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浙江大学化学与人类文明论文——化学与能源


浙江大学

社科 1208 班

张学智

2012 年 10 月

化学与人类文明——化学与能源
摘要:自从人类诞生以来,就有了对化学的探索,这是因为有了人类,就有了对化学的 需求。化学与我们的生活息息相关,特别是在人类能源开发及其利用方面表现得尤为重要。 本文主要从人类能源历程、 近年来

世界能源结构及现状、 当今和未来的化学能源发展趋势等 几个方面进行论述,最后提出一些倡议。 关键词:能源现状 绿色 可持续 新能源 人类文明 能源离不开化学,人类对能源利用的历史,也就是人类了解和使用化学的历史。随着社 会生产力和科学技术的发展,人类利用能源的历史大体经历了五个阶段:1、火的发现和利 用(薪火时代) ;2、风力、水力和畜力等自然动力的利用;3、化石燃料的开发和利用(蒸 汽时代) ;4、电力的发现及开发利用(电气时代) ;5、原子能、氢能、生物质能等新能源的 发现及开发利用(新能源时代) 。在能源历程上,就其划时代性革命转折而言,主要有三大 转变:第一次是煤炭取代木材等成为主要能源, ;第二次是石油取代煤炭而居主导地位;第 三次是目前正在出现的多能源结构。而这些转变,无论是火的发现和利用,或煤、石油和天 然气的利用,还是新能源的开发,都离不开化学这一门自然学科的参与。如煤的高效、洁净 燃烧技术及煤的焦化气化来合成生产烃类及含氧化合物;原油需经过分馏、裂化、重整、精 制得到石油及附属产品;天然气转化及 C1 化学均是对化学重要性的肯定! 在世界能源结构上,联合国 1994 年《能源统计年鉴》的数据表明,世界能源储量的情 况是:煤的可开采总量为 10633.68 亿吨,原油和天然气储量为 1407.66 亿吨,天然气可开 1 采量为 214.203 万亿吨,水电理论装机容量为 33989264 万亿焦耳。○ 据 2010 年《中国统 计年鉴》数据表明,化石燃料占一次能源的 86%,仍是目前能源消费的主体,但石油所占比 重连续 11 年下降。2010 年,在世界一次能源消费结构中,石油占 33.6%,天然气占 23.8%, 煤炭占 29.6%,核能占 5.2%,水电占 6.5%,可再生能源占 1.3%。石油仍是最主要的能源, 所占比重近几年连续下降, 但天然气的比重显著提高。 能源消费结构与各国的资源状况密切 2 相关。○ 2010 年世界煤炭探明储量及分布 美国 储量/亿吨 占有率/% 世界总量 2373 27.6 俄罗斯 1570 18.2 中国 1145 第四 13.3 8609 亿吨 2010 年世界石油探明储量及分布 中东 占有率/% 世界总量 55 亚太 3 非洲 10 欧洲和欧亚大陆 10 13832 亿桶 中南美 17 北美 5 第五 澳大利亚 印度

——《中国统计年鉴 》 (2010) ,有删减 虽然看似能源总量很大,但从近几年的发展趋势看,如果消费量按平均每年 3%的速度 递增,那么可以预计再过 100 多年它们就将全部消耗殆尽! 我们面临的不仅仅是资源的耗竭,还有能源利用带来的一系列问题,诸如环境污染、在 能源利用中利用率低的问题等。 这些是化学与能源带给我们便捷的同时, 而被我们忽视了的

