功能特征。第一节无机非金属材料

玻璃二、广义上说，凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质和结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。普通的玻璃是指硅酸盐玻璃，它是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体：Na2CO3+CaCO3+6SiO2Na2O·CaO·6SiO2+2CO2↑第一节无机非金属材料

改变普通玻璃的化学组成或对玻璃进行特殊处理，可得到各种特殊性能的玻璃。例如，加入少量金属氧化物可得到各种有色玻璃；向玻璃中加入AgCl和CuCl2可制得光色玻璃，这种玻璃在强光下变暗，在无光照射时复明，原因是AgCl以极小晶体的形式存在，光照射时分解成银原子和氯原子，银使玻璃变暗，光照消除后，银原子和氯原子又结合成AgCl，玻璃又复明。第一节无机非金属材料

此外，还有生化玻璃、激光玻璃、导电玻璃、微晶玻璃、石英光导纤维玻璃等，都已广泛应用于汽车、航空、造船、建筑、化工、通讯等各行业中。第一节无机非金属材料

水泥三、水泥是一种水硬性胶凝材料，加入适量水后成为塑性浆体，可将砂、石、纤维等材料黏结起来，硬化成为有较高强度的整体。在硬化过程中，水泥与水主要形成氢氧化钙、含水的铝酸钙、硅酸钙和铁酸钙等化合物。第一节无机非金属材料

通常的水泥是硅酸盐水泥，是由黏土和石灰石调匀，放入旋转窑中，于1500℃以上温度煅烧成熔块，再混入少量石膏磨粉后制成。按总质量计，主要成分是CaO（62%~67%）、SiO2（20%~24%）、Al2O3（4%~7%）和Fe2O3（2%~5%）。水泥作为胶结材料，有很多优点：水泥与水拌和后，一段时间内具有可塑性，便于成型，再逐渐变硬，在一定时间内具有足够的强度。根据我国的标准，将水泥按规定方法制成试样，在一定的温度、湿度下，经28天后所达到的抗压强度（kg·cm-2）数值，表示为水泥的标号数。第一节无机非金属材料

水泥的凝结硬化是很复杂的物理化学过程，大致可分为以下三个阶段：（1）溶解期。

加水后，水泥颗粒与水反应、溶解，水化生成硅酸盐、铝酸盐的水化物及Ca(OH)2等。（2）胶化期。水化产物在水中溶解达到饱和后，逐渐形成胶凝体，水泥凝结，但还不具有强度。（3）结晶期。凝胶体脱水，氢氧化钙及水化铝酸钙等析出针状晶体伸入硅酸钙凝胶体内，水泥硬化而具有强度。除硅酸盐水泥外，还有适应各种不同用途的水泥，如高铝水泥、耐酸水泥等。第一节无机非金属材料

耐火材料四、耐火材料是指能耐1580℃以上高温，并在高温下能耐气体、熔融炉渣等物质侵蚀，且具有一定机械强度的无机非金属材料。根据耐火程度的高低，可将耐火材料分为普通耐火材料（1580~1770℃）、高级耐火材料（1770~2000℃）和特级耐火材料（2000℃以上）；还可根据材料的化学性质将其分为酸性、中性和碱性耐火材料。常用耐火材料的成分、性能和用途见表10-2。第一节无机非金属材料

第一节无机非金属材料

新型无机非金属材料五、传统无机非金属材料一般都具有高硬度、高耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性等优点，因此得到广泛应用。但其不足是有脆性，经不起碰撞和冷、热冲击等。随着科学技术的的进步，各种新型无机非金属材料先后问世，其重要代表是特种陶瓷和激光晶体。第一节无机非金属材料

特种陶瓷1.特种陶瓷具有不同的新型结构，由不同的氧化物、硅化物、碳化物、氮化物、氟化物及硼化物等组成，主要包括耐高温材料、电绝缘材料、铁电材料、压电材料、半导体陶瓷材料等。它们用途特殊，产量不大，但价值很高。这些材料的制造工艺特点是对原料的纯度要求严格，成分、显微结构以及产品的界面状况需要严格控制，形状精致而复杂，要求精密加工，此类特种陶瓷的制造是建立在高科技基础上的。第一节无机非金属材料

20世纪30年代以来，不断开发出了一些可应用于高技术领域的高性能陶瓷，为了区别于传统陶瓷，人们称之为先进陶瓷或高技术陶瓷，有时也称之为精细陶瓷；因其显微结构非常精细，制备技术也非常精细，也有人称其为工程陶瓷。先进陶瓷按其使用性能，大体上可以分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷两大类。前者主要是利用材料本身具有的优异力学性质，后者则是利用陶瓷的其他各种特殊功能。第一节无机非金属材料

第一节无机非金属材料

先进功能陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷。功能陶瓷与电子技术有着很密切的关系，如图10-1所示。先进功能陶瓷的特点是品种繁多、应用广泛，如电容器陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、半导体陶瓷、导电陶瓷、透明和电光陶瓷等。第一节无机非金属材料

图10-1先进功能陶瓷的树结构第一节无机非金属材料

先进陶瓷为人类提供了许多其他材料难以提供的高性能。目前，世界各国几乎都集中了大批最优秀的陶瓷科学家，进行着范围广泛而深入的研究。从先进陶瓷发展到纳米陶瓷将是陶瓷发展进程中的第三次飞跃，近年来高分辨电镜和分析电镜技术的发展，使人们有可能进入到纳米量级线度上来研究材料的组成和结构，从而为纳米结构的形成和控制研究提供了保证。第一节无机非金属材料

原子核2.1960年第一台实际运行的红宝石激光器的出现给人以启示：总有一天光信号可以代替电信号作为信息交换的公共载体。第一节无机非金属材料

固体、液体和气体都能受激发光，利用材料的这种性质制成的激光器分别称为固体激光器、液体激光器和气体激光器。固体激光器的工作物质主要有激光晶体和激光玻璃，性能较好的激光晶体。新近研制开发的许多复合功能激光晶体，由于其本身具有非线性光学性质，因而在受激发射的同时也可实现自信频、自锁模等多种功能，可用于制成紧凑、高效率、低成本的微小型激光器。第一节无机非金属材料

随着科学技术的发展，各学科之间相互渗透，促进了新的科学分支不断产生，生物无机化学就是近30年来在生物化学与无机化学之间发展起来的一门新兴的边缘学科。生物无机化学与医学有着密切的关系，涉及生物化学、药理学、免疫学、临床医学、环境保护等许多方面，本节主要从无机化学的观点出发对生物无机化学的一些基本知识作一简要介绍。第一节无机非金属材料

生物无机化学简介一、生物体内广泛参与生命活动的蛋白质、核酸、脂类和糖类都是含有碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素的有机化合物。因此，有机化学与生物学及医学的关系为大家所熟知。然而，无机化学所研究的是有机化合物以外的所有元素及其化合物，它们与生命体之间的关系长期以来被人们所忽视。随着X射线衍射、核磁共振及各种光谱技术等各种近代物理方法在化学中广泛应用，以及以分子轨道理论、配位场理论为代表的物质结构理论的发展。第一节无机非金属材料

