無污染汽車及光化學(xué)煙霧

【專家解說】：光化學(xué)煙霧 汽車、工廠等污染源排入大氣的碳?xì)浠衔?CxHy)和氮氧化物(NOx)等一次污染物，在陽(yáng)光的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧(O3)、醛、酮、酸、過氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物，參與光化學(xué)反應(yīng)過程的一次污染物和二次污染物的混合物所形成的煙霧污染現(xiàn)象叫做光化學(xué)煙霧。 20世紀(jì)40年代，在美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯首先發(fā)現(xiàn)了光化學(xué)煙霧。1951年A.J.哈根最先指出臭氧是氮氧化物、碳?xì)浠衔锖涂諝獾幕旌衔锿ㄟ^光化學(xué)反應(yīng)生成的。以后F. W. 溫特發(fā)現(xiàn)臭氧與不飽和烴(如汽車廢氣中的烴類)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物跟洛杉磯煙霧有相同的傷害效應(yīng)。形成臭氧的活性有機(jī)物和氮氧化物的主要來源是汽車排放的尾氣。 通過對(duì)光化學(xué)煙霧形成的模擬實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)初步明確在碳?xì)浠衔锖偷趸锏南嗷プ饔梅矫嬷饕幸韵逻^程: 1、污染空氣中NO2的光解是光化學(xué)煙霧形成的起始反應(yīng)。 化學(xué)式: NO2==NO+O(條件為光照) O+O2==O3 2NO+O2==2NO2 分析: 2NO2(排放的)==2NO[(3)式中有用)]+2O[(2)式中有用)](條件為光照) 2O[(1)式中的O]+2O2(空氣中的)==2O3(刺激性氣體) 2NO[(1)式中的NO]+O2==2NO2(生成NO2，開始繼續(xù)反應(yīng)) 綜合一下: 3O2==2O3(光照，NO2) 2、碳?xì)浠衔锉籋O、O等具有極強(qiáng)反應(yīng)活性的自由基和有強(qiáng)氧化性的臭氧氧化，導(dǎo)致醛、酮、醇、酸等產(chǎn)物以及重要的中間產(chǎn)物RO2、HO2、RCO等自由基的生成。 3、過氧自由基引起NO向NO2的轉(zhuǎn)化，并導(dǎo)致O3和PAN等的生成。 光化學(xué)反應(yīng)中生成的臭氧、醛、酮、醇、PAN等統(tǒng)稱為光化學(xué)氧化劑，以臭氧為代表，所以光化學(xué)煙霧污染的標(biāo)志是臭氧濃度的升高。 無污染汽車 無污染汽車主要是指燃料燃燒的產(chǎn)物無污染，所以現(xiàn)在嚴(yán)格意義上的無污染汽車主要有兩種，及電動(dòng)汽車和氫燃料汽車 氫能汽車是以氫為主要能量作為移動(dòng)的汽車。一般的內(nèi)燃機(jī)，通常注入柴油或汽油，氫汽車則改為使用氣體氫。燃料電池和電動(dòng)機(jī)會(huì)取代一般的引擎，即氫燃料電池的原理是把氫輸入燃料電池中，氫原子的電子被質(zhì)子交換膜阻隔，通過外電路從負(fù)極傳導(dǎo)到正極，成為電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);質(zhì)子卻可以通過質(zhì)子交換膜與氧化合為純凈的水霧排出。這樣有效減少了其他燃油的汽車造成的空氣污染問題，高速車輛、巴士、潛水艇和火箭已經(jīng)在不同形式使用氫。另一方面能源從來都是個(gè)問題，近年來，國(guó)際上以氫為燃料的“燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)”技術(shù)取得重大突破，而“燃料電池汽車”已成為推動(dòng)“氫經(jīng)濟(jì)”的發(fā)動(dòng)機(jī)。 用氫氣作燃料有許多優(yōu)點(diǎn)，首先是干凈衛(wèi)生，氫氣燃燒后的產(chǎn)物是水，不會(huì)污染環(huán)境，其次是氫氣在燃燒時(shí)比汽油的發(fā)熱量高。在1965年，外國(guó)的科學(xué)家們就已設(shè)計(jì)出了能在馬路上行駛的氫能汽車。我國(guó)也在1980年成功地造出了第一輛氫能汽車，可乘坐12人，貯存氫材料90公斤。氫能汽車行車路遠(yuǎn)，使用的壽命長(zhǎng)，最大的優(yōu)點(diǎn)是不污染環(huán)境。 