《化学与能源教学文案.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学与能源教学文案.ppt（67页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、化学与能源化学与能源一、能源的分类一次能源：在自然界中可直接取得不必改变其基本形态的能源。二次能源：由一次能源经过加工或转换成另一种形态的能源产品。常规能源：即传统能源，已经大规模生产和广泛利用的能源。新能源：以新技术为基础，系统开发的能源。常见的能源常见的能源太阳能化石能源水能风能潮汐能：海水潮流运动的能量海洋能：潮汐能、波浪能、海流能、温差能地热能：地球内部释放到地表的能量生物质：燃烧植物体放出热能核能（原子能）氢能可再生能源：水力、风力、太阳能、生物质能、热地等。二、化石能源大气中二氧化碳逐年增加，地球不断变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，造暖，生态环境
2、恶化，自然灾害频发，造成的损失逐年增加。成的损失逐年增加。化石能源储量有限，消耗加快。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。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。经济增长、环境保护和社会发展的压力。氢：储量大，分布广，清洁无污染氢：储量大，分布广，清洁无污染氢能的利用氢能的利用 氢气作为能源遇到的两个问题氢气作为能源遇到的两个问题（一）氢气的制备（一）氢气的制备（）热化学工艺制氢（）热化学工艺制氢热化学工艺主要是将碳水化合物热化学工艺主要是将碳水化合物(煤、石油、煤、石油、天然气、生物质等天然气、生物质等)输入高温化学反应器输入高温化学反应器
3、 ，生成由，生成由H2、CO、CO2 和和 CH4 等组成的等组成的合成气体合成气体 ，然后进行重整和水气置换反应，然后进行重整和水气置换反应来提高氢的产量来提高氢的产量 ，最后将氢气分离提纯得，最后将氢气分离提纯得到可以用做交通燃料的氢气。到可以用做交通燃料的氢气。甲烷重整制氢甲烷重整制氢:CH4+H2O=3H2+CO 这个反应是吸热反应，需要外部输入热这个反应是吸热反应，需要外部输入热量，反应温度大约量，反应温度大约700700850850，反应，反应压力为压力为3105 Pa2.5 105Pa。反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应产物合成气被输入到下一级水气置换反应器反应器 ，经过水
4、气置换反应，将，经过水气置换反应，将CO转化转化为为H2，提高了氢的产量。，提高了氢的产量。CO+H2O=H2+CO2 重整制氢的能量转换效率可以达到重整制氢的能量转换效率可以达到75%80%，经济有效，如果将余热回收利用，经济有效，如果将余热回收利用，效率可达效率可达85%以上以上部分氧化制氢是将碳氢化合物部分氧化生成部分氧化制氢是将碳氢化合物部分氧化生成CO和氢的工艺。和氢的工艺。2CH4+O2=4H2+2CO加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反加入催化剂，系统转化效率会大大提高。反应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行应产物合成气也和重整制氢一样，需要进行水气置换反应，以提高水气置换反
5、应，以提高H H2 2 的产量。最后再经的产量。最后再经过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。过分离提纯，得到可以用于交通工具的燃料。由于这个生产过程中也有由于这个生产过程中也有CO2的排放，所以的排放，所以也是通向环保制氢的过渡。也是通向环保制氢的过渡。利用煤和生物质等气化制氢是将这些物利用煤和生物质等气化制氢是将这些物质在高温下裂解成合成气后进行水气转质在高温下裂解成合成气后进行水气转换等过程，提高氢的成分，最后经过净换等过程，提高氢的成分，最后经过净化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢化处理得到燃料氢。其中煤的气化制氢是目前广泛使用的制氢技术。是目前广泛使用的制氢技术。（2 2）电解水制
6、氢工艺）电解水制氢工艺该反应只要对电解槽通入直流电即可进该反应只要对电解槽通入直流电即可进行，操作简单，效率较高行，操作简单，效率较高 ，现在已经发，现在已经发展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子展了多种电解槽，如碱性电解槽、质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。交换膜电解槽和固体氧化物电解槽等。用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的一条用太阳能电池产生的电能电解水是制氢的一条具有十分诱人前景的途径。具有十分诱人前景的途径。人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外人工光合作用的研究为太阳能制氢提供了另外一条途径。光合作用的核心是由太阳光驱动将一条途径。光合作用的核心是由太阳光驱动将水分子裂解为氧气
