《無機(jī)化學(xué)》課件第十章

無機(jī)化學(xué)

第十章化學(xué)與社會第二節(jié)生物無機(jī)化學(xué)第三節(jié)無機(jī)納米材料第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)第一節(jié)無機(jī)非金屬材料第五節(jié)能源與化學(xué)第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)

化學(xué)作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，被譽(yù)為21世紀(jì)的中心科學(xué)，其重要性毋庸置疑。一方面，它不斷借助其他學(xué)科，特別是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而得到了快速的發(fā)展；另一方面，其本身也不斷向其他學(xué)科（如生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)）滲透，為這些學(xué)科的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)、工藝途徑和測試手段?；瘜W(xué)與化工技術(shù)的結(jié)合，有力地促進(jìn)了現(xiàn)代社會的文明進(jìn)步。無機(jī)化學(xué)作為化學(xué)學(xué)科的重要分支，在化學(xué)學(xué)科的發(fā)展與應(yīng)用過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用。本章主要介紹無機(jī)化學(xué)在材料、生物、環(huán)境、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用以及發(fā)展趨勢。第十章化學(xué)與社會

第一節(jié)無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料在近幾十年中得到了飛速發(fā)展。它包括除金屬材料和高分子材料以外的幾乎所有材料，根據(jù)性能和用途的不同，可分為包括陶瓷、磚瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸鹽為主要成分的傳統(tǒng)無機(jī)材料和由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型無機(jī)材料，如特種陶瓷、激光晶體等。無機(jī)非金屬材料耐高溫，硬度高，抗腐蝕，并具有優(yōu)良的介電、壓電、光學(xué)、電磁學(xué)及其功能轉(zhuǎn)換等特性，品種極多，使用歷史最長，近年來又發(fā)展很快，不少材料與高新技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，是十分重要的一類工程材料，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中。

陶瓷材料一、一般所說的陶瓷，是指以黏土為主要原料，調(diào)制成型，經(jīng)高溫煅燒制得的硬而強(qiáng)、耐水、性脆的人工硅酸鹽材料。陶瓷是人類最早使用的合成材料，我國是最早發(fā)明陶瓷的國家，為人類文明做出了巨大貢獻(xiàn)。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

陶瓷的主要原料是層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽——黏土。黏土與適量水充分調(diào)制后，有較好的可塑性，可制成一定形狀的坯體。在制造過程中，常需摻入適量的SiO2（石英）粉末，以減少坯體在干燥、燒結(jié)時的收縮或變形；加入長石等熔劑性原料，可得到不同致密度的坯體，并降低其燒成溫度。再經(jīng)低溫干燥、高溫?zé)Y(jié)、保溫處理和冷卻等階段，經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，最終生成以3Al2O3·2SiO2為主要成分的堅硬固體，即為陶瓷材料。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

用普通黏土為原料，在不高于1000℃的溫度下燒結(jié)得到的多孔燒結(jié)體，通常稱為陶器。用較純凈的黏土，在更高的溫度下燒成，并經(jīng)上釉而得的產(chǎn)品，稱帶釉陶器。以更純的黏土為原料，摻入大致等量的石英和長石，成型后經(jīng)1200℃左右高溫下煅燒，再放入長石細(xì)粉和水的糊狀混合物中，涂上一層長石涂料，燒至1400℃后，可得到帶有致密而光亮的半透明制品，稱為細(xì)瓷。表10-1中列出了陶瓷的性能和用途。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

從結(jié)構(gòu)上看，陶瓷是組成復(fù)雜的多晶體，其中存在各種形狀（如粒狀、針狀、片狀和纖維狀等）的晶粒、晶粒間的晶界、氣孔和不同物質(zhì)以玻璃態(tài)存在的包裹物等，因此可將陶瓷材料看作是晶粒、晶界、氣孔和玻璃態(tài)包裹物的集合體。正因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上的這種復(fù)雜性，陶瓷材料中主要的化學(xué)鍵（離子鍵與共價鍵）未能充分發(fā)揮作用。陶瓷材料的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低約3個數(shù)量級。減少氣孔率、細(xì)化晶粒、設(shè)置附加能量消耗材料相都能顯著地提高陶瓷材料的強(qiáng)度，增加其韌性，即可作為工程結(jié)構(gòu)材料使用。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

和傳統(tǒng)的陶瓷相比，新型無機(jī)非金屬材料具有下述特點(diǎn)：（1）材料的組成已遠(yuǎn)超出硅酸鹽范圍，擴(kuò)大到經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成的所有無機(jī)材料。（2）材料的制備突破了傳統(tǒng)的工藝，采用了許多新技術(shù)制取高純、超細(xì)的原料，保持精確的化學(xué)組成，嚴(yán)格控制成型和燒結(jié)工藝，以獲得尺寸和形狀精確，微觀結(jié)構(gòu)和所需優(yōu)良性能確定的新材料。（3）制品的形態(tài)多樣化，除傳統(tǒng)的材料和燒結(jié)體外，還有單晶體、薄膜和纖維等品種。（4）在應(yīng)用上，已由主要利用材料固有的靜態(tài)物理性能發(fā)展到利用各種物理、化學(xué)效應(yīng)和微觀現(xiàn)象的功能特征。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

玻璃二、廣義上說，凡熔融體通過一定方式冷卻，因黏度逐漸增加而具有固體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征的非晶態(tài)物質(zhì)，都稱為玻璃。普通的玻璃是指硅酸鹽玻璃，它是用石英砂、純堿和石灰石共熔而制得的一種無色透明的熔體：Na2CO3+CaCO3+6SiO2Na2O·CaO·6SiO2+2CO2↑第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

改變普通玻璃的化學(xué)組成或?qū)ΣＡнM(jìn)行特殊處理，可得到各種特殊性能的玻璃。例如，加入少量金屬氧化物可得到各種有色玻璃；向玻璃中加入AgCl和CuCl2可制得光色玻璃，這種玻璃在強(qiáng)光下變暗，在無光照射時復(fù)明，原因是AgCl以極小晶體的形式存在，光照射時分解成銀原子和氯原子，銀使玻璃變暗，光照消除后，銀原子和氯原子又結(jié)合成AgCl，玻璃又復(fù)明。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

此外，還有生化玻璃、激光玻璃、導(dǎo)電玻璃、微晶玻璃、石英光導(dǎo)纖維玻璃等，都已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、造船、建筑、化工、通訊等各行業(yè)中。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

水泥三、水泥是一種水硬性膠凝材料，加入適量水后成為塑性漿體，可將砂、石、纖維等材料黏結(jié)起來，硬化成為有較高強(qiáng)度的整體。在硬化過程中，水泥與水主要形成氫氧化鈣、含水的鋁酸鈣、硅酸鈣和鐵酸鈣等化合物。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

通常的水泥是硅酸鹽水泥，是由黏土和石灰石調(diào)勻，放入旋轉(zhuǎn)窯中，于1500℃以上溫度煅燒成熔塊，再混入少量石膏磨粉后制成。按總質(zhì)量計，主要成分是CaO（62%~67%）、SiO2（20%~24%）、Al2O3（4%~7%）和Fe2O3（2%~5%）。水泥作為膠結(jié)材料，有很多優(yōu)點(diǎn)：水泥與水拌和后，一段時間內(nèi)具有可塑性，便于成型，再逐漸變硬，在一定時間內(nèi)具有足夠的強(qiáng)度。根據(jù)我國的標(biāo)準(zhǔn)，將水泥按規(guī)定方法制成試樣，在一定的溫度、濕度下，經(jīng)28天后所達(dá)到的抗壓強(qiáng)度（kg·cm-2）數(shù)值，表示為水泥的標(biāo)號數(shù)。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

水泥的凝結(jié)硬化是很復(fù)雜的物理化學(xué)過程，大致可分為以下三個階段：（1）溶解期。

加水后，水泥顆粒與水反應(yīng)、溶解，水化生成硅酸鹽、鋁酸鹽的水化物及Ca(OH)2等。（2）膠化期。水化產(chǎn)物在水中溶解達(dá)到飽和后，逐漸形成膠凝體，水泥凝結(jié)，但還不具有強(qiáng)度。（3）結(jié)晶期。凝膠體脫水，氫氧化鈣及水化鋁酸鈣等析出針狀晶體伸入硅酸鈣凝膠體內(nèi)，水泥硬化而具有強(qiáng)度。除硅酸鹽水泥外，還有適應(yīng)各種不同用途的水泥，如高鋁水泥、耐酸水泥等。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

耐火材料四、耐火材料是指能耐1580℃以上高溫，并在高溫下能耐氣體、熔融爐渣等物質(zhì)侵蝕，且具有一定機(jī)械強(qiáng)度的無機(jī)非金屬材料。根據(jù)耐火程度的高低，可將耐火材料分為普通耐火材料（1580~1770℃）、高級耐火材料（1770~2000℃）和特級耐火材料（2000℃以上）；還可根據(jù)材料的化學(xué)性質(zhì)將其分為酸性、中性和堿性耐火材料。常用耐火材料的成分、性能和用途見表10-2。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

新型無機(jī)非金屬材料五、傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料一般都具有高硬度、高耐熱性、抗氧化性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。但其不足是有脆性，經(jīng)不起碰撞和冷、熱沖擊等。隨著科學(xué)技術(shù)的的進(jìn)步，各種新型無機(jī)非金屬材料先后問世，其重要代表是特種陶瓷和激光晶體。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

特種陶瓷1.特種陶瓷具有不同的新型結(jié)構(gòu)，由不同的氧化物、硅化物、碳化物、氮化物、氟化物及硼化物等組成，主要包括耐高溫材料、電絕緣材料、鐵電材料、壓電材料、半導(dǎo)體陶瓷材料等。它們用途特殊，產(chǎn)量不大，但價值很高。這些材料的制造工藝特點(diǎn)是對原料的純度要求嚴(yán)格，成分、顯微結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品的界面狀況需要嚴(yán)格控制，形狀精致而復(fù)雜，要求精密加工，此類特種陶瓷的制造是建立在高科技基礎(chǔ)上的。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