氫是可以取代石油的燃料，其燃燒產(chǎn)物是水和少量氮氧化合物，對(duì)空氣污染很少。氫氣可以從電解水、煤的氣化中大量制取，而且不需要對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大的改裝，因此氫能汽車具有廣闊的應(yīng)用前景。推廣氫能汽車需要解決三個(gè)技術(shù)問題:大量制取廉價(jià)氫氣的方法，傳統(tǒng)的電解方法價(jià)格昂貴，且耗費(fèi)其他資源，無法推廣;解決氫氣的安全儲(chǔ)運(yùn)問題;解決汽車所需的高性能、廉價(jià)的氫供給系統(tǒng)。目前常見的供給系統(tǒng)有三種，氣管定時(shí)噴射式、低壓缸內(nèi)噴射式和高壓缸內(nèi)噴射式。隨著儲(chǔ)氫材料的研究進(jìn)展，可以為氫能汽車開辟全新的途徑。而最近，科學(xué)家們研制的高效率氫燃料電池，更減小了氫氣損失和熱量散失。 【原理】 眾所周知，氫分子通過燃燒與氧分子結(jié)合產(chǎn)生熱能和水。氫燃料電池通過液態(tài)氫與空氣中的氧結(jié)合而發(fā)電，根據(jù)此原理而制成的氫燃料電池可以發(fā)電用來推動(dòng)汽車，提供家庭或工業(yè)用電或作為手機(jī)電池。一原理說起來很簡(jiǎn)單，但具體分析的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)提煉氫燃料的過程非常復(fù)雜，而且能耗也非常高。 【氫內(nèi)燃】 氫內(nèi)燃車和氫燃料電池車不同。氫內(nèi)燃車是傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)車的帶小量改動(dòng)的版本。氫內(nèi)燃直接燃燒氫，不使用其他燃料或產(chǎn)生水蒸氣排出。這些車的問題是氫燃料很快耗盡。載滿氫氣的油缸只能行駛數(shù)英里，很快便沒能量。另一方面，各色各樣的方法正在研究以減少耗用的空間，例如用液態(tài)氫或氫化物。 1807年Isaac de Rivas制造了首輛氫內(nèi)燃車。可惜該設(shè)計(jì)甚不成功。寶馬的氫內(nèi)燃車有更多的力量，比氫燃料電池車更快。寶馬的氫汽車以三百公里每小時(shí)創(chuàng)下了氫汽車的最高速記錄。萬事達(dá)已在開發(fā)燒氫的轉(zhuǎn)子引擎。該轉(zhuǎn)子引擎反覆轉(zhuǎn)動(dòng)，故氫從開口在引擎內(nèi)的不同部分燃燒，減少突然爆炸這個(gè)氫燃料活塞引擎的問題。 日本武藏工業(yè)大學(xué)1990年在第八屆世界氫能會(huì)議上展出了一部使用液氫儲(chǔ)罐的燃?xì)滢I車。它由NISSAN車改裝，使用一個(gè)容積100L，總重60kg的液氫罐，可以100km/h行駛，排放廢氣中無CO2。中國(guó)研制的燃用氫、汽油混合燃料的城市節(jié)能公共汽車正進(jìn)行試驗(yàn)。 其他重要汽車生產(chǎn)商如通用汽車和DaimlerChrysler公司，投資在較慢較弱但較有效的氫燃料電池。 【儲(chǔ)氫方法與材料】 傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶(氫氣瓶)來儲(chǔ)存氫氣，但鋼瓶?jī)?chǔ)存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險(xiǎn);另一種方法是儲(chǔ)存液態(tài)氫，但液體儲(chǔ)存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來隔熱。近年來，一種新型簡(jiǎn)便的儲(chǔ)氫方法應(yīng)運(yùn)而生，即利用儲(chǔ)氫合金(金屬氫化物)來儲(chǔ)存氫氣。 研究證明，在一定的溫度和壓力條件下，一些金屬能夠大量“吸收”氫氣，反應(yīng)生成金屬氫化物，同時(shí)放出熱量。其后，將這些金屬氫化物加熱，它們又會(huì)分解，將儲(chǔ)存在其中的氫釋放出來。這些會(huì)“吸收”氫氣的金屬，稱為儲(chǔ)氫合金。其儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)。單位體積儲(chǔ)氫的密度，是相同溫度、壓力條件下氣態(tài)氫的1000倍，也即相當(dāng)于儲(chǔ)存了1000個(gè)大氣壓的高壓氫氣。