Уголь как источник энергии

1. I. Энергия и транспорт • I.1. Источники энергии • Уголь как источник энергии • В США уголь заменил древесину в качестве основного источника энергии к началу 1890-х гг. Первая электростанция на угольном топливе была построена в 1882 г. В ней водяной пар подавался в генератор, который вырабатывал электричество. В 1884 г. Чарлз Парсонс разработал более эффективную высокоскоростную паровую турбину. В началу 1920-х гг. на электростанциях начали использовать угольную пыль, что повысило эффективность горения и снизило потребление воздуха. Разработанная в 1940 г. печь циклонного типа позволила использовать менее качественный уголь, она также давала меньше золы. Недавно химики-технологи разработали процесс сжигания необогащенного мелкого антрацита, который образуется в виде отхода при добыче угля. Это позволило производить энергию с меньшим воздействием на окружающую среду. Чарлз Парсон Паровая турбина Парсона (1907) Разведка нефтяных месторождений и добыча нефти В 1901 г. было открыто богатое нефтяное месторождение Спиндлтоп в Техасе. В эти же годы начало развиваться автомобилестроение. В результате нефть начала играть все более важную роль в качестве источника энергии, и к 1951 году она заняла первое место, вытеснив доминировавший до этого уголь. Непрерывно совершенствовалась химическая технология переработки сырой нефти и выделения из нее отдельных фракций. Вначале нефть просто перегоняли при атмосферном давлении. Затем появилась вакуумная перегонка при пониженном давлении. Наконец, были разработаны методы термического крекинга с использованием катализаторов. Особенно важна была роль химии в разработке методов добычи нефти. Были созданы алмазные буровые головки, буровые растворы, методы выделения нефти из сланцев с использованием химических реагентов и водяного пара. Для вторичного извлечения нефти из скважин в них закачивается под большим давлением газ (диоксид углерода) или водные растворы. Ядерная энергия Первый ядерный реактор был сконструирован в военных целях в 1942 году. Применение ядерной энергии в мирных целях, в том числе для производства электроэнергии, началось в 1951 г., когда президент США Д.Эйзенхауэр объявил о программе ｫAtomsforPeaceｻ. С тех пор химия играла в этой программе ключевую роль. С помощью химических методов производятся радиоактивные материалы, служащие топливам в ядерных реакторах; изготавливаются регулирующие стержни для реакторов, ограничивающие поток нейтронов из делящегося материала; осуществляется удаление и переработка радиоактивных отходов; принимаются меры по защите окружающей среды; сводится к минимуму вредное воздействие радиоактивного излучения на человеческий организм. Альтернативные источники энергии Экологически чистые методы производства энергии – ветряные установки, гидроэлектростанции, геотермальные станции дают менее одного процента электроэнергии, вырабатываемой всеми электростанциями в мире. Однако альтернативные источники играют все более важную роль с точки зрения их экономичности и доступности. И здесь химия принимает самое активное участие в разработке современных технологий и материалов: солнечных панелей, вырабатывающих тепло и электричество; легких пропеллеров для ветрогенераторов из углеволокна; улучшенных сортов бетона и прочных металлических турбин для гидроэлектростанций; коррозионноустойчивых материалов для геотермальных станций.

2. I. Энергия и транспорт I.2 Хранение электроэнергии и портативные источники питания Одноразовые элементы В конце XVIII века Алессандро Вольта изобрел источник постоянного электрического тока. Дальнейшее усовершенствование гальванических элементов было невозможно без участия химиков. В 1890 г. был усовершенствован элемент Лекланше с жидким электролитом и создана угольно-цинковая сухая батарея. Такие батарейки выпускались промышленностью в огромных количествах для карманных фонарей, и до сих пор они находят применение. В 1949 г. была разработана щелочная активная масса, позволившая увеличить срок службы и уменьшить размеры гальванических элементов. Такие щелочные ｫбатарейкиｻбыстро нашли применение в качестве источников питания для различных портативных электронных приборов, в том числе транзисторных радиоприемников, и фотоаппаратов. В дальнейшем были разработаны еще более совершенные окисносеребряные, ртутнооксидные и литиевые гальванические элементы. Угольно-цинковая сухая батарея Современные аккумуляторы и принцип их работы Аккумуляторы В 1859 г. был изготовлен первый промышленный свинцово-кислотный перезаряжаемый аккумулятор. В нем электричество вырабатывалось с помощью контролируемой химической реакции. Этот аккумулятор был усовершенствован в 1881 г., и затем его характеристики непрерывно улучшались. В настоящее время в легковых и грузовых автомобилях используются почти исключительно свинцовые аккумуляторы с серной кислотой. Разработанные в 1899 г. никель-кадмиевые аккумуляторы слишком дороги, чтобы конкурировать со свинцовыми. Современные разработки сконцентрированы на литиевых аккумуляторах. Попытки использования таких аккумуляторов в 1980-у гг. не увенчались успехом, однако в настоящее время они применяются повсеместно, особенно в мобильных телефонах и ноутбуках.