20世紀(jì)30年代以來，不斷開發(fā)出了一些可應(yīng)用于高技術(shù)領(lǐng)域的高性能陶瓷，為了區(qū)別于傳統(tǒng)陶瓷，人們稱之為先進(jìn)陶瓷或高技術(shù)陶瓷，有時也稱之為精細(xì)陶瓷；因其顯微結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，制備技術(shù)也非常精細(xì)，也有人稱其為工程陶瓷。先進(jìn)陶瓷按其使用性能，大體上可以分為先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷和先進(jìn)功能陶瓷兩大類。前者主要是利用材料本身具有的優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)，后者則是利用陶瓷的其他各種特殊功能。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

先進(jìn)功能陶瓷主要是指利用材料的電、磁、聲、光、熱、彈等方面直接的或耦合的效應(yīng)以實(shí)現(xiàn)某種使用功能的陶瓷。功能陶瓷與電子技術(shù)有著很密切的關(guān)系，如圖10-1所示。先進(jìn)功能陶瓷的特點(diǎn)是品種繁多、應(yīng)用廣泛，如電容器陶瓷、磁性陶瓷、壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、熱釋電陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、透明和電光陶瓷等。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

圖10-1先進(jìn)功能陶瓷的樹結(jié)構(gòu)第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

先進(jìn)陶瓷為人類提供了許多其他材料難以提供的高性能。目前，世界各國幾乎都集中了大批最優(yōu)秀的陶瓷科學(xué)家，進(jìn)行著范圍廣泛而深入的研究。從先進(jìn)陶瓷發(fā)展到納米陶瓷將是陶瓷發(fā)展進(jìn)程中的第三次飛躍，近年來高分辨電鏡和分析電鏡技術(shù)的發(fā)展，使人們有可能進(jìn)入到納米量級線度上來研究材料的組成和結(jié)構(gòu)，從而為納米結(jié)構(gòu)的形成和控制研究提供了保證。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

原子核2.1960年第一臺實(shí)際運(yùn)行的紅寶石激光器的出現(xiàn)給人以啟示：總有一天光信號可以代替電信號作為信息交換的公共載體。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

固體、液體和氣體都能受激發(fā)光，利用材料的這種性質(zhì)制成的激光器分別稱為固體激光器、液體激光器和氣體激光器。固體激光器的工作物質(zhì)主要有激光晶體和激光玻璃，性能較好的激光晶體。新近研制開發(fā)的許多復(fù)合功能激光晶體，由于其本身具有非線性光學(xué)性質(zhì)，因而在受激發(fā)射的同時也可實(shí)現(xiàn)自信頻、自鎖模等多種功能，可用于制成緊湊、高效率、低成本的微小型激光器。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各學(xué)科之間相互滲透，促進(jìn)了新的科學(xué)分支不斷產(chǎn)生，生物無機(jī)化學(xué)就是近30年來在生物化學(xué)與無機(jī)化學(xué)之間發(fā)展起來的一門新興的邊緣學(xué)科。生物無機(jī)化學(xué)與醫(yī)學(xué)有著密切的關(guān)系，涉及生物化學(xué)、藥理學(xué)、免疫學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)等許多方面，本節(jié)主要從無機(jī)化學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)對生物無機(jī)化學(xué)的一些基本知識作一簡要介紹。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

生物無機(jī)化學(xué)簡介一、生物體內(nèi)廣泛參與生命活動的蛋白質(zhì)、核酸、脂類和糖類都是含有碳、氫、氧、氮、磷、硫等元素的有機(jī)化合物。因此，有機(jī)化學(xué)與生物學(xué)及醫(yī)學(xué)的關(guān)系為大家所熟知。然而，無機(jī)化學(xué)所研究的是有機(jī)化合物以外的所有元素及其化合物，它們與生命體之間的關(guān)系長期以來被人們所忽視。隨著X射線衍射、核磁共振及各種光譜技術(shù)等各種近代物理方法在化學(xué)中廣泛應(yīng)用，以及以分子軌道理論、配位場理論為代表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

因此，可以認(rèn)為生物無機(jī)化學(xué)是將無機(jī)化學(xué)的方法和理論應(yīng)用于生物學(xué)問題，在分子水平研究無機(jī)元素（特別是生命元素）及其化合物在生物體中的作用和機(jī)理，以探討生命活動規(guī)律的學(xué)科。它研究的主要對象是生命金屬元素與生物配位體的相互作用及這些生命元素所形成的生物配合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其生理功能之間的關(guān)系。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

生命元素二、生命元素的分類1.生物機(jī)體是由化學(xué)元素組成的，在地球上發(fā)現(xiàn)的九十多種穩(wěn)定元素中，絕大多數(shù)在生物體內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)。到目前為止，人體內(nèi)已知含有六十多種化學(xué)元素，若按其在體內(nèi)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。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

某些元素影響機(jī)體正常功能，對機(jī)體有害，如Pb、Hg、Cd等稱為有害元素。應(yīng)該指出的是，將生命元素分為必需元素、有益元素和有害元素是相對而言的，有些元素幾年前還認(rèn)為是非必需的，但隨著人們對其生理功能認(rèn)識的不斷深入，現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)是必需的了，如Se、V等。另外，還有一個量的問題，有些元素即使是必需的，但當(dāng)攝入過多時，同樣會引起代謝紊亂，甚至中毒。此外，可能還有其他不同的分類方法。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

生命金屬元素的特征及功能2.必需元素中的C、H、O、N、P、S元素在生物體內(nèi)起著非常關(guān)鍵的作用，它們是蛋白質(zhì)、核酸、糖類和脂類的組成成分，也是組成地球生命的基礎(chǔ)。這些元素及物質(zhì)不屬于生物無機(jī)化學(xué)討論的范圍，生物無機(jī)化學(xué)的研究對象主要是生命金屬元素。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

（1）

常量生命金屬元素。

常量生命金屬元素包括Na、K、Ca、Mg，它們分別位于周期表的第ⅠA族和第ⅡA族，屬堿金屬元素和堿土金屬元素，其外層電子結(jié)構(gòu)為ns1和ns2，其離子都具有穩(wěn)定

的稀有氣體8電子結(jié)構(gòu)，因此它們在生物體內(nèi)主要是離子鍵的特征。Na

+和K

+化學(xué)性質(zhì)相似，主要區(qū)別是離子大小（rNa+=95pm,rK+=133pm）和離子水合能的高低。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

鈣是骨骼和牙齒的主要成分，它主要以磷酸鹽形式嵌鑲在蛋白質(zhì)框架里，Ca2+對肌肉收縮、調(diào)節(jié)心律和血液凝固等都有影響。鎂在體內(nèi)除以Mg3(PO4)2的形式參與骨鹽組成外，Mg2+還是許多酶的激活劑，并且對蛋白質(zhì)的合成和對DNA的復(fù)制起著重要作用。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

（2）微量生命金屬元素。表10-3所列出的微量生命金屬元素在維持正常代謝中起著重要作用，它們作為酶、激素、維生素等物質(zhì)的成分參與代謝過程。主要生理功能有以下幾個方面：第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

①它們多是酶的組成部分，是形成酶的活性中心。在已知的酶中，大多數(shù)酶含有一個或幾個金屬離子，它們把蛋白的亞單位聯(lián)結(jié)在一起，使蛋白質(zhì)維持適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，或作為酶的活性中心，催化生物體系中的化學(xué)反應(yīng)。②它們是某些激素和維生素的組成成分，參與調(diào)解人體的重要生理功能。第一節(jié)無機(jī)非金屬材料

第二節(jié)生物無機(jī)化學(xué)③可以輸送某些元素。例如，F(xiàn)e(Ⅱ)是血紅素的中心離子，在體內(nèi)把O2運(yùn)送到細(xì)胞中，在細(xì)胞中O2被H2O取代下來供代謝需要。④核酸內(nèi)含有Mn、Zn、Co等離子，它們在維持核酸的立體結(jié)構(gòu)及其代謝等方面有著重要作用。

第二節(jié)生物無機(jī)化學(xué)

第二節(jié)生物無機(jī)化學(xué)

第三節(jié)無機(jī)納米材料無機(jī)納米材料及其特性一、納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成?？刹捎梦锢?、化學(xué)或綜合的方法制備納米微粒，然后加壓燒結(jié)后即成納米固體。硬度高2～3個數(shù)量級；室溫下合成的納米TiO2陶瓷晶體能被彎曲，其塑性變形可高達(dá)100％，并具有與燒結(jié)陶瓷相同的韌性。納米級固體還顯示出高的熱容、高的熱膨脹系數(shù)、高的電導(dǎo)率、高的擴(kuò)散速率、高的磁化率和高的矯頑力、對電磁波均勻的強(qiáng)吸收、比表面大和表面活性高等性能，因而在催化反應(yīng)、傳感器、磁記錄、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域中可望得到廣泛的應(yīng)用。

第三節(jié)無機(jī)納米材料無機(jī)納米技術(shù)的應(yīng)用二、在微電子學(xué)上的應(yīng)用1.納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)設(shè)計、制造納米量子器件。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的能在室溫下使用的各種器件。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成的，徑向尺寸控制在100nm以下，電子在碳納米管中的運(yùn)動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。

第三節(jié)無機(jī)納米材料納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學(xué)將成為信息時代的核心。

第三節(jié)無機(jī)納米材料在化工領(lǐng)域的應(yīng)用2.納米粒子作為光催化劑有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它的粒徑小，比表面大，光催化效率高；其次，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會重新結(jié)合，因此，電子、空穴能夠到達(dá)表面的數(shù)量多，故化學(xué)反應(yīng)活性高；第三，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法觀察界面間的電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。目前，工業(yè)上利用納米二氧化鈦三氧化二鐵作光催化劑，進(jìn)行廢水處理，已經(jīng)取得了很好的效果。