7、、氢离子和电子。植物通过水分子裂解为氧气、氢离子和电子。植物通过还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不还原碳元素的形式将太阳能固定下来，能否不要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？人工要将太阳能固定在碳元素中得到利用呢？人工光合作用将使这种想法成为可能，它完全抛弃光合作用将使这种想法成为可能，它完全抛弃了植物载体，只利用光合作用的原理，通过光了植物载体，只利用光合作用的原理，通过光裂解水分子，直接提取氢气。裂解水分子，直接提取氢气。氢气的储存氢气的储存 类 型 典型技术 体积密度 重量密度备 注物理方法液态氢71g/l5wt%20K,能耗大高压氢39 g/l3.3wt%RT,70MPa大比表吸
8、附剂1wt%80K纳米碳管100 g/l4wt%30%NaBH4溶液硼氢化合物硼氢化合物 热分解制氢热分解制氢NHNH3 3BHBH3 3、LiBHLiBH4 4等等 水分解制氢水分解制氢NaBHNaBH4 4（SBHSBH）等）等BNBN纳米结构材料纳米结构材料 硼促进贮氢材料硼促进贮氢材料含硼贮氢材料含硼贮氢材料硼氢化物硼氢化物氢含量氢含量 wt%研究者研究者formulareactionLiBH418.213.5 Zutel et al.NaBH410.510.8Millennium Cell et al.NH3BH319.519.5Wolf et al.NH4BH424.524.5Un
9、stable-20Al(BH4)316.8Potential chemical substance for H2 storageMg(BH4)214.8LiAlH2(BH4)215.2硼氢化合物贮氢硼氢化合物贮氢Prof.A.Zuttel,Switzerland Univ Fribourg 450 左右可以获得左右可以获得13.5 wt%H2LiBH4分解制氢分解制氢强放热反应强放热反应 可以获得可以获得13.6 wt%H2 LiBH4分解制氢分解制氢120-300 19.6 wt%H2不足不足:NH3BH3制备成本偏高制备成本偏高 NH3BN3分解制氢分解制氢 B99N99C186 nano
10、tubesAtomic structure modelsBN纳米结构贮氢纳米结构贮氢近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方近年来，大量的研究集中在纳米碳管储氢方面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，面，主要是人们认为纳米碳管的储氢容量高，理论上可达理论上可达10%10%。太阳能即太阳辐射能，它是太阳内部连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。续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度地球轨道上的平均太阳辐射强度为为1367kw/m1367kw/m2 2。地球赤道的周长为。地球赤道的周长为40000km40000km，从而可计算出，地球获，从而
11、可计算出，地球获得的能量可达得的能量可达172,500TW172,500TW。也就是。也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于量就相当于500500万吨煤。万吨煤。目前人类所能够使用的能源形式目前人类所能够使用的能源形式（一）对太阳能的间接利用（一）对太阳能的间接利用（二）太阳辐射能的直接利用二）太阳辐射能的直接利用与其他能源相比，太阳能具有独特的与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：优点：（1 1）它没有一般煤炭、石油等矿物）它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作污染环境，被称作“干净能源干净
12、能源”。（2 2）到处都可以得到太阳能，使用）到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。方便、安全。（3 3）成本低廉，可以再生。）成本低廉，可以再生。1 1、对太阳能直接利用的形式、对太阳能直接利用的形式（1 1）对可见光的利用）对可见光的利用主要的利用途径是光电转换，即把太阳能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。阳光中高达九成以上的可见光。太阳能电池太阳