3. I. Энергия и транспорт I.3. Материалы для строительства дорог и мостов Бетон В 1950-х гг. в США была развернута большая федеральная программа по строительству дорог и мостов. Для ее осуществления совершенно необходимо было иметь прочный бетон, рассчитанный на длительную эксплуатацию. Портландцемент впервые появился в 1824 г. В смеси с водой он медленно затвердевает в результате протекания сложной химической реакции, в ходе которой цементная паста заполняет пустоты между различными твердыми частицами, упрочняющими смесь. В 1877 г. француз Жозеф Монье запатентовал железобетон. Прочность бетона и длительность его службы зависят от тщательного выдерживании технологии в процессе производства цемента. Введение различных химических соединений в бетонную смесь позволяет уменьшить усадку при затвердевании бетона и повысить его коррозионную стойкость. Асфальт Широкое применение при строительстве дорог находит асфальт. Он недорог и имеет хорошие эксплуатационные свойства. Залежи природного асфальта были обнаружены в 1595 году, но только в 1902 году его стали смешивать с каменноугольной смолой и использовать эту смесь для дорожных покрытий. Вскоре природный асфальт в дорожном строительстве был заменен битумом – твердым или полужидким остатком, который образуется при переработке нефти. Недавно к битуму начали добавлять синтетические полимеры; это позволило улучшить качество покрытия и увеличить сpоk его службы. Последн им достижением в этой области является так называемый ｫсуперпейвｻ(английсkoe слово Superpave – сокращение от SuperiorPerformingAsphaltPavements, то есть асфальтовое покрытие с самыми лучшими характеристиками). Такой ｫсуперасфальтｻвыдерживает большие нагрузки и неблагоприятные погодные условия. Металлы и сплавы Основной конструкционный материал при сооружении моста – сталь. Этому способствует сравнительно небольшой вес стальных изделий, их прочность, длительный срок эксплуатации, простота строительства и технического обслуживания, низкая цена сборки, устойчивость в случае природных катастроф, например, землетрясений. В 1990-е годы начали использовать новые сорта высококачественной стали с повышенной прочностью и устойчивостью к коррозии. Для предохранения от коррозии стальных конструкций мостов используется также их металлизация. При этой технологии на чистую стальную поверхность напыляется тонкий слой алюминия или цинка, которые образуют защитное покрытие, служащее в течение 30 лет. Технологии для технического обслуживания и ремонта Вся дорожная инфраструктура должна поддерживаться в хорошем состоянии в течение длительного времени при любой погоде. Инновации в области материалов и обслуживания позволяют увеличить интервалы между ремонтом дорожного покрытия. Для этого используются специальные герметики для бетона, асфальта и стальных конструкций. Другие вещества, в том числе полимерные, служат в качестве связующих добавок, улучшающих эксплуатационные характеристики асфальтового покрытия дорог. Например, к асфальту добавляется сополимер стирола и бутадиена, в котором чередуются блоки полистирола и полибутадиена. Такая добавка уменьшает растрескивание асфальта и образование на нем колеи от колес проезжающих автомобилей.