儲(chǔ)氫合金都是固體，需要用氫時(shí)通過加熱或減壓使儲(chǔ)存于其中的氫釋放出來，因此是一種極其簡(jiǎn)便易行的理想儲(chǔ)氫方法。目前研究發(fā)展中的儲(chǔ)氫合金，主要有鈦系儲(chǔ)氫合金、鋯系儲(chǔ)氫合金、鐵系儲(chǔ)氫合金及稀土系儲(chǔ)氫合金。 儲(chǔ)氫合金還有將儲(chǔ)氫過程中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或熱能的能量轉(zhuǎn)換功能。儲(chǔ)氫合金在吸氫時(shí)放熱，在放氫時(shí)吸熱，利用這種放熱-吸熱循環(huán)，可進(jìn)行熱的儲(chǔ)存和傳輸，制造制冷或采暖設(shè)備。此外它還可以用于提純和回收氫氣，它可將氫氣提純到很高的純度。例如，采用儲(chǔ)氫合金，可以以很低的成本獲得純度高于99.9999%的超純氫。 儲(chǔ)氫合金的飛速發(fā)展，給氫氣的利用開辟了一條廣闊的道路。目前中國(guó)已研制成功了一種氫能汽車，它使用儲(chǔ)氫材料90千克，可行駛40千米，時(shí)速超過50千米。今后，不但汽車會(huì)采用燃料電池，飛機(jī)、艦艇、宇宙飛船等運(yùn)載工具也將使用燃料電池，作為其主要或輔助能源。另外由于大量使用的鎳鎘電池(Ni-Cd)中的鎘有毒，使廢電池處理復(fù)雜，環(huán)境受到污染。鎳氫電池與鎳鎘電池相比，具有容量大、安全無毒和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)展用儲(chǔ)氫合金制造的鎳氫電池(Ni-MH)，也是未來儲(chǔ)氫材料應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。 【氫燃料電池】 現(xiàn)在可以使用的主要有這樣幾種: 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 1980年研制成功，在650攝氏度下工作，把熔融碳酸鹽作為電解質(zhì)，把送到正極的二氧化碳作為離子載體。不需要催化劑，而且可以使用天然氣等其他氣體燃料。但是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 固體氧化物燃料電池(SOFC) 1980年研制成功，電解質(zhì)為含有氧化鋯等成分的固體陶瓷材料。工作在800~1000攝氏度的高溫，離子可以通過陶瓷材料。不需要鉑等催化劑。也可以使用其他氣體燃料，啟動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)。 磷酸燃料電池(PAFC) 1967年研制成功，工作溫度接近200度，需要催化劑，電解質(zhì)為磷酸水溶液，在飯店和醫(yī)院使用較多。 固體高分子燃料電池(PEFC) 目前投入研究力量最大的電池，電解質(zhì)為高分子樹脂薄膜，可以實(shí)現(xiàn)小型化。工作溫度在100度以下，但是需要催化劑。也可以使用甲醇。啟動(dòng)時(shí)間也最短。 〖?xì)淙剂想姵氐难芯繗v史〗 1960年代后期，Roger E. Billings制造了燃料電池的原型。在燃料電池氫汽車的發(fā)展主要有三個(gè)障礙。 首先，氫的密度很低，就算燃料以液態(tài)形式儲(chǔ)存在低溫瓶或壓縮氣體瓶，在那些空間能夠儲(chǔ)存的能量十分有限，而氫汽車比起其他汽車就十分受限。有些研究已經(jīng)用特別結(jié)晶體來儲(chǔ)存氫在較高密度的環(huán)境中，而且更安全。 另外一種方法是不儲(chǔ)存氫分子，而使用氫重組器來從傳統(tǒng)燃料如甲烷、汽油和乙醇，提取氫。很多環(huán)保分子對(duì)此想法不感興趣，因?yàn)樗蕾嚵嘶剂??？墒牵@是有效的重組程序。使用重組過的汽油或乙醇來推動(dòng)燃料電池，仍比使用內(nèi)燃引擎來得有效。 其次，制造在氫汽車提供電力可靠燃料電池，耗資頗高?？茖W(xué)家努力研究令燃料電池的成本盡量便宜，同時(shí)又有足夠硬度以抵受撞擊和震動(dòng)這些汽車的基本問題。燃料電池的設(shè)計(jì)大都脆弱，故不能在那些情況下保存。加上很多設(shè)計(jì)都需要稀有物如鉑作為加速劑，令工作更順暢，而加速劑可能污染氫的純凈度，不利氫的提供。 第三個(gè)問題是氫可作為能量的攜帶者而非能源。它必須從化石燃料或其他能源提取，因此引起能量的流失(因?yàn)閺钠渌茉吹綒溆只氐侥芰康霓D(zhuǎn)換并非百分百有效)。因?yàn)槿魏文茉炊加腥秉c(diǎn)，轉(zhuǎn)換到氫會(huì)引起關(guān)于如何產(chǎn)生這種能源的政治決定。 