因此，可以认为生物无机化学是将无机化学的方法和理论应用于生物学问题，在分子水平研究无机元素（特别是生命元素）及其化合物在生物体中的作用和机理，以探讨生命活动规律的学科。它研究的主要对象是生命金属元素与生物配位体的相互作用及这些生命元素所形成的生物配合物的结构、性质及其生理功能之间的关系。第一节无机非金属材料

生命元素二、生命元素的分类1.生物机体是由化学元素组成的，在地球上发现的九十多种稳定元素中，绝大多数在生物体内都有发现。到目前为止，人体内已知含有六十多种化学元素，若按其在体内的含量多少，包括必需微量元素(生命元素)Fe、I、Zn、Cu、Co、Cr、Mn、Mo、Se、Ni、Sn、Si、F、V等，非必需微量元素Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb、Zr等，有毒微量元素Bi、Sb、Be、Cd、Hg、Pb等。第一节无机非金属材料

某些元素影响机体正常功能，对机体有害，如Pb、Hg、Cd等称为有害元素。应该指出的是，将生命元素分为必需元素、有益元素和有害元素是相对而言的，有些元素几年前还认为是非必需的，但随着人们对其生理功能认识的不断深入，现在已经证实是必需的了，如Se、V等。另外，还有一个量的问题，有些元素即使是必需的，但当摄入过多时，同样会引起代谢紊乱，甚至中毒。此外，可能还有其他不同的分类方法。第一节无机非金属材料

生命金属元素的特征及功能2.必需元素中的C、H、O、N、P、S元素在生物体内起着非常关键的作用，它们是蛋白质、核酸、糖类和脂类的组成成分，也是组成地球生命的基础。这些元素及物质不属于生物无机化学讨论的范围，生物无机化学的研究对象主要是生命金属元素。第一节无机非金属材料

（1）

常量生命金属元素。

常量生命金属元素包括Na、K、Ca、Mg，它们分别位于周期表的第ⅠA族和第ⅡA族，属碱金属元素和碱土金属元素，其外层电子结构为ns1和ns2，其离子都具有稳定

的稀有气体8电子结构，因此它们在生物体内主要是离子键的特征。Na

+和K

+化学性质相似，主要区别是离子大小（rNa+=95pm,rK+=133pm）和离子水合能的高低。第一节无机非金属材料

钙是骨骼和牙齿的主要成分，它主要以磷酸盐形式嵌镶在蛋白质框架里，Ca2+对肌肉收缩、调节心律和血液凝固等都有影响。镁在体内除以Mg3(PO4)2的形式参与骨盐组成外，Mg2+还是许多酶的激活剂，并且对蛋白质的合成和对DNA的复制起着重要作用。第一节无机非金属材料

（2）微量生命金属元素。表10-3所列出的微量生命金属元素在维持正常代谢中起着重要作用，它们作为酶、激素、维生素等物质的成分参与代谢过程。主要生理功能有以下几个方面：第一节无机非金属材料

①它们多是酶的组成部分，是形成酶的活性中心。在已知的酶中，大多数酶含有一个或几个金属离子，它们把蛋白的亚单位联结在一起，使蛋白质维持适当的结构，或作为酶的活性中心，催化生物体系中的化学反应。②它们是某些激素和维生素的组成成分，参与调解人体的重要生理功能。第一节无机非金属材料

第二节生物无机化学③可以输送某些元素。例如，Fe(Ⅱ)是血红素的中心离子，在体内把O2运送到细胞中，在细胞中O2被H2O取代下来供代谢需要。④核酸内含有Mn、Zn、Co等离子，它们在维持核酸的立体结构及其代谢等方面有着重要作用。

第二节生物无机化学

第二节生物无机化学

第三节无机纳米材料无机纳米材料及其特性一、纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。可采用物理、化学或综合的方法制备纳米微粒，然后加压烧结后即成纳米固体。硬度高2～3个数量级；室温下合成的纳米TiO2陶瓷晶体能被弯曲，其塑性变形可高达100％，并具有与烧结陶瓷相同的韧性。纳米级固体还显示出高的热容、高的热膨胀系数、高的电导率、高的扩散速率、高的磁化率和高的矫顽力、对电磁波均匀的强吸收、比表面大和表面活性高等性能，因而在催化反应、传感器、磁记录、生物医学工程等领域中可望得到广泛的应用。

第三节无机纳米材料无机纳米技术的应用二、在微电子学上的应用1.纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应设计、制造纳米量子器件。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的能在室温下使用的各种器件。碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成的，径向尺寸控制在100nm以下，电子在碳纳米管中的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。

第三节无机纳米材料纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为信息时代的核心。

第三节无机纳米材料在化工领域的应用2.纳米粒子作为光催化剂有许多优点。首先，它的粒径小，比表面大，光催化效率高；其次，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合，因此，电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高；第三，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法观察界面间的电子转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前，工业上利用纳米二氧化钛三氧化二铁作光催化剂，进行废水处理，已经取得了很好的效果。

第三节无机纳米材料研究人员还发现，可以利用纳米碳管独特的孔状结构、大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器。此类反应器能够使化学反应局限在一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。

第三节无机纳米材料这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和反应的速度。科学家利用纳米尺度的分子筛作反应器，在烯烃的光敏氧化作用中，将底物分子置于反应器的孔腔中，敏化剂在溶液中，结果只生成单重态的氧化产物。用金属醇化合物与羧酸反应，可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接技共聚物会形成微相分离，可形成不同的“纳米结构”作为纳米反应器。

第三节无机纳米材料纳米技术在医学上的应用3.纳米技术在医学领域也开始崭露头角。研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体线度在15~20nm之间，而生物体内的多种病毒也是纳米大小的粒子，10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，则可作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功地利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。此外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，不久的将来即可能服务于人类。

第三节无机纳米材料研究纳米技术在生命科学上的应用可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构与其功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的艾滋病、高血压、癌症等都可能被攻克，从而使医学研究发生一次革命。

第三节无机纳米材料在其他领域的应用4.利用先进的纳米技术将可能制成纳米电脑。纳米电脑可实现人机对话，并具有自我复制能力，能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面，利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中，控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。

第三节无机纳米材料利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。利用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。另外，还可利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料电池汽车的燃料“储备箱”；利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合系统制备红外隐身材料，等等，都是很具有应用前景的技术开发领域。

第三节无机纳米材料纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，相关的纳米技术正成为各国关注的焦点，被公认为是21世纪最具前途的科研领域之一。有科学家预言，纳米尺寸左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而引起21世纪的又一次工业革命。

第四节环境与化学在过去的一百多年间，传统的化学与化工生产为人类作出了巨大的贡献，但由于没有合理有效地利用资源与能源，在制造和使用化学化工产品的同时也对资源造成了极大的浪费，对环境造成了严重的破坏。当今重大的环境问题几乎都与化学品的生产与使用有着密切的关系。了解环境与化学的关系，推动传统化学向绿色化学的变革，走可持续发展的道路，是社会发展和环境保护的迫切要求。