第三節(jié)無機(jī)納米材料研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以利用納米碳管獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)、大的比表面（每克納米碳管的表面積高達(dá)幾百平方米）、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器。此類反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限在一個很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。在納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在分子水平上有一定的取向和有序排列，但同時限制了反應(yīng)物分子和反應(yīng)中間體的運(yùn)動。

第三節(jié)無機(jī)納米材料這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應(yīng)的方向和反應(yīng)的速度?？茖W(xué)家利用納米尺度的分子篩作反應(yīng)器，在烯烴的光敏氧化作用中，將底物分子置于反應(yīng)器的孔腔中，敏化劑在溶液中，結(jié)果只生成單重態(tài)的氧化產(chǎn)物。用金屬醇化合物與羧酸反應(yīng)，可合成具有一定孔徑的大環(huán)化合物。利用嵌段和接技共聚物會形成微相分離，可形成不同的“納米結(jié)構(gòu)”作為納米反應(yīng)器。

第三節(jié)無機(jī)納米材料納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用3.納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也開始嶄露頭角。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體線度在15~20nm之間，而生物體內(nèi)的多種病毒也是納米大小的粒子，10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，可在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，則可作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。科研人員已經(jīng)成功地利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。此外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，現(xiàn)在已用于臨床動物實(shí)驗(yàn)，不久的將來即可能服務(wù)于人類。

第三節(jié)無機(jī)納米材料研究納米技術(shù)在生命科學(xué)上的應(yīng)用可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與其功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。這樣，在不久的將來，被視為當(dāng)今疑難病癥的艾滋病、高血壓、癌癥等都可能被攻克，從而使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命。

第三節(jié)無機(jī)納米材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用4.利用先進(jìn)的納米技術(shù)將可能制成納米電腦。納米電腦可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，并具有自我復(fù)制能力，能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機(jī)器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中，控制昆蟲飛向敵方收集情報，使目標(biāo)喪失功能。

第三節(jié)無機(jī)納米材料利用納米技術(shù)還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機(jī)制激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料電池汽車的燃料“儲備箱”；利用納米顆粒膜的巨磁阻效應(yīng)研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強(qiáng)紅外吸收能力的納米復(fù)合系統(tǒng)制備紅外隱身材料，等等，都是很具有應(yīng)用前景的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。

第三節(jié)無機(jī)納米材料納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個熱點(diǎn)，相關(guān)的納米技術(shù)正成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具前途的科研領(lǐng)域之一。有科學(xué)家預(yù)言，納米尺寸左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會是一次技術(shù)革命，從而引起21世紀(jì)的又一次工業(yè)革命。

第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)在過去的一百多年間，傳統(tǒng)的化學(xué)與化工生產(chǎn)為人類作出了巨大的貢獻(xiàn)，但由于沒有合理有效地利用資源與能源，在制造和使用化學(xué)化工產(chǎn)品的同時也對資源造成了極大的浪費(fèi)，對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。當(dāng)今重大的環(huán)境問題幾乎都與化學(xué)品的生產(chǎn)與使用有著密切的關(guān)系。了解環(huán)境與化學(xué)的關(guān)系，推動傳統(tǒng)化學(xué)向綠色化學(xué)的變革，走可持續(xù)發(fā)展的道路，是社會發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的迫切要求。

第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)水的硬度及凈化一、自然界的水（如井水、河水、泉水、湖水等）如果含有較大量的鈣鹽或鎂鹽，就稱為硬水。硬水又分為暫時硬水和永久硬水兩種。含有鈣、鎂酸式鹽的硬水可用煮沸的方法使之軟化，這種稱為暫時硬水。含有鈣、鎂的硫酸鹽或氯化物等不能用煮沸的方法軟化的硬水稱為永久硬水。

水中鈣、鎂鹽的總含量以硬度來表示，硬度的單位有各種表示方法，如“毫克/升”、“毫克當(dāng)量/升”或“度”等，而且各國的標(biāo)準(zhǔn)也不同。在我國，通常以每升水中含有鈣鹽、鎂鹽的量換算成CaCO3的毫克數(shù)來表示，即以ppm數(shù)表示，就是說在1升水中含有1mgCaCO3，即在1000000克水中含有1克CaCO3，稱為1ppm（百萬分之一）。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

硬水對工業(yè)生產(chǎn)的危害很大，如以硬水作為鍋爐用水，日久就會產(chǎn)生鍋垢，其主要成分是CaSO4、CaCO3、MgCO3及部分鐵、鋁鹽。鍋垢不傳熱，不僅耗費(fèi)燃料，還會因傳熱不均而引起鍋爐爆炸。在日常生活中，如果飲用硬度過高的水，由于Ca2+、Mg2+離子刺激腸黏膜，容易引起慢性腹瀉。用硬水洗衣物時，肥皂中的可溶性脂肪酸鈉遇Ca2+、Mg2+等離子會轉(zhuǎn)變成不溶性沉淀（硬脂酸鈣或硬脂酸鎂），不僅浪費(fèi)肥皂，而且污染衣物。使用硬水前，采取一定方法減少硬水中鈣鹽和鎂鹽的過程叫做硬水軟化。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

（1）化學(xué)方法。硬水的軟化主要有化學(xué)方法和離子交換法兩種方法。（2）離子交換法。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

某些生產(chǎn)、科研部門以及醫(yī)藥用水等對水的質(zhì)量要求很高，須用高純水。制備高純水的方法有蒸餾法及離子交換法。蒸餾方法是在普通蒸餾水中加入高錳酸鉀和氫氧化鋇，再次進(jìn)行蒸餾，用這種方法制得的純水叫重蒸餾水，其電導(dǎo)率一般小于1×10-6S·cm-1。離子交換方法是讓普通水先通過H型陽離子交換樹脂，水中的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽離子被交換，例如：RSO-3+K+RSO-3K++H+RSO-3+Na+RSO-3Na++H+第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

離子交換樹脂使用一段時間變成鹽型后就失去了交換能力，需要進(jìn)行處理，使之再生。再生的方法是用5%~8%的鹽酸或5%~8%的氫氧化鈉分別浸泡陽樹脂或陰樹脂，陽樹脂用酸浸泡后，由鹽型變成H型；陰樹脂用堿浸泡后，由鹽型變回堿型，又恢復(fù)了交換能力。再生反應(yīng)實(shí)際上是交換反應(yīng)的逆反應(yīng)，因此，離子交換樹脂可以反復(fù)使用。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

水污染及其治理二、水污染及其分類1.隨著工業(yè)進(jìn)步和社會發(fā)展，水污染亦日趨嚴(yán)重，成了世界性的頭號環(huán)境治理難題。人類賴以維持生命和從事生產(chǎn)可利用的淡水大約只占地球儲水量的0.65％。水體因某種物質(zhì)的介入，而導(dǎo)致其化學(xué)、物理、生物或者放射性等方面特征的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象稱為水污染。水污染可根據(jù)污染雜質(zhì)的不同主要分為化學(xué)性污染、物理性污染和生物性污染三大類?；瘜W(xué)污染物可以分為無機(jī)污染物和有機(jī)污染物兩大類。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

（1）無機(jī)污染物。

無機(jī)污染物如各種有毒金屬及其氧化物、酸、堿、鹽類、硫化物和鹵化物等。采礦、冶煉、機(jī)械制造、建筑材料、化工等工業(yè)生產(chǎn)排出的污染物中大量為無機(jī)污染物，其中硫、氮、碳的氧化物和金屬粉塵是主要的大氣無機(jī)污染物。（2）有機(jī)污染物。

根據(jù)在環(huán)境中的存在形式，有機(jī)污染物可分為耗氧有機(jī)污染物和難降解有機(jī)污染物，耗氧有機(jī)物通常是指以碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸和脂肪等形式存在的天然有機(jī)物質(zhì)，以及某些其他可生物降解的人工合成有機(jī)物質(zhì)為組成的污染物。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

廢水處理2.廢水處理可以分為一級處理、二級處理和三級處理三種處理方法。（1）一級處理。

一級處理主要利用篩濾、重力沉降和浮選等物理方法串聯(lián)，除去固體懸浮物。（2）二級處理。

二級處理主要采用生物法與化學(xué)法結(jié)合，除去水中可降解有機(jī)物和部分膠體污染物。生物法即利用微生物的代謝作用，使廢水中的有機(jī)污染物氧化降解；化學(xué)法主要是利用化學(xué)絮凝，使膠體顆粒團(tuán)聚沉淀。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

（3）三級處理。

三級處理是利用化學(xué)沉淀、氧化還原等化學(xué)方法與吸附、離子交換、萃取、電滲析和反滲透等物理化學(xué)方法相結(jié)合除去特定污染，實(shí)現(xiàn)“深度處理”。表10-4、表10-5及圖10-2、圖10-3綜述了廢水處理基本方法和方案。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

圖10-2污水化學(xué)沉淀凈化方案之一第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

圖10-3城市污水的典型處理流程第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

大氣污染及其治理三、大氣圈的結(jié)構(gòu)與組成1.如圖10-4所示，一般根據(jù)溫度與組成分布將大氣圈分為對流層、平流層、中間層和熱層共四層。圖10-4大氣圈的結(jié)構(gòu)與組成第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

（1）對流層。

對流層的平均厚度為12km，氣溫垂直遞減平均為0.6K/100m，對流充分。風(fēng)、雪、雨、霜、霧和雷電等復(fù)雜的氣象現(xiàn)象都出現(xiàn)于該層。（2）平流層。

在平流層中，溫度隨高度增加而上升。在25km高度左右的平流層存在臭氧層，能強(qiáng)烈吸收200~300nm的紫外線，使平流層上部增溫。在平流層中只有水平平流，是一個靜悄悄的世界。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

大氣主要污染物及其危害2.（1）大氣污染按污染物的來源可分為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氣中產(chǎn)生的，二次污染物是一次污染物在大氣中進(jìn)行熱或光化學(xué)反應(yīng)后的產(chǎn)物，危害往往更大。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

①顆粒物。②SOx。③NOx。④CO和CO2。⑤烴類。（2）按污染物的種類可分為以下幾類：⑥氟里昂和苯并芘。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

我國空氣污染的主要特征3.我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)近期不會改變。其中，民用煤在煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比例過大，占煤炭消費(fèi)總量的22.6%，而美國占0.8%，日本只占0.4%；燃煤設(shè)備燃燒效率過低，主要工業(yè)品單位能耗過高。大氣污染屬燃煤污染，主要污染物為煙塵和SO2；大中城市重于小城鎮(zhèn)，冬春季重于夏秋季；機(jī)動車排氣污染日趨嚴(yán)重。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

大氣污染問題4.

