第六章-能源工程中的化學.ppt

1、2020年8月2日1時32分,第六章 能源工程中的化學（,了解能源利用和發(fā)展的形勢； 了解清潔能源和可再生能源的發(fā)展動態(tài)； 理解蓄電池的構成及其電化學原理； 熟悉化學在解決能源危機中的作用。,2020年8月2日1時32分,6.1 能源概論 6.2 化石能源的有效利用和清潔生產 6.3 蓄電池 6.4 可再生能源,2020年8月2日1時32分,6.1 能源概論,6.1.2能源的定義與分類: 能源是指可以從其中獲得能量的資源。 能源的分類: （一）地球外的太陽能、地球自身蘊藏的能量、地球和其他天體引力相互作用形成的能量（如潮汐能） （二）一次能源與二次能源、可再生能源與非再生能源、常規(guī)能源與新能源

2、 （三）燃料能源與非燃料能源 （四）清潔能源與非清潔能源,2020年8月2日1時32分,能源的分類,2020年8月2日1時32分,2020年8月2日1時32分,6.2 化石能源的有效利用和清潔生產,6.2.1化石燃料的定義、分類和組成,煤、石油、天然氣構成了化石燃料。,石油是許多性質不同的有機物的混合物，其中75以上是各種各樣的烴類，其他組分是含氧、氮、硫及含金屬的化合物。,天然氣的主要成分是甲烷。當甲烷的體積分數(shù)高于0.5，稱為干天然氣；降至0.5則稱為濕天然氣，“濕”表示這種天然氣中含有較多高沸點的容易液化的烴類。,2020年8月2日1時32分,煤是由有機物、無機物組成的一種混合物，主要成

3、分為碳和氫，也含有少量硫、氧、氮、灰分等。,由植物殘骸轉化的煤炭包括泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤等主要類型，隨著煤轉化程度的提高，其碳氫比依次增高，含氧量逐漸減少，熱值依次遞增。,煤的主要形成過程可由下式表示：,無煙煤,煙煤,褐煤,泥炭,植物,煤的結構復雜，雜質多，直接燃燒時不完全，熱效率低，而且煤的燃燒會產生硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和煙塵等氣體嚴重污染了人類生存的環(huán)境。,2020年8月2日1時32分,6.3 蓄電池（二次電池）,一次電池與二次電池,原電池的電極活性物質在氧化還原反應中不斷消耗，使化學能直接轉換成電能，放電后不能使電極活性物質復原，即它只能將化學能一次性地轉化為電能，

4、不能將電能還原回化學能，故又稱為一次電池或干電池,市售堿性電池、錳干電池等都是一次性電池。,蓄電池的電極活性物質經反應輸出電能后，可用充電的方法使活性物質復原而繼續(xù)使用，故又稱二次電池或可充電電池。所有蓄電池的電池反應均可逆。充電電池的充放電循環(huán)可達數(shù)千次到上萬次。,2020年8月2日1時32分,1、鎘鎳蓄電池的工作原理,鎘鎳電池是一種常見的二次堿性電池。,電池符號： () Cd | KOH(1. 19 1. 21 gcm3) | NiO(OH) | C(+),電極反應: 負極：Cd(s) + 2 OH (aq) = Cd(OH)2(s) + 2 e 正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H

5、2O + 2 e = Ni(OH)2(s) + 2 OH,電池特點： 鎘鎳電池的內部電阻小，電壓平穩(wěn)，反復充放電次數(shù)多，使用壽命長，且能夠在低溫環(huán)境下工作，常用于航天部門、電子計算器及便攜式家用電器的電源。,2020年8月2日1時32分,鎘鎳可充電電池,2020年8月2日1時32分,2、氫鎳蓄電池,氫鎳電池是進幾年開發(fā)出來的一種新電池，主要針對鎘鎳電池的鎘污染問題。,電池符號： () Ti-Ni | H2(p) | KOH( c ) | NiO(OH) | C(+),電極反應: 負極：H2(p) = H+(c) + 2e 正極：2 NiO(OH)(s) + 2 H2O + 2 e = Ni(O