第四节环境与化学水的硬度及净化一、自然界的水（如井水、河水、泉水、湖水等）如果含有较大量的钙盐或镁盐，就称为硬水。硬水又分为暂时硬水和永久硬水两种。含有钙、镁酸式盐的硬水可用煮沸的方法使之软化，这种称为暂时硬水。含有钙、镁的硫酸盐或氯化物等不能用煮沸的方法软化的硬水称为永久硬水。

水中钙、镁盐的总含量以硬度来表示，硬度的单位有各种表示方法，如“毫克/升”、“毫克当量/升”或“度”等，而且各国的标准也不同。在我国，通常以每升水中含有钙盐、镁盐的量换算成CaCO3的毫克数来表示，即以ppm数表示，就是说在1升水中含有1mgCaCO3，即在1000000克水中含有1克CaCO3，称为1ppm（百万分之一）。第四节环境与化学

硬水对工业生产的危害很大，如以硬水作为锅炉用水，日久就会产生锅垢，其主要成分是CaSO4、CaCO3、MgCO3及部分铁、铝盐。锅垢不传热，不仅耗费燃料，还会因传热不均而引起锅炉爆炸。在日常生活中，如果饮用硬度过高的水，由于Ca2+、Mg2+离子刺激肠黏膜，容易引起慢性腹泻。用硬水洗衣物时，肥皂中的可溶性脂肪酸钠遇Ca2+、Mg2+等离子会转变成不溶性沉淀（硬脂酸钙或硬脂酸镁），不仅浪费肥皂，而且污染衣物。使用硬水前，采取一定方法减少硬水中钙盐和镁盐的过程叫做硬水软化。第四节环境与化学

（1）化学方法。硬水的软化主要有化学方法和离子交换法两种方法。（2）离子交换法。第四节环境与化学

某些生产、科研部门以及医药用水等对水的质量要求很高，须用高纯水。制备高纯水的方法有蒸馏法及离子交换法。蒸馏方法是在普通蒸馏水中加入高锰酸钾和氢氧化钡，再次进行蒸馏，用这种方法制得的纯水叫重蒸馏水，其电导率一般小于1×10-6S·cm-1。离子交换方法是让普通水先通过H型阳离子交换树脂，水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子被交换，例如：RSO-3+K+RSO-3K++H+RSO-3+Na+RSO-3Na++H+第四节环境与化学

离子交换树脂使用一段时间变成盐型后就失去了交换能力，需要进行处理，使之再生。再生的方法是用5%~8%的盐酸或5%~8%的氢氧化钠分别浸泡阳树脂或阴树脂，阳树脂用酸浸泡后，由盐型变成H型；阴树脂用碱浸泡后，由盐型变回碱型，又恢复了交换能力。再生反应实际上是交换反应的逆反应，因此，离子交换树脂可以反复使用。第四节环境与化学

水污染及其治理二、水污染及其分类1.随着工业进步和社会发展，水污染亦日趋严重，成了世界性的头号环境治理难题。人类赖以维持生命和从事生产可利用的淡水大约只占地球储水量的0.65％。水体因某种物质的介入，而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特征的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象称为水污染。水污染可根据污染杂质的不同主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。化学污染物可以分为无机污染物和有机污染物两大类。第四节环境与化学

（1）无机污染物。

无机污染物如各种有毒金属及其氧化物、酸、碱、盐类、硫化物和卤化物等。采矿、冶炼、机械制造、建筑材料、化工等工业生产排出的污染物中大量为无机污染物，其中硫、氮、碳的氧化物和金属粉尘是主要的大气无机污染物。（2）有机污染物。

根据在环境中的存在形式，有机污染物可分为耗氧有机污染物和难降解有机污染物，耗氧有机物通常是指以碳水化合物、蛋白质、氨基酸和脂肪等形式存在的天然有机物质，以及某些其他可生物降解的人工合成有机物质为组成的污染物。第四节环境与化学

废水处理2.废水处理可以分为一级处理、二级处理和三级处理三种处理方法。（1）一级处理。

一级处理主要利用筛滤、重力沉降和浮选等物理方法串联，除去固体悬浮物。（2）二级处理。

二级处理主要采用生物法与化学法结合，除去水中可降解有机物和部分胶体污染物。生物法即利用微生物的代谢作用，使废水中的有机污染物氧化降解；化学法主要是利用化学絮凝，使胶体颗粒团聚沉淀。第四节环境与化学

（3）三级处理。

三级处理是利用化学沉淀、氧化还原等化学方法与吸附、离子交换、萃取、电渗析和反渗透等物理化学方法相结合除去特定污染，实现“深度处理”。表10-4、表10-5及图10-2、图10-3综述了废水处理基本方法和方案。第四节环境与化学

第四节环境与化学

第四节环境与化学

图10-2污水化学沉淀净化方案之一第四节环境与化学

图10-3城市污水的典型处理流程第四节环境与化学

大气污染及其治理三、大气圈的结构与组成1.如图10-4所示，一般根据温度与组成分布将大气圈分为对流层、平流层、中间层和热层共四层。图10-4大气圈的结构与组成第四节环境与化学

（1）对流层。

对流层的平均厚度为12km，气温垂直递减平均为0.6K/100m，对流充分。风、雪、雨、霜、雾和雷电等复杂的气象现象都出现于该层。（2）平流层。

在平流层中，温度随高度增加而上升。在25km高度左右的平流层存在臭氧层，能强烈吸收200~300nm的紫外线，使平流层上部增温。在平流层中只有水平平流，是一个静悄悄的世界。第四节环境与化学

大气主要污染物及其危害2.（1）大气污染按污染物的来源可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是由污染源直接排入大气中产生的，二次污染物是一次污染物在大气中进行热或光化学反应后的产物，危害往往更大。第四节环境与化学

①颗粒物。②SOx。③NOx。④CO和CO2。⑤烃类。（2）按污染物的种类可分为以下几类：⑥氟里昂和苯并芘。第四节环境与化学

我国空气污染的主要特征3.我国以煤炭为主的能源结构近期不会改变。其中，民用煤在煤炭消费结构中所占比例过大，占煤炭消费总量的22.6%，而美国占0.8%，日本只占0.4%；燃煤设备燃烧效率过低，主要工业品单位能耗过高。大气污染属燃煤污染，主要污染物为烟尘和SO2；大中城市重于小城镇，冬春季重于夏秋季；机动车排气污染日趋严重。第四节环境与化学

大气污染问题4.