（1）酸雨。

酸雨一般是指pH值小于5.6的雨水。它的主要來源如下：我國的酸雨區(qū)主要是西南（重慶和貴陽）、長江三角洲（上海、蘇州、常州和杭州）和中南地區(qū)（長沙、廣州）。酸雨的危害主要是以下幾個方面：少量SO2可被植物吸收，過量引起葉面腐蝕而影響光合作用，導(dǎo)致植物死亡；嚴(yán)重危害人體健康；對建筑物、橋梁和設(shè)備及文物產(chǎn)生腐蝕破壞。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

（2）光化學(xué)煙霧。

光化學(xué)煙霧是指在太陽光的紫外線照射下，碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、氧和顆粒物相互作用，發(fā)生一系列光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生煙和霧。（3）臭氧層的耗損。

臭氧層的基本作用是吸收紫外線(320~100nm)。臭氧層的破壞導(dǎo)致紫外線直射地面，降低人體免疫功能，危害呼吸器官和眼睛，增加皮膚癌的發(fā)病率。紫外線還影響植物生長，增加海洋生物死亡率，進(jìn)而影響生物鏈。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

（4）溫室效應(yīng)。

大氣對太陽和地球表面輻射熱量的吸收多于散失，最終導(dǎo)致地球保持相對穩(wěn)定的氣溫。但由于人口劇增，化石燃料消耗的膨脹，森林面積銳減，導(dǎo)致大氣中CO2、CH4和H2O等濃度增大，地球變成了一個氣體覆蓋下的“大溫室”。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

大氣污染的控制和防治5.目前采用的控制與防治的措施主要表現(xiàn)在兩個方面，一種方法是在源頭上限制污染物的形成和排放，包括以下措施：控制污染源，改進(jìn)產(chǎn)生污染源的生產(chǎn)工藝和設(shè)備；更換燃料或使用清潔能源，避免或減少污染的燃燒產(chǎn)物；凈化已經(jīng)排出的廢氣。另一種方法就是對已經(jīng)形成的污染的治理，如消煙除塵；控制SO2，包括燃料燃前脫硫、燃燒中脫硫、以及煙氣脫硫等多種方法；治理汽車廢氣，包括改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃料或燃燒方式(機(jī)內(nèi)凈化)，利用裝有催化劑的裝置在發(fā)動機(jī)外部對廢氣進(jìn)行凈化(機(jī)外凈化)等；使用無氟致冷等。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

固體廢棄物污染及其資源化處理四、固體廢棄物對環(huán)境的污染1.固體廢棄物大概可分為工業(yè)廢棄物和城市垃圾兩大類。工業(yè)廢棄物包括礦業(yè)開采產(chǎn)生的固體廢物（如煤炭開采產(chǎn)生的矸石）、冶金工業(yè)產(chǎn)生的廢渣、化工廢渣等。城市垃圾包括生活垃圾、商業(yè)垃圾、建筑垃圾等。固體廢棄物堆放會對土壤、大氣和水體產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。固體廢棄物資源化是垃圾處理的趨勢。清潔生產(chǎn)工藝是污染治理的根本途徑，進(jìn)口“洋垃圾”的行為必須制止。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

固體廢棄物的處置2.（1）處置途徑。

處置途徑包括分選回收、轉(zhuǎn)化以及綜合利用等。（2）轉(zhuǎn)化處置利用途徑。

這種方法包括作為輔助燃料、焚燒發(fā)電或生產(chǎn)蒸氣以及高溫干餾生產(chǎn)燃料和原料等。（3）城市垃圾分選發(fā)酵法處置。

圖10-5示意了城市垃圾分選發(fā)酵法處置的典型工藝。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

圖10-5城市垃圾分選發(fā)酵法處置的典型工藝第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

本節(jié)討論化學(xué)對能源科技創(chuàng)新和發(fā)展的重要指導(dǎo)意義，主要介紹化學(xué)與能源的關(guān)系、化學(xué)基本理論和原理在能源科技領(lǐng)域的應(yīng)用，以及能源化學(xué)的基本概念和理論?；緝?nèi)容包括能源與社會進(jìn)步、化石能源（石油、煤炭、天然氣和可燃冰）、化學(xué)電源、太陽能和生物質(zhì)能等能源的基本知識和應(yīng)用。第四節(jié)環(huán)境與化學(xué)

第五節(jié)能源與化學(xué)能源與社會進(jìn)步一、能源的基本概念和分類1.能源是指提供能量的物質(zhì)資源。按照其來源可分為一次能源（天然能源）和二次能源。一次能源是指存在于自然界，可直接獲得而無須改變其形態(tài)和性質(zhì)的能源，包括風(fēng)能、水能、太陽能、地?zé)崮堋⑸锬?、潮汐能等；二次能源則是一次能源再加工的產(chǎn)品，它與礦物能源（如煤炭、石油、天然氣和核燃料等）被稱為非再生能源。能源分類見表10-6。

第五節(jié)能源與化學(xué)

根據(jù)消耗后能否造成環(huán)境污染，可將能源區(qū)分為污染型能源和潔凈型能源。煤炭、石油等是污染型能源，而水力能、風(fēng)能、氫能和太陽能等是潔凈型能源。第五節(jié)能源與化學(xué)

能源與社會進(jìn)步2.地球從太陽輻射獲取光和熱，又經(jīng)植物的光合作用將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。埋藏在地下的動植物殘骸經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用轉(zhuǎn)化為煤炭、石油和天然氣等化石能源；江河湖海中的水經(jīng)蒸發(fā)、凝結(jié)降落在高山丘陵形成水力能；空氣經(jīng)太陽能加熱，因密度差而形成風(fēng)能。所以可以說除核能外，太陽能是地球能源的總來源。從火的發(fā)現(xiàn)到18世紀(jì)工業(yè)革命期間，樹枝、雜草、秸桿等生物質(zhì)燃料一直是人類使用的主要能源，這個時期稱為柴草時期。第五節(jié)能源與化學(xué)

18世紀(jì)中葉，煤炭開始大規(guī)模開采。1769年瓦特(J.Watt)發(fā)明蒸氣機(jī)，煤炭作為蒸氣機(jī)的動力之源，完成了第一次工業(yè)革命，使煤炭成為人類的主要能源，這個時期稱為煤炭時期。

20世紀(jì)初，在美國、中東、北非等地區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了大油田及伴生的天然氣。石油的大量開采和煉油工藝的提高，使石油很快成為能源消費(fèi)的主流，這個時期稱為石油時期。第五節(jié)能源與化學(xué)

常規(guī)能源（如煤炭、石油和天然氣）的燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能和光能，同時生成二氧化碳、水和其他無機(jī)物。由于其中含有硫、氮等有害元素，在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為二氧化硫和氮氧化物而造成大氣污染。同時人類對化石燃料的消費(fèi)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了動植物經(jīng)地質(zhì)作用形成化石能源的速度，因此，化石能源面臨著被消耗殆盡的危險。以信息、生物和新材料技術(shù)為標(biāo)志的第三次工業(yè)革命為新能源技術(shù)創(chuàng)造了機(jī)遇和條件，使氫能、太陽能、核能和天體運(yùn)動能逐漸成為代替化石燃料的新能源。第五節(jié)能源與化學(xué)

化石燃料二、煤與潔凈煤技術(shù)1.（1）煤的組成與結(jié)構(gòu)。

煤是儲量最豐富的化石燃料。世界煤炭可采儲量約為1012t，中國約占11%。煤既是重要的能源，也是重要的化工原料。煤炭是一類具有高碳?xì)浔鹊挠袡C(jī)聚合物與無機(jī)礦物構(gòu)成的復(fù)雜混合物。煤炭有機(jī)大分子由許多結(jié)構(gòu)相似但又不同的結(jié)構(gòu)單元組成。結(jié)構(gòu)單元的核心是縮合程度不同的稠環(huán)芳烴及一些脂環(huán)、雜環(huán)。第五節(jié)能源與化學(xué)

（2）潔凈煤技術(shù)簡介。

潔凈煤技術(shù)是旨在減少污染和提高燃燒效率的煤炭加工、轉(zhuǎn)換新技術(shù)的總稱，包括了煤炭生產(chǎn)和使用各環(huán)節(jié)的凈化和加工技術(shù)，是當(dāng)前世界各國解決燃煤污染的主導(dǎo)技術(shù)。第五節(jié)能源與化學(xué)