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社科 1208 班

张学智

2012 年 10 月

后果。这就迫切要求人们开发和使用氢能、核能、风能和太阳能等新能源。这些能源的利用 与开发,不但可以解决化石能源面临耗尽的危机,还可以减少对环境的污染。 不过还好,令人欣慰的是,人类正在着手研究。人们正在大力开发绿色、可持续的化学 新能源,发展低碳经济,并努力提高能源的利用率。下面简单列举几种有前景的化学能源开 发案例: 1、科学家研究利用尿液和废水发电 ——绿色能源的一种方向 排尿是人体正常新陈代谢所需, 无可避免。 尽管这些尿液在多数人眼中只是无法利用的 废弃物,但在荷兰研究人员看来,尿液不仅是浇农作物的肥料,还可以是供给燃料电池的原 料,人们每次排尿之后能得到大约 300mL 的尿液,这可以使一个灯泡持续 2 个小时发光。 荷兰代尔夫特理工大学的赫里什克希·帕特尔教授日前向记者介绍说,利用尿液发电 的原理其实很简单,就是通过搜集尿液中的氨作为生物燃料来提供能源, “利用我们现在研 发的设备, 能够从尿液或者废水中得到氨, 然后设法实现高效的电化学反应来获得能源。 ○ ”3 在能源危机日益严重的今天,用尿液发电,确实是一件振奋人心的大事。 2、氢能源的应用——环境与能源双丰收 氢能源是当今世界最有潜力的新能源之一,它无污染,热值高,可循环制备。目前,氢 能源的应用已经逐步开始了。 氢是一种优质的能源载体,氢能燃料电池能够保证陆用、水用、航天及铁路交通工具足 够的行驶里程外,且比传统汽油、柴油内燃机车更环保。此外,氢能源在智能电网中也可起 到重要作用。澳大利亚墨尔本皇家墨尔本理工大学的两位学者对氢能在未来 21 世纪世界可 持续发展能源经济中的位置问题提出: 大都市地区应该以电网为依托, 根据当地可再生能源 和原料及地理位置的实际状况, 建造多层次、 多样化、 且相互支持的制氢、 储氢和输氢中心, 减轻氢输送管道的工作压力。 随着可再生能源制氢利用量的不断增加, 各国可通过大量储存 4 氢能保证国家和世界能源安全。○ 到那时, 人类就不必要担心能源使用带来的环境问题, 而致力于研究更佳的能源使用开 发,从而解决世界上的能源问题。 3、太阳能的使用——取之不尽,用之不竭 太阳光普照大地,没有地域的限制,无论陆地或海洋,无论高山或岛屿,处处皆有。每 年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿吨煤, 其总量属现今世界上可以开发的最 大能源。现代的太阳热能科技将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸气和电力。 太阳能发电是电化学的应用! 光——电直接转换方式是利用光电效应, 将太阳辐射能直 接转换成电能,从而被人类利用! 4、生物质能的利用——绿色可持续 生物质发电是利男人能用生物质能进行的发电, 是可再生能源发电的一种。 生物质能发 电方式包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发 电、沼气发电等。 中国是一个农业大国,生物质资源十分丰富,各种农作物每年产生秸秆 6 亿多吨,其中 可以作为能源使用的约 4 亿吨,全国林木总生物量约 190 亿吨,可获得量为 9 亿吨,可作为 能源利用的总量约为 3 亿吨。如加以有效利用,开发潜力将十分巨大,生物质能发电行业有 着广阔的发展前景。 最近几年来,国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参 与中国生物质发电产业的建设运营。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过 15 个,在 建项目 30 多个。可以看出,中国生物质发电产业的发展正在渐入佳境。 另外, 现在市场上存在的生物质能研发产品——乙醇汽油, 正是人类对生物质的有效利 用!

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张学智

2012 年 10 月

5、催化剂(酶)的研发 ——能源研发和高利用率的捷径 虽然催化剂不是能源, 但它在提高能源利用率方面显得至关重要! 催化剂是近代化学工 业的支柱,新型催化剂材料的开发与应用,能够极大的推动整个化学能源工业的发展。 2012 年 10 月 8 日,从大洋彼岸传来消息,由中国石油石油化工研究院兰州化工研究中 心申报的发明专利“一种选择性加氢催化剂(HPC)及其制备方法”获得美国专利授权。研 究院的科研人员大幅提升了催化剂的加氢选择性和抗杂质性能, 攻克了长期困扰本领域研究 5 者的技术难题。○ 对于大多数化学反应, 有无催化剂, 反应有着天上地下的区别! 研究和开发新的催化剂, 对于能源利用起着至关重要的作用!当然,我们更需要绿色催化剂!只有绿色的催化剂,才 符合 21 世纪乃至以后化学与能源发展的根本原则! 总之, 能源改变了人类的命运。 能源应用技术的发明和普及决定着人类社会的生产方式, 能源的大规模使用为人类享受高水平物质生活提供了重要基础。 各项相关研究方向切合当前的研究热点, 以绿色可持续新能源为研究对象, 并紧密联系 生产实际,研制、开发新型实用能源, 新型能源的开发, 是环境保护的需求, 也是保证国民经济与整个国家可持续发展的要求 而新能源的开发,离不开化学技术的发展。着眼于能源工业与化学工业的发展,其研究方向 具有广阔的发展前景与社会需求。

参考资料(节选,有删减) : 1 ○《化学与人类文明》浙江大学出版社 2001 版 王彦广 林峰 编 2 ○《中国统计年鉴》 (2010) 3 ○尿液发电( 《中国科学报》 (2012-10-11 A2 国际)) 4 ○氢能源(中国氢能源网—氢在未来可持续能源经济中的角色) 5 ○酶的研发(中化新网——选择性加氢催化剂及制备技术获美国专利 2012.10.9)


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