4. I. Энергия и транспорт I.4. Топливо – продукт переработки нефти Получение бензина из сырой нефти Одна из важных задач нефтехимической промышленности – увеличить количество бензина, получаемого из сырой нефти. Когда-то инженеры-нефтяники просто нагревали тяжелые нефтяные фракции. При этом содержащиеся в них большие молекулы углеводородов расщеплялись на меньшие по размеру, которые и должны быть в бензине. Этот процесс, введенный в эксплуатацию в 1913 г., называется термическим крекингом. Однако при высоких температурах образуются также нежелательные продукты, поэтому с 1928 г. стали использовать вакуумную дистилляцию, которая идет при более низких температурах. В 1936 г. Юджин Гудри разработал процесс, в котором для крекинга вместо высоких температур используется инертный катализатор (каталитический крекинг). веденный в 1937 г. в промышленном масштабе, этот процесс быстро произвел настоящую революцию в производстве бензина. Нефтеперерабатывающий завод. Присадки к топливу Первые автомобильные двигатели ｫстучалиｻ, то есть работали с детонацией, что было связано с низким качеством бензина. С 1921 г. в бензин стали добавлять тетраэтилсвинец. Двигатели сразу стали работать лучше и тише. К 1926 году была введена в практику оценка качества топлива по октановому числу, которое характеризует возможности сжатия бензиново-воздушной смеси в цилиндре. Однако ядовитость этилированного бензина привела к его запрету в 70-е гг. В настоящее время к бензину добавляют небольшие количества различных реагентов – спиртов и простых эфиров для повышения октанового числа, антиокислительные присадки для повышения эффективности двигателя, детергенты для снижения трения и износа и увеличения срока эксплуатации двигателя. В ряде географических регионов используются специальные сезонные добавки, такие как метанол, предотвращающий замерзание топлива в магистралях в сильные морозы. Каталитические конвертеры В 1975 г. на автомобилях начали устанавливать двухступенчатые каталитические конвертеры, снижающие содержание в выхлопе монооксида углерода (угарного газа) и несгоревших углеводородов в выхлопе. Вскоре конвертеры стали трехступенчатыми, они удаляли из выхлопа также оксиды азота. В каталитических конвертерах происходят последовательно химические реакции на поверхности металлического катализатора, обычно платины. При этом оксиды азота превращаются в газообразные азот и кислород, монооксид углерода – в диоксид (углекислый газ), а несгоревшие остатки углеводородов окисляются до воды и углекислого газа. Трехступенчатый каталитический конвертер

5. I. Энергия и транспорт I.5. Автомобили Удобные, комфортные и безопасные материалы с улучшенными свойствами Автомобиль XXI века очень мало похож на своих первых предшественников и по своей конструкции, и по предоставляемому комфорту для водителя и пассажиров, и по своей безопасности. Очень яркие газоразрядные лампы в современных фарах дают максимальную освещенность дороги в ночное время. Использование современных материалов и покрытий значительно снизило ущерб от коррозии. Охлаждающие двигатель реагенты циркулируют в замкнутых контурах. В 1914 г. в автомобилях появились небьющиеся безосколочные стекла. Сейчас стекла автомобилей покрывают специальными полимерами, которые позволяют уменьшить вес стекол, снизить внешние шумы, защитить газа от слепящего света ночью и ультрафиолетового облучения днем. С 1960-х гг. обязательными стали ремни безопасности, армированные полимерными волокнами, а с 1996 г. – подушки безопасности. Пластмассовые детали Достижения химии позволили заменить многие металлические детали в автомобиле пластмассовыми и тем самым снизить его вес; с той же целью постоянно разрабатываются новые материалы с высокими эксплуатационными показателями. После Второй мировой войны производители автомобилей при изготовлении жестких элементов конструкции начали применять синтетические полимеры – продукты нефтехимической промышленности благодаря их прочности, твердости, устойчивости к атмосферным воздействиям. После энергетического кризиса 1970-х гг. начались поиски более легких материалов, которые могли бы заменить металл, снизить вес автомобиля и таким образом уменьшить расход топлива. Изменился и дизайн автомобиля: появились кузова сложной формы, изготовленные методом литья под давлением, бамперы из термопластиков, не выцветающие на свету и устойчивые к ультрафиолету полипропиленовые волокна, а также специальные красители, покрытия и клеящие материалы. Полипропиленовые волокна Технология производства шин В начале XIX в. появились изделия из природного каучука. Однако они были непрактичными: при жаре размягчались, а в холодную погоду становились ломкими. В 1839 г. американский изобретатель Чарльз Гудьир разработал процесс вулканизации природного каучука. В ходе этого процесса сера связывает друг с другом ненасыщенные молекулы каучука. Это процесс в своей основе используется до сих пор; при этом в исходную смесь вводят специальные ускорители вулканизации и стабилизаторы резины. К 1945 г. было налажено промышленное производство синтетического каучука. Поскольку шин требовалось все больше и больше, непрерывно велись работы по их усовершенствованию. Так, первые литые шины были заменены резиновой камерой. В шину для повышения прочности вводят кордную ткань из натуральных или синтетических волокон. Для уменьшения износа резины в нее добавляют специальные наполнители. Наконец, в последние годы появились бескамерные шины.