目前潔凈煤技術(shù)主要表現(xiàn)在如下四個技術(shù)領(lǐng)域：煤炭加工領(lǐng)域——選煤、型煤和水煤漿技術(shù)；燃煤與發(fā)電領(lǐng)域——循環(huán)流化床燃煤發(fā)電技術(shù)、增壓流化床發(fā)電技術(shù)、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)；煤轉(zhuǎn)化領(lǐng)域——?dú)饣?、焦化、液化和燃料電池技術(shù)；污染排放控制及廢棄物處理領(lǐng)域——煤層氣開發(fā)利用、煙氣凈化、粉煤灰利用，煤矸石及礦井水資源化處理，中小鍋爐改造或減排放技術(shù)。第五節(jié)能源與化學(xué)

發(fā)達(dá)國家的潔凈煤技術(shù)具有工藝先進(jìn)、污染防治效果好的優(yōu)點(diǎn)。但設(shè)備投資和運(yùn)行成本高，難以完全適合我國國情。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平和條件，我國選擇了10項(xiàng)潔凈煤技術(shù)，作為近期研究和開發(fā)的重點(diǎn)。第五節(jié)能源與化學(xué)

①選煤技術(shù)。選煤技術(shù)是應(yīng)用物理、物理化學(xué)、化學(xué)、微生物等方法脫除無機(jī)礦物，并加工成不同用途商品煤的煤炭加工技術(shù)。②型煤技術(shù)。型煤技術(shù)是用粉煤與其他添加劑、粘結(jié)劑加工成具有一定強(qiáng)度和形狀的煤炭制品的技術(shù)。③水煤漿。水煤漿是將低礦物質(zhì)高揮發(fā)分煤磨成0.25~0.3mm的煤粉，與水按照一定比例并加入適宜添加劑制成的一種新型半液態(tài)燃料。第五節(jié)能源與化學(xué)

④先進(jìn)的燃燒器。先進(jìn)的燃燒器是通過改進(jìn)鍋爐、窯爐的設(shè)計和燃燒技術(shù)，減少污染物排放，提高燃燒效率的新型燃燒設(shè)備。⑤流化床燃燒。流化床燃燒是將粉煤與吸附劑（如石灰石粉）在燃燒室的床層中，受爐底鼓風(fēng)影響而懸浮進(jìn)行的燃燒方式。⑥煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是將煤氣化生成燃料氣，驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，余氣加熱鍋爐產(chǎn)生蒸氣驅(qū)動氣輪機(jī)發(fā)電的新技術(shù)。第五節(jié)能源與化學(xué)

⑦煙道氣凈化。煤炭燃燒后產(chǎn)生的廢氣和煙塵是可進(jìn)行控制和凈化的。先進(jìn)的煙道氣凈化工藝可同時脫除90%以上的SO2和NOx并消除粉塵污染。⑧煤炭氣化。煤炭氣化是把經(jīng)過適當(dāng)處理的煤送入反應(yīng)器，在一定溫度、壓力下，通入氣化劑（空氣、氧氣或水蒸氣等）并以一定的流動方式（移動床、流化床或攜帶床等）使煤炭轉(zhuǎn)化為氣體的技術(shù)。第五節(jié)能源與化學(xué)

⑨煤炭液化。煤炭液化是將煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料或化工原料的技術(shù)，包括直接液化和間接液化兩類。⑩燃料電池。燃料電池是應(yīng)用電化學(xué)原理，把燃料的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，也是能源轉(zhuǎn)化效率最高的方式?，F(xiàn)已成為新能源技術(shù)研究的熱點(diǎn)，其基本原理將設(shè)專題介紹。第五節(jié)能源與化學(xué)

石油和天然氣2.（1）石油和天然氣的主要成分。

石油是由沉積在海底和湖泊中的動植物遺體經(jīng)千百萬年的漫長轉(zhuǎn)化過程而形成的碳?xì)浠衔锏幕旌衔铩Ｖ苯訌牡貧ら_采出來的石油稱為原油，原油及其加工所得的液體產(chǎn)品總稱為石油。第五節(jié)能源與化學(xué)

天然氣的主要成分是甲烷，也含

有相對分子質(zhì)量較大的烷烴，如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，還含有SO2、H2S及微量稀有氣體。碳原子數(shù)超過5的烴在地下高溫環(huán)境中以氣態(tài)被開采出來，但在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下是液體。天然氣中各組分的含量常隨相對分子質(zhì)量的增大而下降，石油和天然氣作為燃料在燃燒過程中也會產(chǎn)生SO2和NOx等有害氣體，汽車尾氣是氮氧化物的主要來源。第五節(jié)能源與化學(xué)

（2）石油的煉制。

石油的成分十分復(fù)雜。在煉油廠，對原油進(jìn)行蒸餾和分餾，得到不同沸點(diǎn)范圍的油品，包括石油氣、輕油（溶劑油、汽油、煤油和柴油等）及重油（潤滑油、凡士林、石蠟、瀝青和渣油等）。重油經(jīng)過催化裂化、熱裂化或加氫裂化等方法，可生產(chǎn)出輕質(zhì)油。燃料油在氫氣和催化劑（鉑系和鈀系貴金屬）存在下，環(huán)烷烴或鏈烴可轉(zhuǎn)化為辛烷值較高的芳香烴，稱為重整。輕質(zhì)油品經(jīng)加氫精制使其中的雜環(huán)化合物脫除硫和氮，可提高油品質(zhì)量。第五節(jié)能源與化學(xué)

對原油進(jìn)行一系列煉制和精制，獲得了各種半成品和組分，然后再按照用途和質(zhì)量要求調(diào)配得到品種繁多的石油產(chǎn)品。這些產(chǎn)品按用途可分為燃料（如液化石油氣、汽油、噴氣燃料、煤油和柴油等）和化工原料兩類。第五節(jié)能源與化學(xué)

（3）石油化工。石油化工是石油化學(xué)工業(yè)的簡稱，是以石油和天然氣為原料生產(chǎn)化學(xué)品的工業(yè)領(lǐng)域。石油化工以各種石油餾分、天然氣和油田氣出發(fā)，制得烷烴、乙烯、丙烯、丁烯和苯、甲苯及二甲苯等基本化工原料。以此為基礎(chǔ)，生產(chǎn)出一系列中間體、涂料、染料、黏合劑、農(nóng)藥、醫(yī)藥及合成洗滌劑等；還可進(jìn)一步生產(chǎn)出以合成塑料、橡膠、纖維等為主體的高分子材料，與石油煉制或天然氣加工結(jié)合，形成龐大的工業(yè)聯(lián)合體，成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。第五節(jié)能源與化學(xué)

可燃冰3.可燃冰是天然氣的一種存在形式，是天然氣的水合物。它是一種白色固體物質(zhì)，外形像冰雪，有極強(qiáng)的燃燒力，可作為上等能源。天然氣水合物由水分子和燃?xì)夥肿?，主要是甲烷分子組成。此外還有少量的硫化氫、二氧化碳、氮和其他烴類氣體。在低溫（-10~10℃）和高壓（10MPa以上）條件下，甲烷氣體和水分子能夠合成類冰固態(tài)物質(zhì)，具有極強(qiáng)的儲載氣體的能力。第五節(jié)能源與化學(xué)

這種天然水合物的氣體儲載量可達(dá)其自身體積的100~200倍，1m3的固態(tài)水合物包容有約180m3的甲烷氣體。這意味著水合物的能量密度是煤和黑色頁巖的10倍，是傳統(tǒng)天然氣的2~5倍。在海洋中，約有90%的區(qū)域都具備天然氣水合物生成的溫度和壓力條件。目前公認(rèn)全球的“可燃冰”總能量是所有煤、石油、天然氣總和的2~3倍。第五節(jié)能源與化學(xué)

據(jù)預(yù)測，我國2010年石油需求量約為2.5億噸，而我國石油工業(yè)在進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，老油區(qū)穩(wěn)產(chǎn)難度增大，新油區(qū)生產(chǎn)不到位，故石油資源形勢嚴(yán)峻。我國已由石油輸出國轉(zhuǎn)變?yōu)槭瓦M(jìn)口國。隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國能源需求與供應(yīng)的緊張矛盾將長期存在。因此，從保障21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的能源角度出發(fā)，把天然氣水合物資源的研究、勘探和開發(fā)納入我國的能源發(fā)展和保障計劃是十分必要和緊迫的。第五節(jié)能源與化學(xué)

化學(xué)電源三、（1）能量轉(zhuǎn)換的速率快，以保證較大的電流；（2）電池活性物質(zhì)的化學(xué)能不通過外電路的自放電?。唬?）較高的電動勢；（4）電池容量大；化學(xué)電源又稱為電池，主要是電化學(xué)電池。它通過氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成直流電能。設(shè)計一個實(shí)用電池，必須滿足許多條件。主要有以下方面：（5）能在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。第五節(jié)能源與化學(xué)

此外，材料還要價廉、安全、無毒等。表征電池質(zhì)量的常用指標(biāo)有：開路電壓和工作電壓、電池容量、壽命和貯存期。現(xiàn)將常用的化學(xué)電池簡介如下。第五節(jié)能源與化學(xué)

一次性電池1.一次性電池是一類通過電極反應(yīng)使化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。原電池用完即被廢棄，不能反復(fù)使用。一次性電池作為直流電源廣泛應(yīng)用于便攜式電器、電子儀器和儀表、照相機(jī)與照相器材、手表、計算器、助聽器、電動玩具等方面。第五節(jié)能源與化學(xué)

常用的一次性電池有鋅-錳干電池、鋅-汞電池、鋅-銀扣式電池及鋰電池。下面主要簡介使用最廣泛的鋅-錳干電池。鋅-錳干電池以鋅為負(fù)極，以二氧化錳為正極。鋅-錳干電池以鋅為負(fù)極，以二氧化錳為正極。按照基本結(jié)構(gòu)，鋅-錳電池可制成圓筒形、扣式和扁形。按照所用電解質(zhì)的不同，鋅-錳電池分為三個類型：（1）銨型鋅-錳電池。（2）鋅型鋅-錳電池。（3）堿性鋅-錳電池。第五節(jié)能源與化學(xué)電極活性物質(zhì)經(jīng)氧化還原反應(yīng)輸出的電能（放電）被消耗后，可以用充電的方法使活性物質(zhì)恢復(fù)的電池稱為可充電電池或二次電池，因其兼有貯存電能的作用，故稱作蓄電池。蓄電池主要有鉛酸蓄電池和堿性蓄電池兩類。