13、能电池太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照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，在产生电子空穴对，在PNPN结上可以产生光电流、光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。最合适最理想的太阳能电池材料。推进舱推进舱轨道舱轨道舱附加舱附加舱通讯舱通讯舱太阳能电池太阳能电池太阳能电池太阳能电池按照所用材料的不同：按照所用材料的不同：硅太阳能电池硅太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅）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！）（光电转化效率高，成本高，制备工艺
14、复杂！）以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池材料的电池 （镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）（镉：剧毒。铟、硒：稀有元素）功能高分子材料制备的大阳能电池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）（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染料敏化纳米晶体太阳能电池 （正在研发）（正在研发）太阳能电池的发展方向太阳能电池的发展方向材料与器件结构的研究与开发材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究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杂质与缺陷的转换效率及稳定性影
15、响使用薄膜技术和剥离技术。使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发大规模生产技术的开发跟踪与聚光跟踪与聚光储电及储电及并网发电结合并网发电结合并网发电已占并网发电已占50%50%以建成多个兆瓦级的电站，以建成多个兆瓦级的电站，100MW100MW规模规模VSVS太阳能热发电站太阳能热发电站与建筑物结合与建筑物结合架设太阳电池组件架设太阳电池组件日本：日本：1994-20001994-2000年年 2 2万套屋顶光伏系统万套屋顶光伏系统185MW 185MW；七万屋顶计划；七万屋顶计划 280M 280M美国：美国：1997201019972010年年 百万屋顶计划百万屋顶计划 3025MW
16、 3025MW 发电成本发电成本6 6美分美分集成在建筑材料上集成在建筑材料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃太阳能发电站太阳能发电站 太阳能光伏发电系统主要太阳能光伏发电系统主要由由太阳电池阵列、贮能蓄太阳电池阵列、贮能蓄电池、防反充二极管、充电池、防反充二极管、充电控制器及逆变器、测量电控制器及逆变器、测量设备设备等组成。等组成。太阳能发电太阳能发电站一旦建成，不需要运行站一旦建成，不需要运行投资即能运用投资即能运用,但初期投资但初期投资较高。较高。加利福尼亚一家太阳加利福尼亚一家太阳能发电站中的太阳能能发电站中的太阳能反射装置反射装置（2 2）对红外线的利
17、用）对红外线的利用主要的利用途径是光热转换，即把太阳主要的利用途径是光热转换，即把太阳能直接转变成热能。能直接转变成热能。太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热太阳能热利用可分为：低温热利用、中温热利用和高温热利用。利用和高温热利用。低温热利用：低温热利用：地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统中温热利用：中温热利用：空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及空调制冷、制盐以及其它工业用热其它工业用热其它工业用热其
18、它工业用热高温热利用：高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉和高温炉和高温炉和高温炉（3 3）对紫外线的利用）对紫外线的利用紫外线具有杀菌功效。波长为紫外线具有杀菌功效。波长为300nm的紫的紫外光的光子所具有的能量约为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，它比细菌的蛋白质分子中重要的化学键C-C（347 kJ/mol）、）、C-N（305 kJ/mol）和和C-S（259 kJ/mol）键的键能大，因此键的键能大，因此紫外光的能量足以使这些化学键断裂，从紫外光的能量足以使这些化学键断裂，