（1）酸雨。

酸雨一般是指pH值小于5.6的雨水。它的主要来源如下：我国的酸雨区主要是西南（重庆和贵阳）、长江三角洲（上海、苏州、常州和杭州）和中南地区（长沙、广州）。酸雨的危害主要是以下几个方面：少量SO2可被植物吸收，过量引起叶面腐蚀而影响光合作用，导致植物死亡；严重危害人体健康；对建筑物、桥梁和设备及文物产生腐蚀破坏。第四节环境与化学

（2）光化学烟雾。

光化学烟雾是指在太阳光的紫外线照射下，碳氢化合物、氮氧化合物、氧和颗粒物相互作用，发生一系列光化学反应产生烟和雾。（3）臭氧层的耗损。

臭氧层的基本作用是吸收紫外线(320~100nm)。臭氧层的破坏导致紫外线直射地面，降低人体免疫功能，危害呼吸器官和眼睛，增加皮肤癌的发病率。紫外线还影响植物生长，增加海洋生物死亡率，进而影响生物链。第四节环境与化学

（4）温室效应。

大气对太阳和地球表面辐射热量的吸收多于散失，最终导致地球保持相对稳定的气温。但由于人口剧增，化石燃料消耗的膨胀，森林面积锐减，导致大气中CO2、CH4和H2O等浓度增大，地球变成了一个气体覆盖下的“大温室”。第四节环境与化学

大气污染的控制和防治5.目前采用的控制与防治的措施主要表现在两个方面，一种方法是在源头上限制污染物的形成和排放，包括以下措施：控制污染源，改进产生污染源的生产工艺和设备；更换燃料或使用清洁能源，避免或减少污染的燃烧产物；净化已经排出的废气。另一种方法就是对已经形成的污染的治理，如消烟除尘；控制SO2，包括燃料燃前脱硫、燃烧中脱硫、以及烟气脱硫等多种方法；治理汽车废气，包括改进发动机燃料或燃烧方式(机内净化)，利用装有催化剂的装置在发动机外部对废气进行净化(机外净化)等；使用无氟致冷等。第四节环境与化学

固体废弃物污染及其资源化处理四、固体废弃物对环境的污染1.固体废弃物大概可分为工业废弃物和城市垃圾两大类。工业废弃物包括矿业开采产生的固体废物（如煤炭开采产生的矸石）、冶金工业产生的废渣、化工废渣等。城市垃圾包括生活垃圾、商业垃圾、建筑垃圾等。固体废弃物堆放会对土壤、大气和水体产生严重的污染。固体废弃物资源化是垃圾处理的趋势。清洁生产工艺是污染治理的根本途径，进口“洋垃圾”的行为必须制止。第四节环境与化学

固体废弃物的处置2.（1）处置途径。

处置途径包括分选回收、转化以及综合利用等。（2）转化处置利用途径。

这种方法包括作为辅助燃料、焚烧发电或生产蒸气以及高温干馏生产燃料和原料等。（3）城市垃圾分选发酵法处置。

图10-5示意了城市垃圾分选发酵法处置的典型工艺。第四节环境与化学

图10-5城市垃圾分选发酵法处置的典型工艺第四节环境与化学

本节讨论化学对能源科技创新和发展的重要指导意义，主要介绍化学与能源的关系、化学基本理论和原理在能源科技领域的应用，以及能源化学的基本概念和理论。基本内容包括能源与社会进步、化石能源（石油、煤炭、天然气和可燃冰）、化学电源、太阳能和生物质能等能源的基本知识和应用。第四节环境与化学

第五节能源与化学能源与社会进步一、能源的基本概念和分类1.能源是指提供能量的物质资源。按照其来源可分为一次能源（天然能源）和二次能源。一次能源是指存在于自然界，可直接获得而无须改变其形态和性质的能源，包括风能、水能、太阳能、地热能、生物能、潮汐能等；二次能源则是一次能源再加工的产品，它与矿物能源（如煤炭、石油、天然气和核燃料等）被称为非再生能源。能源分类见表10-6。

第五节能源与化学

根据消耗后能否造成环境污染，可将能源区分为污染型能源和洁净型能源。煤炭、石油等是污染型能源，而水力能、风能、氢能和太阳能等是洁净型能源。第五节能源与化学

能源与社会进步2.地球从太阳辐射获取光和热，又经植物的光合作用将其转化为生物质能。埋藏在地下的动植物残骸经过漫长的地质作用转化为煤炭、石油和天然气等化石能源；江河湖海中的水经蒸发、凝结降落在高山丘陵形成水力能；空气经太阳能加热，因密度差而形成风能。所以可以说除核能外，太阳能是地球能源的总来源。从火的发现到18世纪工业革命期间，树枝、杂草、秸杆等生物质燃料一直是人类使用的主要能源，这个时期称为柴草时期。第五节能源与化学

18世纪中叶，煤炭开始大规模开采。1769年瓦特(J.Watt)发明蒸气机，煤炭作为蒸气机的动力之源，完成了第一次工业革命，使煤炭成为人类的主要能源，这个时期称为煤炭时期。

20世纪初，在美国、中东、北非等地区相继发现了大油田及伴生的天然气。石油的大量开采和炼油工艺的提高，使石油很快成为能源消费的主流，这个时期称为石油时期。第五节能源与化学

常规能源（如煤炭、石油和天然气）的燃烧将化学能转换为热能和光能，同时生成二氧化碳、水和其他无机物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在燃烧过程中转化为二氧化硫和氮氧化物而造成大气污染。同时人类对化石燃料的消费速度远远超过了动植物经地质作用形成化石能源的速度，因此，化石能源面临着被消耗殆尽的危险。以信息、生物和新材料技术为标志的第三次工业革命为新能源技术创造了机遇和条件，使氢能、太阳能、核能和天体运动能逐渐成为代替化石燃料的新能源。第五节能源与化学

化石燃料二、煤与洁净煤技术1.（1）煤的组成与结构。

煤是储量最丰富的化石燃料。世界煤炭可采储量约为1012t，中国约占11%。煤既是重要的能源，也是重要的化工原料。煤炭是一类具有高碳氢比的有机聚合物与无机矿物构成的复杂混合物。煤炭有机大分子由许多结构相似但又不同的结构单元组成。结构单元的核心是缩合程度不同的稠环芳烃及一些脂环、杂环。第五节能源与化学

（2）洁净煤技术简介。

洁净煤技术是旨在减少污染和提高燃烧效率的煤炭加工、转换新技术的总称，包括了煤炭生产和使用各环节的净化和加工技术，是当前世界各国解决燃煤污染的主导技术。第五节能源与化学

目前洁净煤技术主要表现在如下四个技术领域：煤炭加工领域——选煤、型煤和水煤浆技术；燃煤与发电领域——循环流化床燃煤发电技术、增压流化床发电技术、煤气化联合循环发电技术；煤转化领域——气化、焦化、液化和燃料电池技术；污染排放控制及废弃物处理领域——煤层气开发利用、烟气净化、粉煤灰利用，煤矸石及矿井水资源化处理，中小锅炉改造或减排放技术。第五节能源与化学

发达国家的洁净煤技术具有工艺先进、污染防治效果好的优点。但设备投资和运行成本高，难以完全适合我国国情。根据现有的技术水平和条件，我国选择了10项洁净煤技术，作为近期研究和开发的重点。第五节能源与化学

①选煤技术。选煤技术是应用物理、物理化学、化学、微生物等方法脱除无机矿物，并加工成不同用途商品煤的煤炭加工技术。②型煤技术。型煤技术是用粉煤与其他添加剂、粘结剂加工成具有一定强度和形状的煤炭制品的技术。③水煤浆。水煤浆是将低矿物质高挥发分煤磨成0.25~0.3mm的煤粉，与水按照一定比例并加入适宜添加剂制成的一种新型半液态燃料。第五节能源与化学