蓄電池2.第五節(jié)能源與化學(xué)

（1）鉛酸蓄電池。

它以二氧化鉛為正極，以多孔金屬鉛為負(fù)極，電解質(zhì)硫酸參與電池反應(yīng)，兩極反應(yīng)產(chǎn)物均為硫酸鉛，電池反應(yīng)如下：Pb+PbO2+2H2SO4---2PbSO4+2H2O第五節(jié)能源與化學(xué)

（2）堿性蓄電池。

它的正極活性物質(zhì)是銅、鎳、汞和錳的氫氧化物、氧化物或氧、鹵素等，負(fù)極活性物質(zhì)是不同形態(tài)的鎘、鐵、鋅、氫等；堿性蓄電池結(jié)構(gòu)有開口型和密封型兩種。開口型電池放電率高，價格低；密封型電池?zé)o需維護(hù)，可以任意使用。第五節(jié)能源與化學(xué)

堿蓄電池的突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長，使用維護(hù)方便，耐充電能力強(qiáng)。鎘鎳蓄電池可循環(huán)2000次以上，使用時間可達(dá)25年；鐵鎳蓄電池壽命更長，且價格較低，但低溫性能、荷電保持、充電效率、電壓平穩(wěn)性較差。第五節(jié)能源與化學(xué)

鋰電池3.（1）鋰原電池。

鋰原電池又稱作鋰電池，是以金屬鋰為負(fù)極電池的總稱。鋰的電極電勢最低，相對分子質(zhì)量小，導(dǎo)電性好，可制成一系列貯存壽命長、工作溫度范圍寬的高能電池。是近年來研制的新產(chǎn)品。目前主要用于軍事、空間技術(shù)等特殊領(lǐng)域，在心臟起搏器等微小功率場合也有應(yīng)用。第五節(jié)能源與化學(xué)

（2）鋰離子電池。

從20世紀(jì)60年代開始研制鋰電池至今，鋰電池由一次電池、早期的二次電池發(fā)展到如今的鋰離子電池。1980年法國首先提出“搖椅式”電池概念，引發(fā)了嵌鋰材料的研究熱，促進(jìn)了鋰離子電池的研制。鋰離子電池因電解質(zhì)不同，又可分為液態(tài)和固態(tài)鋰離子電池兩種，詳情可參見有關(guān)專著。第五節(jié)能源與化學(xué)

燃料電池4.燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)裝置。在燃料電池中，燃料直接氧化產(chǎn)生電能。燃料有氫、肼、烴、煤氣等液體和氣體燃料；氧化劑僅限于氧和空氣。燃料電池的基本結(jié)構(gòu)與一般化學(xué)電源相同，由正極(氧化劑電極)、負(fù)極(燃料電極)和電解質(zhì)構(gòu)成，但其電極本身僅起催化和集流作用。燃料電池工作時，活性物質(zhì)由外部供給。因此，原則上說，只要燃料和氧化劑不斷地輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷地排出，燃料電池就可以連續(xù)放電，供給電能。第五節(jié)能源與化學(xué)

燃料電池的總反應(yīng)與燃料燃燒反應(yīng)完全一樣。原則上，可作為電池燃料和氧化劑的化學(xué)物質(zhì)很多，但目前實(shí)際應(yīng)用的只有氫氧燃料電池。圖10-6是氫氧燃料電池的原理圖，氫氣流經(jīng)鉑負(fù)極，催化解離為氫原子，再釋放出電子形成氫離子，電子經(jīng)外電路的負(fù)載后流到氧氣的催化正極，與氧和水生成氫氧離子，再在電解液中與氫離子結(jié)合成水。要維持電池正常工作，燃料電池還需反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)。第五節(jié)能源與化學(xué)

圖10-6氫氧燃料電池第五節(jié)能源與化學(xué)

構(gòu)成燃料電池的關(guān)鍵材料和部件包括電極和隔膜等。電極是燃料氧化和氧化劑還原的場所。電極厚度一般約為0.2~0.5mm。通常分兩層，一層為擴(kuò)散層或支撐層，由導(dǎo)電多孔材料制備，起到支撐催化劑層、收集電流與傳導(dǎo)氣體和反應(yīng)產(chǎn)物（如水等）的作用；另一層為催化劑層，由電催化劑和防水劑（如聚四氟乙烯）等制備，其厚度僅為微米級。電極性能取決于電催化劑的性能、電極材料和電極制備技術(shù)。隔膜的功能是分隔氧化劑與還原劑（氫和氧）并起離子傳導(dǎo)的作用。為了減少電阻，隔膜厚度一般僅零點(diǎn)幾毫米。隔膜的性能取決于隔膜材料與其制備技術(shù)。第五節(jié)能源與化學(xué)

燃料電池具有高效、環(huán)境友好、輸出性能好的特點(diǎn)，既適宜于集中發(fā)電，也可以做成各種規(guī)格的分散電源和可移動電源。燃料電池也是世界各國競相研究的新能源技術(shù)，目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、電極材料、隔膜材料和催化劑、電解質(zhì)等領(lǐng)域都取得了長足的發(fā)展。第五節(jié)能源與化學(xué)

核能四、從1945年起，人類開始了開發(fā)和利用核能的新時代。核能包括核裂變能和核聚變能。作為新型能源，核電事業(yè)獲得了長足發(fā)展，成為重要的能源之一，核電站發(fā)電量占世界總發(fā)電量的16.8%。目前，我國已經(jīng)運(yùn)行的核電站有浙江秦山核電站和廣東大亞灣核電站。它們均采用世界上流行的壓水堆。近年來我國正致力于600MW壓水堆核電機(jī)組國產(chǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化和批量生產(chǎn)，GW級先進(jìn)壓水堆和快中子增殖反應(yīng)堆及高溫氣冷反應(yīng)堆正處于研制階段。第五節(jié)能源與化學(xué)

氫能五、氫能源的開發(fā)應(yīng)用必須解決三個關(guān)鍵問題：廉價氫的大批量制備、氫的儲運(yùn)和氫的合理有效利用。其基本原理在第八章中已有介紹，這里從略。第五節(jié)能源與化學(xué)

太陽能六、太陽能是指由太陽發(fā)射出來并由地球表面接受的這一部分輻射能。它是地球上主要能源的總來源，與常規(guī)能源相比具有如下特點(diǎn)：太陽是個持久、巨大的能源；太陽能是潔凈、無污染的能源；太陽能無償?shù)靥峁┙o地球的每個角落，可就地取材，不受市場的壟斷和操縱。第五節(jié)能源與化學(xué)

太陽能的利用也有一些不利因素，如能量密度低，在日地平均距離處陽光垂直輻照時，被地球表面吸收的僅約0.6kW·m-2。就每個

地域來說，能量供應(yīng)受晝夜、陰晴、季節(jié)、緯度等因素的影響較大，能量供應(yīng)極不穩(wěn)定，因此太陽能

的采集和利用尚有大量課題需要研究。太陽能的利用主要有熱能轉(zhuǎn)換、化學(xué)能轉(zhuǎn)換和電能轉(zhuǎn)換。第五節(jié)能源與化學(xué)

太陽能熱利用1.光熱轉(zhuǎn)換是目前廣泛采用的太陽能利用方式。按照用熱溫度可區(qū)分為：低溫?zé)崂?t<100℃)，用于熱水、采暖、干燥、蒸溜等；中溫?zé)崂?100℃≤t≤250℃，用于工業(yè)用熱、制冷空調(diào)、小型熱動力等；高溫?zé)崂?t>250℃)，用于熱發(fā)電、廢物高溫解毒、太陽爐等。太陽能熱利用系統(tǒng)一般由集熱、貯熱和供熱三部分組成。第五節(jié)能源與化學(xué)

集熱器是通過對太陽能的采集和吸收將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，已投入應(yīng)用的主要有如下幾種：

（1）平板型集熱器。

這種集熱器采集和吸收輻射能的面積相同，能收集太陽直射和散射的能量，并能將之轉(zhuǎn)換為熱能。一般可獲得40~70℃的熱水或熱空氣。

（2）聚焦型集熱器。

這種集熱器由集光器和接受器組成，有的還有陽光跟蹤系統(tǒng)。它把照射在采光面上的太陽輻射反射或折射匯聚到接受器上形成聚焦面，從而獲得比平板型集熱器更高的能量密度，使載熱介質(zhì)的工作溫度提高，可獲得500℃以上的高溫。第五節(jié)能源與化學(xué)

（3）真空管集熱器。

這種集熱器采用真空夾層，使對流與傳導(dǎo)熱損失可以忽略。使用光譜選擇性吸收膜層可以使熱輻射損失下降到最低，極大地提高了集熱器的效率，可用于寒冷的冬天。（4）熱管式真空管集熱器。

它運(yùn)用真空技術(shù)，降低了集熱管的熱損失。同時，由于運(yùn)用了熱管技術(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管。與普通真空管集熱器相比，具有熱容量小、有熱二極管效應(yīng)、防凍、系統(tǒng)承壓高、易于安裝和維修等優(yōu)點(diǎn)。第五節(jié)能源與化學(xué)