6、H)2(s) + 2 OH,電池特點： 氫鎳電池由于材料無毒，無污染而被稱為綠色環(huán)保電池，電池電動勢約為1. 2V，循環(huán)壽命可以很長。,2020年8月2日1時32分,鎳氫電池構造,2020年8月2日1時32分,3、銀鋅蓄電池,鋅銀電池內阻小、放電功率大、電壓平穩(wěn)、電性能穩(wěn)定、使用安全可靠、比能量高(是鉛酸蓄電池的5倍，鎘鎳蓄電他的3倍)，因此多用于通信、激光武器、水中兵器、航空、航天、戰(zhàn)略核武器等軍事裝備，軍體器材遙控航模，新聞攝影和特殊電子儀器設備作配套電源。目前國內外已有多種不同結構特性的電池組正在各種軍事武器裝備上服役。,其工作原理為：,負極,正極,電池反應：,2020年8月2日1時32

7、分,4、鋰電池,鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質為負極的化學電源的總稱。迄今，正在研究或生產中的鋰電池約有20多種，現(xiàn)在常用的是鋰蓄電池，電池可以反復充放電，降低了使用成本和減少了處理一次電池的困難。 當鋰電極用碳電極代替時，便成了最新式的鋰離子蓄電池，電池中鋰離子源由氧化鈷鋰 (LiCoO2) 材料提供，而碳電極可以吸藏鋰離子生成鋰碳化合物(LiCx),850鋰電池及其保護電路,2020年8月2日1時32分,鋰離子電池的特點是：體積小，比能量高，單電池的輸出電壓高達 4. 2V。 鋰離子電池主要用于便攜式攝像機、液晶電視機、移動電話機和筆記本計算機等。 鋰離子電池以及銀鋅電池等與鉛電池相比，具

8、有重量輕、體積小、儲存能量大以及無污染等優(yōu)點，被稱為新一代無污染的綠色電池。,2020年8月2日1時32分,5燃料電池,電池符號： （-）CH2KOH(30%)O2C（+）,電極反應： （-） H2 + 2 OH- - 2 e- 2 H2O,（+） O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH,2 H2 + O2 2 H2O,每個電池可產生 1. 23V 的電壓。 優(yōu)點：生成物不污染環(huán)境，且熱能轉化率高（達 80% 左右）,電池反應：,2020年8月2日1時32分,電動汽車,燃料電池,2020年8月2日1時32分,6.4重要的新能源（可再生能源）,太陽能、風能、地熱、潮汐、核能,2020年8月

9、2日1時32分,圖4- 治理前的熱電廠,我國能源結構不合理，優(yōu)質能源比重太小。必須合理開發(fā)及進一步開發(fā)新能源，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 最有希望的清潔能源是氫能和太陽能,2020年8月2日1時32分,氫能的優(yōu)點 熱值高，其數(shù)值為 142. 9 MJkg1。 燃燒反應速率快，功率高 原料是水，取之不盡 產物是水，對環(huán)境無任何影響,思考：用氫作能源目前還存在一些問題，你認為是哪些方面的問題？,1. 氫能,2020年8月2日1時32分,太陽能光解,電解,作為氯堿工業(yè)的副產品，是目前工業(yè)氫氣的制備方法。,思考：用電解的方法大規(guī)模制取用作能源的氫氣可行嗎？,從經濟上考慮是不可行的。,利用太陽光的能量電解水得到氫氣，正在研究中。,(1) 氫氣的制取(經濟問題),2020年8月2日1時32分,(2) 氫氣的貯存和運輸(安全高效),2020年8月2日1時32分,2. 光轉變?yōu)殡娔?2020年8月2日1時32分,風力發(fā)電,2020年8月2日1時32分,地熱,2020年8月2日1時32分,核裂變反應 在中子的轟擊作用下，較重原子核分裂成輕原子核的反應稱為核裂變反應。,該反應損失質量m = 0. 2118 gmol，能量變化為：,此能量相當于 634. 5噸標準煤完全燃燒所釋放的能量。,* 核能,2020年8月2日1時32分,核 電,2020年8月2日1時32分,對于能源，不僅需要開發(fā)，而且需要節(jié)