④先进的燃烧器。先进的燃烧器是通过改进锅炉、窑炉的设计和燃烧技术，减少污染物排放，提高燃烧效率的新型燃烧设备。⑤流化床燃烧。流化床燃烧是将粉煤与吸附剂（如石灰石粉）在燃烧室的床层中，受炉底鼓风影响而悬浮进行的燃烧方式。⑥煤气化联合循环发电。煤气化联合循环发电是将煤气化生成燃料气，驱动燃气轮机发电，余气加热锅炉产生蒸气驱动气轮机发电的新技术。第五节能源与化学

⑦烟道气净化。煤炭燃烧后产生的废气和烟尘是可进行控制和净化的。先进的烟道气净化工艺可同时脱除90%以上的SO2和NOx并消除粉尘污染。⑧煤炭气化。煤炭气化是把经过适当处理的煤送入反应器，在一定温度、压力下，通入气化剂（空气、氧气或水蒸气等）并以一定的流动方式（移动床、流化床或携带床等）使煤炭转化为气体的技术。第五节能源与化学

⑨煤炭液化。煤炭液化是将煤炭转化为液体燃料或化工原料的技术，包括直接液化和间接液化两类。⑩燃料电池。燃料电池是应用电化学原理，把燃料的热能直接转化为电能的装置，也是能源转化效率最高的方式。现已成为新能源技术研究的热点，其基本原理将设专题介绍。第五节能源与化学

石油和天然气2.（1）石油和天然气的主要成分。

石油是由沉积在海底和湖泊中的动植物遗体经千百万年的漫长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称为原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油。第五节能源与化学

天然气的主要成分是甲烷，也含

有相对分子质量较大的烷烃，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，还含有SO2、H2S及微量稀有气体。碳原子数超过5的烃在地下高温环境中以气态被开采出来，但在标准态下是液体。天然气中各组分的含量常随相对分子质量的增大而下降，石油和天然气作为燃料在燃烧过程中也会产生SO2和NOx等有害气体，汽车尾气是氮氧化物的主要来源。第五节能源与化学

（2）石油的炼制。

石油的成分十分复杂。在炼油厂，对原油进行蒸馏和分馏，得到不同沸点范围的油品，包括石油气、轻油（溶剂油、汽油、煤油和柴油等）及重油（润滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等）。重油经过催化裂化、热裂化或加氢裂化等方法，可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂（铂系和钯系贵金属）存在下，环烷烃或链烃可转化为辛烷值较高的芳香烃，称为重整。轻质油品经加氢精制使其中的杂环化合物脱除硫和氮，可提高油品质量。第五节能源与化学

对原油进行一系列炼制和精制，获得了各种半成品和组分，然后再按照用途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为燃料（如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等）和化工原料两类。第五节能源与化学

（3）石油化工。石油化工是石油化学工业的简称，是以石油和天然气为原料生产化学品的工业领域。石油化工以各种石油馏分、天然气和油田气出发，制得烷烃、乙烯、丙烯、丁烯和苯、甲苯及二甲苯等基本化工原料。以此为基础，生产出一系列中间体、涂料、染料、黏合剂、农药、医药及合成洗涤剂等；还可进一步生产出以合成塑料、橡胶、纤维等为主体的高分子材料，与石油炼制或天然气加工结合，形成庞大的工业联合体，成为国民经济的支柱产业之一。第五节能源与化学

可燃冰3.可燃冰是天然气的一种存在形式，是天然气的水合物。它是一种白色固体物质，外形像冰雪，有极强的燃烧力，可作为上等能源。天然气水合物由水分子和燃气分子，主要是甲烷分子组成。此外还有少量的硫化氢、二氧化碳、氮和其他烃类气体。在低温（-10~10℃）和高压（10MPa以上）条件下，甲烷气体和水分子能够合成类冰固态物质，具有极强的储载气体的能力。第五节能源与化学

这种天然水合物的气体储载量可达其自身体积的100~200倍，1m3的固态水合物包容有约180m3的甲烷气体。这意味着水合物的能量密度是煤和黑色页岩的10倍，是传统天然气的2~5倍。在海洋中，约有90%的区域都具备天然气水合物生成的温度和压力条件。目前公认全球的“可燃冰”总能量是所有煤、石油、天然气总和的2~3倍。第五节能源与化学

据预测，我国2010年石油需求量约为2.5亿吨，而我国石油工业在进入20世纪90年代后，老油区稳产难度增大，新油区生产不到位，故石油资源形势严峻。我国已由石油输出国转变为石油进口国。随着国民经济的持续快速发展，我国能源需求与供应的紧张矛盾将长期存在。因此，从保障21世纪经济可持续发展战略的能源角度出发，把天然气水合物资源的研究、勘探和开发纳入我国的能源发展和保障计划是十分必要和紧迫的。第五节能源与化学

化学电源三、（1）能量转换的速率快，以保证较大的电流；（2）电池活性物质的化学能不通过外电路的自放电小；（3）较高的电动势；（4）电池容量大；化学电源又称为电池，主要是电化学电池。它通过氧化还原反应将化学能直接转换成直流电能。设计一个实用电池，必须满足许多条件。主要有以下方面：（5）能在较宽的温度范围内正常工作。第五节能源与化学

此外，材料还要价廉、安全、无毒等。表征电池质量的常用指标有：开路电压和工作电压、电池容量、寿命和贮存期。现将常用的化学电池简介如下。第五节能源与化学

一次性电池1.一次性电池是一类通过电极反应使化学能转换成电能的装置。原电池用完即被废弃，不能反复使用。一次性电池作为直流电源广泛应用于便携式电器、电子仪器和仪表、照相机与照相器材、手表、计算器、助听器、电动玩具等方面。第五节能源与化学

常用的一次性电池有锌-锰干电池、锌-汞电池、锌-银扣式电池及锂电池。下面主要简介使用最广泛的锌-锰干电池。锌-锰干电池以锌为负极，以二氧化锰为正极。锌-锰干电池以锌为负极，以二氧化锰为正极。按照基本结构，锌-锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形。按照所用电解质的不同，锌-锰电池分为三个类型：（1）铵型锌-锰电池。（2）锌型锌-锰电池。（3）碱性锌-锰电池。第五节能源与化学电极活性物质经氧化还原反应输出的电能（放电）被消耗后，可以用充电的方法使活性物质恢复的电池称为可充电电池或二次电池，因其兼有贮存电能的作用，故称作蓄电池。蓄电池主要有铅酸蓄电池和碱性蓄电池两类。

蓄电池2.第五节能源与化学

（1）铅酸蓄电池。

它以二氧化铅为正极，以多孔金属铅为负极，电解质硫酸参与电池反应，两极反应产物均为硫酸铅，电池反应如下：Pb+PbO2+2H2SO4---2PbSO4+2H2O第五节能源与化学

（2）碱性蓄电池。

它的正极活性物质是铜、镍、汞和锰的氢氧化物、氧化物或氧、卤素等，负极活性物质是不同形态的镉、铁、锌、氢等；碱性蓄电池结构有开口型和密封型两种。开口型电池放电率高，价格低；密封型电池无需维护，可以任意使用。第五节能源与化学