19、从而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目而破坏细菌的蛋白质分子，达到杀菌的目的。的。（一）核裂变能（一）核裂变能 使一个重原子核分裂成为两个或两个以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。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。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、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，裂变时，释放出巨大的能量，1 1克克235235U U完完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧全发生核裂变后放出的能量相当于
20、燃烧2.52.5吨煤所产生的能量。吨煤所产生的能量。1 1、放射性废料的危害、放射性废料的危害核废料是指含有核废料是指含有、和和辐射的不稳定元素并伴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，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。引起细胞内遗传信息的突变。地球上有多少钚？据资料报道，6000克钚可制造成一枚原子
21、弹，而其中仅有1克钚消失了，是它导演出了令人望而生畏的蘑菇云，按照爱因斯坦质能公式，这1克钚转化成核爆炸所需的全部能量。其能量之巨大，与2万吨三硝基炸药（TNT）相当。非常不幸的是，钚弹爆炸时，有95%的放射性钚都气化扩散到大自然中。人类在20世纪5070年代进行大气层核试验产生的钚，至今仍残存在我们生活的环境中。在核试验最频繁的美国，尤其严重。2 2、放射性核废料的处理、放射性核废料的处理与核能相关的一个最困难的问题就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，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
22、终核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，核废料能使用的最大障碍。目前，核废料的处理有的处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三种方法。三种方法。切尔诺贝利核电站切尔诺贝利核电站核废料的存放到目前为止，我们仍未找到安全处理核废料的万全之策，目前世界各国通用的做法仍是用混凝土或金属容器封装好核废料，再深埋到100m左右的地下岩洞、废气矿井或海底岩洞等核废料场中。按有关国际规定，这样的核废料场应有300年的安全期，但这仍远远小于钚239的半衰期（2万多年）。令人不安的是，当今世界上存在的19万吨含钚239的核废料正在衰变过程中，正以15千米/秒的高速度放射粒子和其他放射线
23、，污染着环境，危害着人类健康。科学家的努力科学家的努力在欧洲核子研究中心工作的卡洛斯鲁比亚教授提出过一种新型核电站方案，它使用的核燃料不是钚，而是灶，灶不仅烧得干净，而且核废料中不含令人头痛的钚239，没有放射性；英国菲尔德大学地质学家弗格斯吉布新提出把核废料深埋到的地下岩层（而非现在的1000m深）。头几天，核废料将利用自身的余热使周围岩石融化，几个月后冷却，从而把核废料罐完全包裹起来，形成一个更安全的核废料坟墓。理论推导显示，5000m的深度，应该是钚239的最好归宿。（二）核聚变（二）核聚变太阳的中心发生核聚变，放出巨大能量。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
24、变过程以及在太阳内部，这个天然的核聚变过程以及发生了了好几十亿年了。发生了了好几十亿年了。核聚变的引发核聚变的引发和平利用聚变能实验非常和平利用聚变能实验非常困难，因为核力是一种短困难，因为核力是一种短程力，只有当它们之间的程力，只有当它们之间的距离接近到大约万分之一距离接近到大约万分之一毫米时，核力能才起作用，毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，使两个原子核聚合在一起，放出巨大的能量。放出巨大的能量。所有的原子核都带正电，两个带正电的所有的原子核都带正电，两个带正电的原子核互相接近时，它们之间的库仑斥原子核互相接近时，它们之间的库仑斥越来越大。所以实现聚变反应的条件是越来越大。所
25、以实现聚变反应的条件是反应中的原子核必须具有很高的能量来反应中的原子核必须具有很高的能量来克服静电斥力，使两核之间的距离进入克服静电斥力，使两核之间的距离进入核力力程。据测算这样的能量将使氘核核力力程。据测算这样的能量将使氘核的温度达到的温度达到5.6105.6108 8k k。我国第一座核电站我国第一座核电站浙江秦山核浙江秦山核电站于电站于19911991年建成发电。年建成发电。核电站核电站浙江秦浙江秦山核电山核电站站广州大亚湾核广州大亚湾核电站。这是我电站。这是我国大陆第一座国大陆第一座大型商用核电大型商用核电站站广东岭澳广东岭澳核电站核电站电池的分类：电池的分类：电池按照其使用性质电池按