太陽能的熱貯存是將太陽的輻射能吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右再A存，包括顯熱貯存和潛熱貯存兩種方式。顯熱貯存是利用物質(zhì)的升溫或降溫吸收或釋放熱量。原則上說，任何物質(zhì)都可用于顯熱貯存，但氣體的熱容小，不宜使用。低溫(t<100℃)范圍內(nèi)，液體貯熱介質(zhì)以水為最佳；固體貯熱介質(zhì)以巖石和土壤最為適宜。依此認(rèn)識，人們先后開發(fā)了水箱貯熱、巖石床(箱)貯熱、地下含水層貯熱和地下土壤貯熱等多種技術(shù)。潛熱貯存是利用物質(zhì)發(fā)生相變時吸收(或放出)熱量的性質(zhì)。貯熱材料主要有無機(jī)鹽水合物、有機(jī)化合物和飽和鹽水溶液。無機(jī)鹽水合物相變的同時伴隨有能量交換。第五節(jié)能源與化學(xué)

太陽熱發(fā)電2.利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電的想法在20世紀(jì)初即已產(chǎn)生，至20世紀(jì)80年代隨太陽能材料和系統(tǒng)控制技術(shù)的進(jìn)展，一些國家太陽熱發(fā)電已實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營。德國1989年研制成功一種新型太陽能存儲器，為充分利用太陽能發(fā)電和供暖創(chuàng)造了條件。其工作原理是先用聚光鏡將太陽光聚集起來，

使鎂氫化合物分解，產(chǎn)生作為反應(yīng)媒介的氫氣，然后將氫氣輸回到鎂床。在這樣連續(xù)不斷的化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生熱量，根據(jù)需要隨時釋放出熱量，用以進(jìn)行發(fā)電或供暖。美國加州太陽能試驗(yàn)電站功率已達(dá)10MW。預(yù)計太陽熱電站將有可能迅速發(fā)展。第五節(jié)能源與化學(xué)

太陽能電池3.太陽能電池是能有效吸收太陽光輻射能并使之轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體電子器件，一般都由n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體構(gòu)成。當(dāng)陽光輻照到半導(dǎo)體表面時，材料吸光產(chǎn)生自由正電荷(空穴)和負(fù)電荷(電子)，在p

n結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，并將其分離到材料的不同區(qū)域，形成電動勢。已經(jīng)商品化的有單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池。目前主要應(yīng)用于電子手表、計算器等，正在逐漸進(jìn)入（包括太陽能汽車在內(nèi)的）功率較大的太陽能電源市場。第五節(jié)能源與化學(xué)

生物質(zhì)能七、生物質(zhì)能概述1.生物質(zhì)能是指由太陽能轉(zhuǎn)化并以化學(xué)能形式貯藏在生物質(zhì)中的能量。生物質(zhì)能本質(zhì)上是由綠色植物和光合細(xì)菌等自養(yǎng)生物吸收光能，通過光合作用把水和二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳水化合物而形成的。綠色植物只吸收了照射到地球表面輻射能的1％～2％。即使如此，全部綠色植物每年所吸收的二氧化碳約7×1011t，合成有機(jī)物約5×1011t。因此生物質(zhì)能是一種極為豐富的能量資源，也是太陽能的最好貯存方式。第五節(jié)能源與化學(xué)

按照資源類型，生物質(zhì)能包括古生物化石能源、現(xiàn)代植物能源和生物有機(jī)質(zhì)廢棄物。古生物化石能源是煤、石油、天然氣等?，F(xiàn)代植物能源是新生代以來進(jìn)化產(chǎn)生的現(xiàn)代能源植物。水生生物質(zhì)資源比陸生的更為廣泛，品種更為繁多，資源量更大?，F(xiàn)代人類生活和生產(chǎn)活動消耗了大量生物有機(jī)質(zhì)，在此過程中產(chǎn)生的廢棄物也已成為生物質(zhì)能的重要組成部分。這些能量資源按加工層次又可區(qū)分為一次能源(如能源植物、農(nóng)業(yè)廢棄物)和二次能源(如生物熱解氣、沼氣、生物炭等)。第五節(jié)能源與化學(xué)

生物質(zhì)的利用2.（1）生物質(zhì)燃燒技術(shù)。

直接燃燒是生物質(zhì)能最普通的轉(zhuǎn)換技術(shù)。生物質(zhì)燃料(秸桿、薪柴等)的燃燒是與空氣中氧強(qiáng)烈放熱的化學(xué)反應(yīng)。人類燃燒柴草已經(jīng)歷了幾千年，燃燒裝置大致分為原始爐灶、舊式爐灶、改良爐灶和節(jié)柴爐灶四個階段。20世紀(jì)80年代，我國研究了節(jié)柴爐灶由工廠批量生產(chǎn)組裝產(chǎn)品，以便推廣，熱效率達(dá)40％。第五節(jié)能源與化學(xué)

農(nóng)業(yè)廢棄物有巨大的能源潛力。蔗渣曾用作制糖的燃料，現(xiàn)又用來發(fā)電，巴西的蔗渣發(fā)電廠能力達(dá)300MW；夏威夷15家糖廠為當(dāng)?shù)靥峁┝?0％的電力。垃圾中的有機(jī)質(zhì)除分離制作復(fù)合肥料外，還可用于供熱和發(fā)電，這類工廠在全球已有500余座。第五節(jié)能源與化學(xué)

（2）生物質(zhì)的氣化。

生物質(zhì)的氣化是生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下熱解生成以一氧化碳為主要有效成分的可燃?xì)怏w，從而將化學(xué)能的載體由固態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的技術(shù)。由于可燃?xì)怏w輸送方便，燃燒充分，便于控制，因而擴(kuò)大了生物質(zhì)能的應(yīng)用范圍。20世紀(jì)20年代，人們開發(fā)了煤炭和木柴的氣化技術(shù)，進(jìn)入70年代，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向農(nóng)林業(yè)廢棄物和城鎮(zhèn)垃圾可燃部分的氣化，以擴(kuò)大能源來源，提高能源品位，減輕廢棄物對環(huán)境的污染。20世紀(jì)80年代始，我國研制了新一代農(nóng)業(yè)廢棄物氣化技術(shù)，緩解了農(nóng)村生產(chǎn)和生活用能源的緊張局面。此外，在生物質(zhì)氣化工業(yè)利用的研究和實(shí)用化方面也取得了突破性的進(jìn)展。第五節(jié)能源與化學(xué)

（3）沼氣的制取與應(yīng)用。

沼氣是微生物在厭氧條件下對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行分解代謝的產(chǎn)物。主要成分是CH4(約60％)、CO2(約35％)及少量H2S、H2、CO和N2等氣體。生成沼氣的過程稱為沼氣發(fā)酵。發(fā)酵原料和條件不同，所得沼氣的成分也有差異。人、禽糞、屠宰廢水發(fā)酵所得沼氣，甲烷可達(dá)70％；秸桿為原料時，沼氣的甲烷含量約55％。含甲烷60％的沼氣與空氣混合物的爆炸下限為9％～23％。第五節(jié)能源與化學(xué)

沼氣可用于生產(chǎn)和生活，有燃料用途和非燃料用途之分。除炊事、照明外，還可作為內(nèi)燃機(jī)燃料(驅(qū)動汽車、發(fā)電、抽水等)。發(fā)酵后的沼液含豐富的維生素、氨基酸、生長素、腐殖酸等生物活性物質(zhì)及氮、磷、鉀、微量元素，經(jīng)過濾后可浸種、噴施、制造高效有機(jī)肥。沼渣可用于制造配合飼料等。第五節(jié)能源與化學(xué)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增長和生活水平的提高，大量工業(yè)有機(jī)廢水和城鎮(zhèn)生活污水已成為主要的環(huán)境污染源，沼氣發(fā)酵可使廢水中的COD降至20%以下，并可回收沼氣能源。發(fā)展沼氣已成為消除有機(jī)污染，改善人類生存環(huán)境的重要手段之一。第五節(jié)能源與化學(xué)

（4）生物質(zhì)液化。

生物質(zhì)液化是通過熱或生物化學(xué)方法將生物質(zhì)部分或全部轉(zhuǎn)化為液體燃料。液化方法有熱分解、直接液化、水解發(fā)酵和植物油酯化。生物質(zhì)干餾和熱解除得可燃?xì)怏w、焦炭外，所含揮發(fā)分可用于合成汽油和水解制酒精。干餾的液體產(chǎn)物粗木醋液中含酸、酯、醛、醚、烴等有機(jī)物，有工業(yè)利用價值的有乙酸、乙酸乙酯、甲醇、丙醇、乙醛、糠醛、丙酮等。液體燃料能量密度大，貯運(yùn)、使用方便，精煉后可得優(yōu)質(zhì)燃料，因此近年來生物質(zhì)熱解的液體產(chǎn)物倍受重視。第五節(jié)能源與化學(xué)

動植物油作為動力燃料早有研究。植物油熱值大致相當(dāng)于同質(zhì)量柴油的87％～89％，并隨碳鏈長度的增加而增大。由于其黏度較大，在發(fā)動機(jī)中霧化效果較差，多與柴油混合使用。

大規(guī)模采用酒精作為汽車燃料是近年生物質(zhì)能應(yīng)用的一大進(jìn)展。它既可以減少對石油的依賴，又可減輕汽車尾氣的污染。巴西90％的小汽車已使用酒精燃料。傳統(tǒng)的生物質(zhì)釀酒工藝與現(xiàn)代生物工程技術(shù)相結(jié)合，必將使酒精燃料的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。第五節(jié)能源與化學(xué)風(fēng)能主要是利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電、提水、揚(yáng)帆助航，是一種可以再生的干凈能源。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高和市場的不斷擴(kuò)大，近年來風(fēng)力發(fā)電增長迅速。單機(jī)容量不斷擴(kuò)大，目前兆瓦機(jī)組已走向商業(yè)化。我國東南沿海及西北地區(qū)（內(nèi)蒙、青海、新疆）也有豐富的風(fēng)力資源，現(xiàn)已建成小型風(fēng)力發(fā)電廠9個，發(fā)電裝機(jī)容量2萬千瓦。