碱蓄电池的突出优点是寿命长，使用维护方便，耐充电能力强。镉镍蓄电池可循环2000次以上，使用时间可达25年；铁镍蓄电池寿命更长，且价格较低，但低温性能、荷电保持、充电效率、电压平稳性较差。第五节能源与化学

锂电池3.（1）锂原电池。

锂原电池又称作锂电池，是以金属锂为负极电池的总称。锂的电极电势最低，相对分子质量小，导电性好，可制成一系列贮存寿命长、工作温度范围宽的高能电池。是近年来研制的新产品。目前主要用于军事、空间技术等特殊领域，在心脏起搏器等微小功率场合也有应用。第五节能源与化学

（2）锂离子电池。

从20世纪60年代开始研制锂电池至今，锂电池由一次电池、早期的二次电池发展到如今的锂离子电池。1980年法国首先提出“摇椅式”电池概念，引发了嵌锂材料的研究热，促进了锂离子电池的研制。锂离子电池因电解质不同，又可分为液态和固态锂离子电池两种，详情可参见有关专著。第五节能源与化学

燃料电池4.燃料电池是一种将化学能直接转变为电能的电化学装置。在燃料电池中，燃料直接氧化产生电能。燃料有氢、肼、烃、煤气等液体和气体燃料；氧化剂仅限于氧和空气。燃料电池的基本结构与一般化学电源相同，由正极(氧化剂电极)、负极(燃料电极)和电解质构成，但其电极本身仅起催化和集流作用。燃料电池工作时，活性物质由外部供给。因此，原则上说，只要燃料和氧化剂不断地输入，反应产物不断地排出，燃料电池就可以连续放电，供给电能。第五节能源与化学

燃料电池的总反应与燃料燃烧反应完全一样。原则上，可作为电池燃料和氧化剂的化学物质很多，但目前实际应用的只有氢氧燃料电池。图10-6是氢氧燃料电池的原理图，氢气流经铂负极，催化解离为氢原子，再释放出电子形成氢离子，电子经外电路的负载后流到氧气的催化正极，与氧和水生成氢氧离子，再在电解液中与氢离子结合成水。要维持电池正常工作，燃料电池还需反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统和安全系统。第五节能源与化学

图10-6氢氧燃料电池第五节能源与化学

构成燃料电池的关键材料和部件包括电极和隔膜等。电极是燃料氧化和氧化剂还原的场所。电极厚度一般约为0.2~0.5mm。通常分两层，一层为扩散层或支撑层，由导电多孔材料制备，起到支撑催化剂层、收集电流与传导气体和反应产物（如水等）的作用；另一层为催化剂层，由电催化剂和防水剂（如聚四氟乙烯）等制备，其厚度仅为微米级。电极性能取决于电催化剂的性能、电极材料和电极制备技术。隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂（氢和氧）并起离子传导的作用。为了减少电阻，隔膜厚度一般仅零点几毫米。隔膜的性能取决于隔膜材料与其制备技术。第五节能源与化学

燃料电池具有高效、环境友好、输出性能好的特点，既适宜于集中发电，也可以做成各种规格的分散电源和可移动电源。燃料电池也是世界各国竞相研究的新能源技术，目前，在结构设计、电极材料、隔膜材料和催化剂、电解质等领域都取得了长足的发展。第五节能源与化学

核能四、从1945年起，人类开始了开发和利用核能的新时代。核能包括核裂变能和核聚变能。作为新型能源，核电事业获得了长足发展，成为重要的能源之一，核电站发电量占世界总发电量的16.8%。目前，我国已经运行的核电站有浙江秦山核电站和广东大亚湾核电站。它们均采用世界上流行的压水堆。近年来我国正致力于600MW压水堆核电机组国产化、标准化和批量生产，GW级先进压水堆和快中子增殖反应堆及高温气冷反应堆正处于研制阶段。第五节能源与化学

氢能五、氢能源的开发应用必须解决三个关键问题：廉价氢的大批量制备、氢的储运和氢的合理有效利用。其基本原理在第八章中已有介绍，这里从略。第五节能源与化学

太阳能六、太阳能是指由太阳发射出来并由地球表面接受的这一部分辐射能。它是地球上主要能源的总来源，与常规能源相比具有如下特点：太阳是个持久、巨大的能源；太阳能是洁净、无污染的能源；太阳能无偿地提供给地球的每个角落，可就地取材，不受市场的垄断和操纵。第五节能源与化学

太阳能的利用也有一些不利因素，如能量密度低，在日地平均距离处阳光垂直辐照时，被地球表面吸收的仅约0.6kW·m-2。就每个

地域来说，能量供应受昼夜、阴晴、季节、纬度等因素的影响较大，能量供应极不稳定，因此太阳能

的采集和利用尚有大量课题需要研究。太阳能的利用主要有热能转换、化学能转换和电能转换。第五节能源与化学

太阳能热利用1.光热转换是目前广泛采用的太阳能利用方式。按照用热温度可区分为：低温热利用(t<100℃)，用于热水、采暖、干燥、蒸溜等；中温热利用(100℃≤t≤250℃，用于工业用热、制冷空调、小型热动力等；高温热利用(t>250℃)，用于热发电、废物高温解毒、太阳炉等。太阳能热利用系统一般由集热、贮热和供热三部分组成。第五节能源与化学

集热器是通过对太阳能的采集和吸收将辐射能转换为热能的装置，已投入应用的主要有如下几种：

（1）平板型集热器。

这种集热器采集和吸收辐射能的面积相同，能收集太阳直射和散射的能量，并能将之转换为热能。一般可获得40~70℃的热水或热空气。

（2）聚焦型集热器。

这种集热器由集光器和接受器组成，有的还有阳光跟踪系统。它把照射在采光面上的太阳辐射反射或折射汇聚到接受器上形成聚焦面，从而获得比平板型集热器更高的能量密度，使载热介质的工作温度提高，可获得500℃以上的高温。第五节能源与化学

（3）真空管集热器。

这种集热器采用真空夹层，使对流与传导热损失可以忽略。使用光谱选择性吸收膜层可以使热辐射损失下降到最低，极大地提高了集热器的效率，可用于寒冷的冬天。（4）热管式真空管集热器。

它运用真空技术，降低了集热管的热损失。同时，由于运用了热管技术，被加热工质不直接流经真空管。与普通真空管集热器相比，具有热容量小、有热二极管效应、防冻、系统承压高、易于安装和维修等优点。第五节能源与化学

太阳能的热贮存是将太阳的辐射能吸收后转变为热能加以贮存，包括显热贮存和潜热贮存两种方式。显热贮存是利用物质的升温或降温吸收或释放热量。原则上说，任何物质都可用于显热贮存，但气体的热容小，不宜使用。低温(t<100℃)范围内，液体贮热介质以水为最佳；固体贮热介质以岩石和土壤最为适宜。依此认识，人们先后开发了水箱贮热、岩石床(箱)贮热、地下含水层贮热和地下土壤贮热等多种技术。潜热贮存是利用物质发生相变时吸收(或放出)热量的性质。贮热材料主要有无机盐水合物、有机化合物和饱和盐水溶液。无机盐水合物相变的同时伴随有能量交换。第五节能源与化学