6. I. Энергия и транспорт I.6. Авиация и воздухоплавание Тепловые воздушные шары – монгольфьеры В 1783 г. человек впервые поднялся в воздух на воздушном шаре, который был наполнен горячим воздухом, нагретым открытым пламенем. С тех пор воздушные шары изменились неузнаваемо. Сначала горячий воздух заменили на водород, и шаром стало легче управлять. В настоящее время полеты на тепловых аэростатах стали популярным видом спорта; только в США им увлекаются более пяти тысяч человек. Химики для таких шаров создали недорогую долговечную и теплостойкую найлоновую ткань. Воздух в таком шаре нагревается горелкой, газ в которую подается из баллона со сжиженным пропаном. . Гелий для воздухоплавания Хотя дирижабли имеют жесткую конструкцию, наполнение их горючим водородом всегда создает угрозу безопасности, как показал сгоревший в 1937 г. ｫГинденбургｻ. В 1905 г. два химика обнаружили природный гелий, выделяющийся из газовой скважины в Канзасе. Содержание этого редкого элемента в газовой смеси неожиданно оказалось очень высоким. В течение Первой мировой войны методами химической технологии из смеси было выделено большое количество гелия, который транспортировали в места его хранения. Во время Второй мировой войны наполненные гелием дирижабли благополучно сопровождали войска и морские транспорты вблизи подводных лодок. В 1950-е гг. гелий стали применять при монтаже ракет для создания инертной атмосферы в зоне сварки, а также как газ-вытеснитель для перемещения топлива в ракетный двигатель Катастрофа с Гиндербургом (1937) Ракетное топливо Проникновение человека в космос – замечательный пример достижений инженерной мысли, начиная с первых запусков ракет в 1920-х гг. Далее последовали запуски спутников связи в 1950-х и полеты космических кораблей многоразового использования – ｫкосмических челноковｻ. Для успешного полета в космос необходимы былиракеты с мощной реактивной тягой, способной преодолеть земную гравитацию. Первая ракета, запущенная в 1926 г., работала на жидком топливе – бензине, а окислителем служил жидкий кислород. В дальнейшем были испытаны разные типы жидкого и твердого топлива и разные окислители. Для ｫШаттлаｻтопливом служит жидкий водород, а выводящие его на орбиту двигатели работают на твердом топливе – алюминии, смешанном с окислителем, перхлоратом аммония. Конструкционные материалы для авиации и ракет Первые летательные аппараты были из дерева и ткани. Сейчас же для их изготовления используются исключительно сложные конструкционные материалы. Они создаются благодаря химической технологии. Химики-технологи разработали для авиации прочные и легкие сплавы на основе алюминия и титана, которые устойчивы к коррозии и могут работать при высоких температурах. Особые требования к конструкционным материалам возникают при изготовлении ракет, которые летают в экстремальных условиях. Один из примеров такого материала – специальные керамические плитки, которыми в 1980-е гг. были облицованы самые ответственные места обшивки ｫШаттлаｻ. Эти плитки защищают космический корабль от высоких температур при его вхождении в плотные слои атмосферы. Вначале для изготовления таких плиток был испытан экзотический циркониевый композит, но затем облицовочные плитки стали делать из кварцевого волокна, исходным материалом для которого служит обычный песок.