26、照其使用性质的不同可以分为干电的不同可以分为干电池、蓄电池、储备电池、蓄电池、储备电池和燃料电池等几大池和燃料电池等几大类。类。原电池原电池锌锰干电池：锌锰干电池：负极负极负极负极是锌做的是锌做的是锌做的是锌做的圆筒，圆筒，圆筒，圆筒，正极正极正极正极是一根探是一根探是一根探是一根探棒，周围被二棒，周围被二棒，周围被二棒，周围被二氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉氧化锰、碳粉和氯化铵的混和氯化铵的混和氯化铵的混和氯化铵的混合剂包围。合剂包围。合剂包围。合剂包围。蓄电池蓄电池 蓄电池又称二次电池，蓄电池又称二次电池，蓄电池又称二次电池，蓄电池又称二次电池，可以通过充电使活性物质再可以通过充电使
27、活性物质再可以通过充电使活性物质再可以通过充电使活性物质再生。蓄电池的两极均以铅板生。蓄电池的两极均以铅板生。蓄电池的两极均以铅板生。蓄电池的两极均以铅板为骨架，为骨架，为骨架，为骨架，正极正极正极正极铅板上是二氧铅板上是二氧铅板上是二氧铅板上是二氧化铅，化铅，化铅，化铅，负极负极负极负极铅板上是海绵状铅板上是海绵状铅板上是海绵状铅板上是海绵状铅。铅。铅。铅。内部构造内部构造内部构造内部构造外外外外部部部部构构构构造造造造锂电池锂电池 锂电池分为一次电池和二次电池两类，锂电池分为一次电池和二次电池两类，照相机等耗电量较低的电子产品中主要使照相机等耗电量较低的电子产品中主要使用不可充电的一次锂电
28、池，而摄像机、数用不可充电的一次锂电池，而摄像机、数码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大码相机、手机及笔记本电脑等耗电量较大的电子产品中则使用可充放电的二次锂电的电子产品中则使用可充放电的二次锂电池。池。锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车锂电池自行车镍氢电池（高压镍氢电池）镍氢电池（高压镍氢电池）正极：正极：Ni电极电极 NiO（OH）+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-负极：氢电极负极：氢电极 1/2H2+OH-=H2O+e-总反应：总反应：1/2H2+NiO(OH)=Ni(OH)2电解质：电解质：KOH 电池内氢气的压力：电池内氢气的压力：0.3-4MPa燃料电池燃料电池 氢氧燃料电池
29、工作时向负极供给燃料氢氧燃料电池工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。（氢），向正极供给氧化剂（空气或氧气）。氢在氢在负极负极解离成解离成H H+和电子，和电子，H H+进入电解进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中。的负载就接在外部电路中。在在正极正极上，氧与电解液中的氢离子获得上，氧与电解液中的氢离子获得经外电路抵达正极上的电子而形成水。经外电路抵达正极上的电子而形成水。氢氧燃料电池原理图燃料电池的种类燃料电池的种类燃料电池按照电解质类型分为五种：燃料电池按照电解质类型分为五种：碱性燃料电池碱性燃料电
30、池(AFC)磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐型燃料电池熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池固体氧化物型燃料电池(SOFC)质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(PEMFC)化学能化学能反应热反应热热能热能热能热能QcmT动动能能E1/2 mv2电能电能电量电量QIt光能光能 Eh =h/c生物能（生物能（ATP）ATPADPPi+Q七、其它能源的应用七、其它能源的应用1、生物质能：是从生物质转化产生能量。沼气的产生：沼气的产生：沼气发生原理：沼气发生原理：以单糖（C6H12O6）为基质的发酵过程：2、生物柴油 生物柴油及其应用历史：生物柴油是以大豆、油菜籽等油料作物，油棕、黄连木等油料林木果实，工程微藻等水生植物，以及动物油脂、废餐饮油等可再生物为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。制造方法与典型的工艺流程 生物柴油制造方法技术方面存在的问题及解决办法 酶的选择性、寿命与反应时间问题 生物柴油的倾点高、影响低温启动 催化剂的研制 反应的接触界面问题 甘油皂对油品质量的影响燃烧残留物的微酸性问题 甲醇的聚合问题 残留甲醇与甘油的腐蚀性问题 3 我国水电开发现状结束结束