太阳热发电2.利用太阳辐射产生的热能发电的想法在20世纪初即已产生，至20世纪80年代随太阳能材料和系统控制技术的进展，一些国家太阳热发电已实现商业运营。德国1989年研制成功一种新型太阳能存储器，为充分利用太阳能发电和供暖创造了条件。其工作原理是先用聚光镜将太阳光聚集起来，

使镁氢化合物分解，产生作为反应媒介的氢气，然后将氢气输回到镁床。在这样连续不断的化学反应过程中产生热量，根据需要随时释放出热量，用以进行发电或供暖。美国加州太阳能试验电站功率已达10MW。预计太阳热电站将有可能迅速发展。第五节能源与化学

太阳能电池3.太阳能电池是能有效吸收太阳光辐射能并使之转换成电能的半导体电子器件，一般都由n型半导体和p型半导体构成。当阳光辐照到半导体表面时，材料吸光产生自由正电荷(空穴)和负电荷(电子)，在p

n结附近产生电子空穴对，并将其分离到材料的不同区域，形成电动势。已经商品化的有单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。目前主要应用于电子手表、计算器等，正在逐渐进入（包括太阳能汽车在内的）功率较大的太阳能电源市场。第五节能源与化学

生物质能七、生物质能概述1.生物质能是指由太阳能转化并以化学能形式贮藏在生物质中的能量。生物质能本质上是由绿色植物和光合细菌等自养生物吸收光能，通过光合作用把水和二氧化碳转化成碳水化合物而形成的。绿色植物只吸收了照射到地球表面辐射能的1％～2％。即使如此，全部绿色植物每年所吸收的二氧化碳约7×1011t，合成有机物约5×1011t。因此生物质能是一种极为丰富的能量资源，也是太阳能的最好贮存方式。第五节能源与化学

按照资源类型，生物质能包括古生物化石能源、现代植物能源和生物有机质废弃物。古生物化石能源是煤、石油、天然气等。现代植物能源是新生代以来进化产生的现代能源植物。水生生物质资源比陆生的更为广泛，品种更为繁多，资源量更大。现代人类生活和生产活动消耗了大量生物有机质，在此过程中产生的废弃物也已成为生物质能的重要组成部分。这些能量资源按加工层次又可区分为一次能源(如能源植物、农业废弃物)和二次能源(如生物热解气、沼气、生物炭等)。第五节能源与化学

生物质的利用2.（1）生物质燃烧技术。

直接燃烧是生物质能最普通的转换技术。生物质燃料(秸杆、薪柴等)的燃烧是与空气中氧强烈放热的化学反应。人类燃烧柴草已经历了几千年，燃烧装置大致分为原始炉灶、旧式炉灶、改良炉灶和节柴炉灶四个阶段。20世纪80年代，我国研究了节柴炉灶由工厂批量生产组装产品，以便推广，热效率达40％。第五节能源与化学

农业废弃物有巨大的能源潜力。蔗渣曾用作制糖的燃料，现又用来发电，巴西的蔗渣发电厂能力达300MW；夏威夷15家糖厂为当地提供了10％的电力。垃圾中的有机质除分离制作复合肥料外，还可用于供热和发电，这类工厂在全球已有500余座。第五节能源与化学

（2）生物质的气化。

生物质的气化是生物质在缺氧或无氧条件下热解生成以一氧化碳为主要有效成分的可燃气体，从而将化学能的载体由固态转化为气态的技术。由于可燃气体输送方便，燃烧充分，便于控制，因而扩大了生物质能的应用范围。20世纪20年代，人们开发了煤炭和木柴的气化技术，进入70年代，研究重点转向农林业废弃物和城镇垃圾可燃部分的气化，以扩大能源来源，提高能源品位，减轻废弃物对环境的污染。20世纪80年代始，我国研制了新一代农业废弃物气化技术，缓解了农村生产和生活用能源的紧张局面。此外，在生物质气化工业利用的研究和实用化方面也取得了突破性的进展。第五节能源与化学

（3）沼气的制取与应用。

沼气是微生物在厌氧条件下对有机质进行分解代谢的产物。主要成分是CH4(约60％)、CO2(约35％)及少量H2S、H2、CO和N2等气体。生成沼气的过程称为沼气发酵。发酵原料和条件不同，所得沼气的成分也有差异。人、禽粪、屠宰废水发酵所得沼气，甲烷可达70％；秸杆为原料时，沼气的甲烷含量约55％。含甲烷60％的沼气与空气混合物的爆炸下限为9％～23％。第五节能源与化学

沼气可用于生产和生活，有燃料用途和非燃料用途之分。除炊事、照明外，还可作为内燃机燃料(驱动汽车、发电、抽水等)。发酵后的沼液含丰富的维生素、氨基酸、生长素、腐殖酸等生物活性物质及氮、磷、钾、微量元素，经过滤后可浸种、喷施、制造高效有机肥。沼渣可用于制造配合饲料等。第五节能源与化学

随着经济的发展、人口的增长和生活水平的提高，大量工业有机废水和城镇生活污水已成为主要的环境污染源，沼气发酵可使废水中的COD降至20%以下，并可回收沼气能源。发展沼气已成为消除有机污染，改善人类生存环境的重要手段之一。第五节能源与化学

（4）生物质液化。

生物质液化是通过热或生物化学方法将生物质部分或全部转化为液体燃料。液化方法有热分解、直接液化、水解发酵和植物油酯化。生物质干馏和热解除得可燃气体、焦炭外，所含挥发分可用于合成汽油和水解制酒精。干馏的液体产物粗木醋液中含酸、酯、醛、醚、烃等有机物，有工业利用价值的有乙酸、乙酸乙酯、甲醇、丙醇、乙醛、糠醛、丙酮等。液体燃料能量密度大，贮运、使用方便，精炼后可得优质燃料，因此近年来生物质热解的液体产物倍受重视。第五节能源与化学

动植物油作为动力燃料早有研究。植物油热值大致相当于同质量柴油的87％～89％，并随碳链长度的增加而增大。由于其黏度较大，在发动机中雾化效果较差，多与柴油混合使用。

大规模采用酒精作为汽车燃料是近年生物质能应用的一大进展。它既可以减少对石油的依赖，又可减轻汽车尾气的污染。巴西90％的小汽车已使用酒精燃料。传统的生物质酿酒工艺与现代生物工程技术相结合，必将使酒精燃料的广泛应用成为现实。第五节能源与化学风能主要是利用风力进行发电、提水、扬帆助航，是一种可以再生的干净能源。随着风力发电技术的提高和市场的不断扩大，近年来风力发电增长迅速。单机容量不断扩大，目前兆瓦机组已走向商业化。我国东南沿海及西北地区（内蒙、青海、新疆）也有丰富的风力资源，现已建成小型风力发电厂9个，发电装机容量2万千瓦。