其他能源簡介八、風(fēng)能1.第五節(jié)能源與化學(xué)

地?zé)崮?.地殼深處的溫度比地面高得多，利用地下熱量也可發(fā)電。西藏的發(fā)電量中，一半是水力發(fā)電，約40%是地?zé)犭姟Ｎ鞑匮虬司責(zé)犭娬镜乃疁卦?50℃左右，臺灣清水地?zé)犭娬舅疁剡_(dá)226℃。近年來發(fā)展最快的是中、低溫地?zé)岬睦?，可用于采暖、洗浴、醫(yī)療、旅游、種植業(yè)等。目前，全國已發(fā)現(xiàn)地?zé)狳c(diǎn)3200多處，打成地?zé)峋?000多眼。地?zé)崮芘c地球共存亡，地?zé)釢摿Σ蝗莺鲆?。第五?jié)能源與化學(xué)

海洋能3.在地球與太陽、月亮的互相作用下，海水不停地運(yùn)動。其中蘊(yùn)藏著潮汐能、波浪能、海流能、溫差能等，這些能量總稱作海洋能。從20世紀(jì)60年代起，法國、前蘇聯(lián)、加拿大、芬蘭等國先后建成潮汐能發(fā)電站。中國海洋能資源十分豐富，可開發(fā)的潮汐能達(dá)2000萬kW以上。我國在東南沿海先后建成7個小型潮汐能電站，其中浙江溫嶺的江廈潮汐能電站具有代表性，它建成于1980年，至今運(yùn)行狀況良好。第五節(jié)能源與化學(xué)

節(jié)能技術(shù)九、現(xiàn)代，主要能源是煤、石油和天然氣，這些都是不可能再生的化石燃料，儲量都極其有限，因此必須節(jié)能。節(jié)能不是簡單地指少用能量，而是要充分有效地利用能源，盡量降低各種產(chǎn)品的能耗，這也是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中一項(xiàng)長期的戰(zhàn)略任務(wù)。第五節(jié)能源與化學(xué)

能源利用率的高低一般是按生產(chǎn)總值與能源總消耗量的比值進(jìn)行統(tǒng)計比較的，它與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和技術(shù)狀況有關(guān)。我國的能耗比日本高4倍，比美國高2倍，比印度高1倍。要實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化，既要開發(fā)能源，又必須降低能耗，開源節(jié)流并舉，并且要把節(jié)流放到更重要的位置。根據(jù)國家能源委員會的預(yù)測，到2020年，新型的節(jié)能車、新型的工業(yè)節(jié)能裝置和熱力系統(tǒng)以及節(jié)約能源的部分基礎(chǔ)設(shè)施將取代現(xiàn)存的能源設(shè)施。從2050年至2100年，幾乎所有的能源技術(shù)和能源設(shè)施將至少被更新兩次，大多數(shù)與能源有關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施也不例外。第五節(jié)能源與化學(xué)

綠色化學(xué)一、綠色化學(xué)及其研究內(nèi)容1.綠色化學(xué)，又稱作環(huán)境無害化學(xué)，在其基礎(chǔ)上發(fā)展的技術(shù)稱為環(huán)境友好技術(shù)或潔凈技術(shù)。它所研究的中心問題是使化學(xué)反應(yīng)及其產(chǎn)物具有以下特點(diǎn):第五節(jié)能源與化學(xué)

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)(1)工藝過程使用無毒、無害的原料、溶劑和催化劑；(2)具有原子經(jīng)濟(jì)性，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)過程中充分利用每個原料原子,反應(yīng)具有高選擇性，不生成或很少生成副產(chǎn)物或廢物，甚至實(shí)現(xiàn)或接近廢物的“零排放”；(3)生產(chǎn)環(huán)境友好的產(chǎn)品。因此綠色化學(xué)可以看作是進(jìn)入成熟期的更高層次的化學(xué)。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)綠色化學(xué)的目標(biāo)及其基本思想2.綠色化學(xué)是一門以保護(hù)環(huán)境為目標(biāo)來設(shè)計、生產(chǎn)化學(xué)產(chǎn)品的新興學(xué)科，是一門從源頭上防止污染的化學(xué)。它的主要特點(diǎn)是原子經(jīng)濟(jì)性，即在獲取新物質(zhì)的化學(xué)過程中充分利用每個原料原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”，使化學(xué)從“粗放型”向“集約型”轉(zhuǎn)變，既充分利用資源，又不產(chǎn)生污染。綠色化學(xué)研究的目標(biāo)就是運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的原理和方法從源頭上減少或消除化學(xué)工業(yè)對環(huán)境的污染，從根本上實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的“綠色化”，走經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的道路。因此，綠色化學(xué)及其應(yīng)用技術(shù)已成為各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。綠色化學(xué)基本思想結(jié)構(gòu)如圖10-7所示。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)

圖10-7綠色化學(xué)基本思想示意圖

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)綠色化學(xué)的12條原則3.綠色化學(xué)的研究者們在長期實(shí)踐和摸索的基礎(chǔ)上，于1998年提出綠色化學(xué)的12條原則，這些原則可作為開發(fā)和評估一條合成路線、一個生產(chǎn)過程、一種化合物是否符合綠色化學(xué)要求的指導(dǎo)方針和標(biāo)準(zhǔn)，并逐步得到整個國際社會的承認(rèn)。具體內(nèi)容如下：（1）污染的預(yù)防——防止產(chǎn)生廢棄物要比產(chǎn)生后再去處理和凈化好得多。（2）原子經(jīng)濟(jì)——應(yīng)該設(shè)計這樣的合成程序，使反應(yīng)過程中所用的物料能最大限度地進(jìn)到終極產(chǎn)物中。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)（3）較少有危害性的合成反應(yīng)出現(xiàn)——無論如何要使用可以行得通的方法，使得設(shè)計合成程序只選用或產(chǎn)出對人體或環(huán)境毒性很小甚至無毒的物質(zhì)。（4）化學(xué)品的安全設(shè)計——設(shè)計化學(xué)反應(yīng)的生成物不僅具有所需的性能，還應(yīng)具有最小的毒性。（5）溶劑和輔料的安全性——盡量不用輔料（如溶劑或析出劑），當(dāng)不得已使用時，盡可能選用無害的輔料。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)（6）能量的高效利用——盡可能降低化學(xué)過程所需能量，還應(yīng)考慮對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的效益。合成程序盡可能在常溫常壓下進(jìn)行。（7）原料的可回收性——只要技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上是可行的，原料應(yīng)能回收而不是使之變壞。（8）盡量減少副產(chǎn)物——盡可能避免或減少多余的衍生反應(yīng)（用于保護(hù)基團(tuán)或取消保護(hù)和短暫改變物理、化學(xué)過程），因?yàn)檫M(jìn)行這些步驟需添加一些反應(yīng)物，同時也會產(chǎn)生廢棄物。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)（9）充分利用催化作用——催化劑（盡可能是具有選擇性的）比符合化學(xué)計量數(shù)的反應(yīng)物更占優(yōu)勢。（10）提高產(chǎn)物的可降解性——按設(shè)計生產(chǎn)的生成物，當(dāng)其有效作用完成后，可以分解為無害的降解產(chǎn)物，在環(huán)境中不再繼續(xù)存在。（11）對防止污染進(jìn)程能進(jìn)行實(shí)時分析——需要不斷發(fā)展分析方法，對形成危害物質(zhì)的控制能夠進(jìn)行實(shí)時分析和進(jìn)程中監(jiān)測。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)（12）特別是要從化學(xué)反應(yīng)的安全上防止事故發(fā)生——在化學(xué)過程中，反應(yīng)物（包括其特定形態(tài)）的選擇應(yīng)著眼于使包括釋放、爆炸、著火等化學(xué)事故的可能性降至最低。這些原則目前為國際化學(xué)界所公認(rèn)，它反映了近年來在綠色化學(xué)領(lǐng)域中所開展的多方面的研究工作內(nèi)容，同時也指明了未來發(fā)展綠色化學(xué)的方向。從國際上看,無論是美國的“總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎”，還是日本的“新陽光計劃”，都反映了各國政府對綠色化學(xué)的高度重視和大力支持。綠色化學(xué)的研究主要包括反應(yīng)原料、溶劑、催化劑、產(chǎn)品和反應(yīng)過程綠色化五個方面環(huán)境友好的要求。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)綠色化學(xué)的基本目標(biāo)和思想是什么？如何應(yīng)用綠色化學(xué)的要求評價“合成氨”等傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)的功過是非？思考題10-1工業(yè)革命以來，尤其是20世紀(jì)70年代以后，全球經(jīng)濟(jì)得到了迅猛發(fā)展，但同時也造成了資源過度消耗和日益稀缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重，從而大大制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步。人們不得不開始對過去的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式進(jìn)行反思，重新審視經(jīng)濟(jì)和環(huán)境資源間的關(guān)系。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)清潔生產(chǎn)二、清潔生產(chǎn)及其意義1.

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)通過過去幾十年的環(huán)境保護(hù)實(shí)踐，人們逐漸認(rèn)識到，僅依靠開發(fā)更有效的污染控制技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的環(huán)境改善十分有限，關(guān)心產(chǎn)品和生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響，依靠改進(jìn)生產(chǎn)工藝和加強(qiáng)管理等措施來消除污染更為有效，于是清潔生產(chǎn)戰(zhàn)略應(yīng)運(yùn)而生。清潔生產(chǎn)是環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略具有重大意義的創(chuàng)新，是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

第六節(jié)綠色化學(xué)與清潔生產(chǎn)清潔生產(chǎn)是各國在反省傳統(tǒng)的以末端治理為主的污染控制措施的種種不足后，提出的一種以源頭削減為主要特征的環(huán)境戰(zhàn)略，是人們思想和觀念的一種轉(zhuǎn)變，是環(huán)境保護(hù)戰(zhàn)略由