最干净的能源——氢

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所属分类:科学故事
摘要

虽然现在有了那么多种燃料,但是真正在燃烧时完全没有污染的燃料只有一种,那就是氢。正如我们在前面讲过的,煤炭石油等燃料都不是单质,它们燃烧时总会产生许多污染物,这些污染物无论用多么先进的技术处理,也不可能完全消除得干干净净。然而,氢的燃烧生成物只是水,没有其他物质生成,对环境没有任何污染。而且氢的热值高,每克液氢燃烧可产生120千焦耳的热量,是1克汽油燃烧放出的热量的2.8倍,其使用安全性也和汽油差不多。氢的储运性能好,使用也方便。其他各类能源都可以转化成以氢的方式进行储存、运输或直接燃烧使用。氢

  虽然现在有了那么多种燃料,但是真正在燃烧时完全没有污染的燃料只有一种,那就是氢。正如我们在前面讲过的,煤炭石油等燃料都不是单质,它们燃烧时总会产生许多污染物,这些污染物无论用多么先进的技术处理,也不可能完全消除得干干净净。然而,氢的燃烧生成物只是水,没有其他物质生成,对环境没有任何污染。而且氢的热值高,每克液氢燃烧可产生120千焦耳的热量,是1克汽油燃烧放出的热量的2.8倍,其使用安全性也和汽油差不多。氢的储运性能好,使用也方便。其他各类能源都可以转化成以氢的方式进行储存、运输或直接燃烧使用。氢可以说是未来最理想的燃料。

  氢是这样发现的。18世纪,瑞典一位名叫卡尔·舍勒的年轻药剂师,对化学很有兴趣,一天到晚孜孜不倦地实验。有一次,他把铁屑放进瓶子里,再倒进稀硫酸,结果瓶里冒出了气泡。他赶紧把插有玻璃导管的木塞往瓶口一塞,让气泡沿着管子往外走。然后,他为了看个仔细,把一支点燃的蜡烛靠近管口,不料,逃出的气泡居然着了火,舔出细长的浅蓝色火舌。

  最初,他只知道这种气体可以燃烧,并不知道它是什么,因此,他把这种气体叫做可燃空气。后来,人们发现可燃空气是所有气体中最轻的一种。我国最初把它叫做轻气,后来,统一命名后才叫它为氢气。

  当欧洲发现氧气以后,英国科学家亨利·卡文迪许又做了一个实验。他把氧气与氢气放在容器里混合,然后,一通电,电光一闪,两种气体在容器里爆炸开了,水珠儿接着一滴滴落了下来。一个重大发现产生了:通过放电可以使氢气和氧气结合成水,水是由氢、氧组成的。

  氢的特点是重量轻、可以燃烧,而且能量大得吓人。1977年11月19日,印度安得拉邦马德里斯海港外狂风怒吼,巨浪翻天,海面突然燃起大火,光耀几十千米,唬得人们瞠目结舌。后来才知道,那是由于强烈的飓风掠过海面,摩擦海水,引起高热,使海水分解出氢和氧,同时,飓风中的电荷使氢发生爆炸、燃烧,才引起一片火海。因此,氢是代替石油和煤炭的一种新能源,是十分理想的新燃料。

  氢作为能源,有其他能源无法比拟的优越性。氢燃烧产生的热量大约是等量的汽油或天然气燃烧产生的热量的3倍。氢燃烧后的产物是水,不污染环境,而且,还能循环使用。为此,氢被人们誉为天字第一号的干净燃料。近几年来,液态氢已被广泛地用作人造卫星和宇宙飞船的能源。科学家们预言,氢将是21世纪乃至更远时代的燃料。

  1990年5月份,在德国汉诺威工业展览会上,展出了一辆氢气轿车。这种轿车的油箱里容纳的氢气不太多,只能近距离行驶,长途行驶必须不断充氢气。专家们估计,这种轿车到21世纪,就可以正式启用,进入国际市场。

  氢活泼可爱,惹人们喜欢,但要制取氢,并不是容易的事情。

  科学家已经证明,水是由氢和氧组成。如果能从水中制取氢,氢将是一种价格便宜的能源。

  如何用水制造氢呢?最简单的办法是电解水,利用电能分解水,取得氢。用这种方法制氢,可以得到纯度99.99%的氢。电解水制氢的缺点是耗电量很高,生产1000克的氢,需要用60度左右的电,所以,并不合算,不能大量使用。

  也可利用太阳光直接加热分解水制取氢。这种方法是让水先“吃”些催化剂,水吃了催化剂,就听话多了,只要有阳光就能使水分解产生氢。从1978年以来,人们使用的催化剂已多到几百种。尽管如此,这种制氢方法还处在试验阶段,需要进一步改进和完善。

  太阳能电池有一种特性,一接触到太阳光,就会产生电。因此,人们利用太阳能电池直接分解水产生氢气,制氢率达到12%。这是一种很有前途的制氢方法。

  300多年前,有人把一根柳条插入一只装满泥土的木桶里。他除了浇水,什么肥料也不加。5年以后,柳条长大成树。人们奇怪,柳树靠什么长大?现在知道了,柳树和所有绿色植物的叶片中,有许多专门制造养料的叶绿体叶绿体靠内部的叶绿素和各种催化剂,在阳光照射下,吸收空气中的二氧化碳和土壤中的水分,制造满足自己生长的养料,同时还放出氧气,这是叶片的光合作用。

  1942年,科学家观察一些藻类的生长,发现减少二氧化碳的供应,绿藻在光合作用下停止放氧,转而生氢。现在已经找到16种绿藻有生氢的能力。这样,一种最有发展前途的制氢方法——生化制氢产生了。科学家已制成了用叶绿体制氢的装置,用1克叶绿素在1小时内可生产1升的氢气。

  贮藏氢,通常用钢筒。但是,氢的脾气暴躁,稍不小心,在氢中混入空气,溅入火花,它会像一颗炸弹那样发生爆炸,所以,钢筒贮氢既装不多,又不太安全。运输氢气,现在常用管道运送,费用省、运得远。不用氢气时,关闭出口,氢气停止前进,原地贮藏。

  科学家发现有些金属,如钛、镁等,能像海绵吸水一样将氢吸入储存起来,这种金属被称为储氢金属。用储氢金属储氢,不仅安全,而且还能根据需要随时将氢释放出来,大大方便了氢的储存和运送。

  氢的燃烧和使用有多种方法。直接燃烧是不理想的,因为直接燃烧会促使空气中的氮和氧化合成氮氧化物污染环境,而且容易发生回火现象,引起事故。现已设计制成了催化燃烧炉,用金属氧化物使氢得到催化燃烧,这样安全、没有污染、热效率高(比直接燃氢,利用率提高20%),这样的催化燃烧炉可用作炊具和室内取暖。

  以氢为燃料的动力装置如喷气发动机、涡轮发动机、燃气轮机等,目前仍处于研究试验阶段。它们运行起来噪音小、无污染、热效率高。

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