其他能源简介八、风能1.第五节能源与化学

地热能2.地壳深处的温度比地面高得多，利用地下热量也可发电。西藏的发电量中，一半是水力发电，约40%是地热电。西藏羊八井地热电站的水温在150℃左右，台湾清水地热电站水温达226℃。近年来发展最快的是中、低温地热的利用，可用于采暖、洗浴、医疗、旅游、种植业等。目前，全国已发现地热点3200多处，打成地热井2000多眼。地热能与地球共存亡，地热潜力不容忽视。第五节能源与化学

海洋能3.在地球与太阳、月亮的互相作用下，海水不停地运动。其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，这些能量总称作海洋能。从20世纪60年代起，法国、前苏联、加拿大、芬兰等国先后建成潮汐能发电站。中国海洋能资源十分丰富，可开发的潮汐能达2000万kW以上。我国在东南沿海先后建成7个小型潮汐能电站，其中浙江温岭的江厦潮汐能电站具有代表性，它建成于1980年，至今运行状况良好。第五节能源与化学

节能技术九、现代，主要能源是煤、石油和天然气，这些都是不可能再生的化石燃料，储量都极其有限，因此必须节能。节能不是简单地指少用能量，而是要充分有效地利用能源，尽量降低各种产品的能耗，这也是国民经济建设中一项长期的战略任务。第五节能源与化学

能源利用率的高低一般是按生产总值与能源总消耗量的比值进行统计比较的，它与产业结构、产品结构和技术状况有关。我国的能耗比日本高4倍，比美国高2倍，比印度高1倍。要实现国民经济现代化，既要开发能源，又必须降低能耗，开源节流并举，并且要把节流放到更重要的位置。根据国家能源委员会的预测，到2020年，新型的节能车、新型的工业节能装置和热力系统以及节约能源的部分基础设施将取代现存的能源设施。从2050年至2100年，几乎所有的能源技术和能源设施将至少被更新两次，大多数与能源有关的基础设施也不例外。第五节能源与化学

绿色化学一、绿色化学及其研究内容1.绿色化学，又称作环境无害化学，在其基础上发展的技术称为环境友好技术或洁净技术。它所研究的中心问题是使化学反应及其产物具有以下特点:第五节能源与化学

第六节绿色化学与清洁生产(1)工艺过程使用无毒、无害的原料、溶剂和催化剂；(2)具有原子经济性，即在获取新物质的化学过程中充分利用每个原料原子,反应具有高选择性，不生成或很少生成副产物或废物，甚至实现或接近废物的“零排放”；(3)生产环境友好的产品。因此绿色化学可以看作是进入成熟期的更高层次的化学。

第六节绿色化学与清洁生产绿色化学的目标及其基本思想2.绿色化学是一门以保护环境为目标来设计、生产化学产品的新兴学科，是一门从源头上防止污染的化学。它的主要特点是原子经济性，即在获取新物质的化学过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”，使化学从“粗放型”向“集约型”转变，既充分利用资源，又不产生污染。绿色化学研究的目标就是运用现代科学技术的原理和方法从源头上减少或消除化学工业对环境的污染，从根本上实现化学工业的“绿色化”，走经济和社会可持续发展的道路。因此，绿色化学及其应用技术已成为各国政府、企业和学术界关注的热点。绿色化学基本思想结构如图10-7所示。

第六节绿色化学与清洁生产

第六节绿色化学与清洁生产

图10-7绿色化学基本思想示意图

第六节绿色化学与清洁生产绿色化学的12条原则3.绿色化学的研究者们在长期实践和摸索的基础上，于1998年提出绿色化学的12条原则，这些原则可作为开发和评估一条合成路线、一个生产过程、一种化合物是否符合绿色化学要求的指导方针和标准，并逐步得到整个国际社会的承认。具体内容如下：（1）污染的预防——防止产生废弃物要比产生后再去处理和净化好得多。（2）原子经济——应该设计这样的合成程序，使反应过程中所用的物料能最大限度地进到终极产物中。

第六节绿色化学与清洁生产（3）较少有危害性的合成反应出现——无论如何要使用可以行得通的方法，使得设计合成程序只选用或产出对人体或环境毒性很小甚至无毒的物质。（4）化学品的安全设计——设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能，还应具有最小的毒性。（5）溶剂和辅料的安全性——尽量不用辅料（如溶剂或析出剂），当不得已使用时，尽可能选用无害的辅料。

第六节绿色化学与清洁生产（6）能量的高效利用——尽可能降低化学过程所需能量，还应考虑对环境和经济的效益。合成程序尽可能在常温常压下进行。（7）原料的可回收性——只要技术上、经济上是可行的，原料应能回收而不是使之变坏。（8）尽量减少副产物——尽可能避免或减少多余的衍生反应（用于保护基团或取消保护和短暂改变物理、化学过程），因为进行这些步骤需添加一些反应物，同时也会产生废弃物。

第六节绿色化学与清洁生产（9）充分利用催化作用——催化剂（尽可能是具有选择性的）比符合化学计量数的反应物更占优势。（10）提高产物的可降解性——按设计生产的生成物，当其有效作用完成后，可以分解为无害的降解产物，在环境中不再继续存在。（11）对防止污染进程能进行实时分析——需要不断发展分析方法，对形成危害物质的控制能够进行实时分析和进程中监测。

第六节绿色化学与清洁生产（12）特别是要从化学反应的安全上防止事故发生——在化学过程中，反应物（包括其特定形态）的选择应着眼于使包括释放、爆炸、着火等化学事故的可能性降至最低。这些原则目前为国际化学界所公认，它反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面的研究工作内容，同时也指明了未来发展绿色化学的方向。从国际上看,无论是美国的“总统绿色化学挑战奖”，还是日本的“新阳光计划”，都反映了各国政府对绿色化学的高度重视和大力支持。绿色化学的研究主要包括反应原料、溶剂、催化剂、产品和反应过程绿色化五个方面环境友好的要求。

第六节绿色化学与清洁生产绿色化学的基本目标和思想是什么？如何应用绿色化学的要求评价“合成氨”等传统化学工业的功过是非？思考题10-1工业革命以来，尤其是20世纪70年代以后，全球经济得到了迅猛发展，但同时也造成了资源过度消耗和日益稀缺、环境问题日益严重，从而大大制约了经济的发展和社会的进步。人们不得不开始对过去的经济发展模式进行反思，重新审视经济和环境资源间的关系。

第六节绿色化学与清洁生产清洁生产二、清洁生产及其意义1.

第六节绿色化学与清洁生产通过过去几十年的环境保护实践，人们逐渐认识到，仅依靠开发更有效的污染控制技术所能实现的环境改善十分有限，关心产品和生产过程对环境的影响，依靠改进生产工艺和加强管理等措施来消除污染更为有效，于是清洁生产战略应运而生。清洁生产是环境保护战略具有重大意义的创新，是工业可持续发展的必然选择。

第六节绿色化学与清洁生产清洁生产是各国在反省传统的以末端治理为主的污染控制措施的种种不足后，提出的一种以源头削减为主要特征的环境战略，是人们思想和观念的一种转变，是环境保护战略由