最近有方法成功直接從太陽(yáng)和水，透過金屬的催化劑，產(chǎn)生了氫。這或能使從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)成氫有一個(gè)便宜、直接、清潔的途徑。 電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)是:它本身不排放污染大氣的有害氣體，即使按所耗電量換算為發(fā)電廠的排放，除硫和微粒外，其它污染物也顯著減少，由于電廠大多建于遠(yuǎn)離人口密集的城市，對(duì)人類傷害較少，而且電廠是固定不動(dòng)的，集中的排放，清除各種有害排放物較容易，也已有了相關(guān)技術(shù)。由于電力可以從多種一次能源獲得，如煤、核能、水力、風(fēng)力等，解除人們對(duì)石油資源日見枯竭的擔(dān)心。電動(dòng)汽車還可以充分利用晚間用電低谷時(shí)富余的電力充電，使發(fā)電設(shè)備日夜都能充分利用，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益。有關(guān)研究表明，同樣的原油經(jīng)過粗煉，送至電廠發(fā)電，經(jīng)充入電池，再由電池驅(qū)動(dòng)汽車，其能量利用效率比經(jīng)過精煉變?yōu)槠?，再?jīng)汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車高，因此有利于節(jié)約能源和減少二氧化碳的排量，正是這些優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)汽車的研究和應(yīng)用成為汽車工業(yè)的一個(gè)“熱點(diǎn)”。 電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的首要關(guān)鍵，汽車動(dòng)力電池難在 “低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三個(gè)要求上。要想在較大范圍內(nèi)應(yīng)用電動(dòng)汽車，要依靠先進(jìn)的蓄電池經(jīng)過10多年的篩選，現(xiàn)在普遍看好的氫鎳電池，鐵電池，鋰離子和鋰聚合物電池。氫鎳電池單位重量?jī)?chǔ)存能量比鉛酸電池多一倍，其它性能也都優(yōu)于鉛酸電池。但目前價(jià)格為鉛酸電池的4-5倍，正在大力攻關(guān)讓它降下來。鐵電池采用的是資源豐富、價(jià)格低廉的鐵元素材料，成本得到大幅度降低，也有廠家采用。鋰是最輕、化學(xué)特性十分活潑的金屬，鋰離子電池單位重量?jī)?chǔ)能為鉛酸電池的3倍，鋰聚合物電池為4倍，而且鋰資源較豐富，價(jià)格也不很貴，是很有希望的電池。我國(guó)在鎳氫電池和鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面均取得了快速的發(fā)展。電動(dòng)汽車其他有關(guān)的技術(shù)，近年都有巨大的進(jìn)步，如:交流感應(yīng)電機(jī)及其控制，稀土永磁無刷電機(jī)及其控制，電池和整車能量管理系統(tǒng)，智能及快速充電技術(shù)，低阻力輪胎，輕量和低風(fēng)阻車身，制動(dòng)能量回收等等，這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)汽車日見完善和走向?qū)嵱没Ｎ覈?guó)大城市的大氣污染已不能忽視，汽車排放是主要污染源之一，我國(guó)已有10個(gè)城市被列入全球大氣污染最嚴(yán)重的20個(gè)城市之中。我國(guó)現(xiàn)今人均汽車是每1000人平均10輛汽車，但石油資源不足，每年已進(jìn)口幾千萬噸石油，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，假如中國(guó)人均汽車持有量達(dá)到現(xiàn)在全球水平---每1000人有110輛汽車，我國(guó)汽車持有量將成10倍地增加，石油進(jìn)口就成為大問題。因此在我國(guó)研究發(fā)展電動(dòng)汽車不是一個(gè)臨時(shí)的短期措施，而是意義重大的、長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考慮。