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關于國家潔凈能源實驗室“能源環境技術”研究開發之我見

吳迪鏞

      環境科學是一門綜合性、多學科的科學,涉及到大氣、海洋、生命、生態、能源等眾多領域,包涵了化學、物理、地質等更多的學科。就國家潔凈能源實驗室而言,我們應當更多關注能源環境治理技術開發與研究,更應當結合我所催化、化工、生物、檢測等方面技術基礎及優勢,開展工作。下面是本人一點見解,請大家指正。
      在能源種類已呈現多元化的今天,除化石能源外尚有潔凈的水能、風能、核能、太陽能、潮汐能、生物質能以及二次能源的氫能,但煤、石油、天然氣為主體的化石能源仍占85%~90%,能源總體結構尚沒有明顯變化。
      煤、石油、天然氣均由遠古時期的動、植物經億萬年地質變遷而形成,富含碳氫有機化合物及單質碳,伴生著含S、N、O的化合物以及Si、Al、Ca、Mg、Fe等的氧化物,還含有微量的重金屬和F、As、P等非金屬有害元素。
      從目前化石能源利用方式來看,仍以燃燒為主。燃燒過程中,碳和氫經反應生成CO2和H2O,并使燃料中蘊含的化學能轉化為熱能并進而可轉化為更高品位的能量。有害的S、N、F、As、P等均隨之轉化為氧化態的化合物—SOx、NOx、P2O5、As2O3, Al、Si、Ca、Mg及微量的重金屬則進入飛灰及殘渣。隨著化石能源大量燃燒利用,SOx、NOx的污染也隨之增加,目前來自化石燃料燃燒的SOx占大氣中總SOx的80%~90%; NOx占大氣中總NOx的40%~50%,并且燃燒產生的SOx、NOx相對集中,其危害比自然界產生SOx、NOx更大。SOx、NOx的大量排放使得當地大氣質量急劇惡化,在主要排放區形成酸雨,對人類生存環境和人類自身產生巨大的危害;對建筑物和各類設施腐蝕危害十分嚴重。燃料燃燒同時釋放大量溫室氣體CO2,其排放每年以數十億噸規模增加,使地球日益變暖,給氣候、生態環境帶來一系列災害性影響。
      而化石燃料非燃燒利用是指化石能源轉化成吃、住、用的各種原料及化學品。此過程中,主要有害物質則相應轉化為還原態化合物—H2S、有機硫及NH3、有機胺、HF、PH3、AsH3。這些有害物質對深加工過程的催化劑是有害的毒物,對設備腐蝕也很嚴重。
      化石能源開發利用引起的污染危害日益被人類所認識,各國都采取積極有效的措施加大對污染物的治理力度。近年來,世界SOx的排放量首次隨能源消耗量增加出現負增長,NOx的治理引起了人們的足夠重視,微量重金屬的治理也受到科學工作者關注。隨著1997年《京都議定書》的簽署生效,對CO2的減排治理也上升到了一個新的高度,目前引起溫室效應比CO2更嚴重的CH4、N2O、氟氯烴等,也受到更多關注。
      人類對環境污染物治理的目標有兩個:
      1)使污染物無害化,如:將NOx轉化為無害的氮化物—硝酸鹽和N2,SOx轉化為無害的硫化物—硫酸鹽和單質S,對CO2治理主要是將CO2固定化;
      2)力爭使污染物資源化,既將治理的產物,包括硝酸鹽、硫酸鹽、單質硫、CO2等加以化學和生物利用、回收過程中的能量,或產生新的可再生能源,使治理污染的同時產生經濟效益;不能被利用的CO2、鹽類可以深埋于海底和礦井。
      從能源環境治理技術研究開發看,應針對污染物濃度相對較低且多數非單一賦存的特性,為了提高治理效率,降低治理成本,我所研究人員可在下列幾方面開展工作。
      1、利用S、N化物和CO2的各種物理化學性能,采用吸收、吸附、膜分離等手段達到富集分離的目的,集中進行處理,以利進一步提高氧化還原反應的推動力,同時降低其它物種對氧化還原反應的干擾。
      2、利用高效催化劑或輔以等離子體、電子束、激光、微波、太陽能等各種外場的作用,降低反應活化能壘,從而降低反應溫度,提高反應速率同時提高目標產物的選擇性,進一步提高治理深度和精度。
      3、多種污染物反應耦合治理,以過程集成和技術集成為重點的集成治理技術的開發研究。
      4、更重要的將凈化純化技術與潔凈能源技術密切結合,形成閉路循環,將污染消除于系統中。
      5、研究開發更簡便,更快捷,高精度分析測試技術與深度凈化治理相結合。
      6、開展生物治理新進程的開發研究,與醫學工作者合作,研究單一和多種污染物對生態及人類健康的影響。
      7、設置能源環境評價體系,使之成為能源研究課題開題的一項必要內容。
      隨著社會的不斷進步,人類對生存環境、生存質量的要求越來越高,對環境污染更加重視,化學治理方法的研究開發將會向更高水平發展。未來,人類將生活在一個環境和諧,空氣清潔的地球上。
      以上設想一部分來自環境治理技術的國際趨勢,一部分來自本人研究心得,很可能因水平有限,眼界不廣,錯誤在所難免,懇請大家批評指正。
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