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氫氣的性質及用途

1.      氫氣的性質

氫氣,化學式為H₂,分子量為2.01588,常溫常壓下,是一種極易燃燒的氣體。無色透明、無臭無味且難溶于水的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體,氫氣的密度隻有空氣的1/14,0.089g/L。氫氣沸點-252.77℃(20.28K),熔點-259.2℃(14.01K),在一個标準大氣壓下,溫度-252.87 ℃時,氫氣可轉變成無色的液體;-259.1 ℃時,變成雪狀固體。常溫下,氫氣的性質很穩定,不容易跟其它物質發生化學反應。但當條件改變時(如點燃、加熱、使用催化劑等),情況就不同了。如氫氣被钯或鉑等金屬吸附後具有較強的活性(特别是被钯吸附)。金屬钯對氫氣的吸附作用最強。氫氣是一種極易燃的氣體,燃點隻有574℃,在空氣中的體積分數為4%至75%時都能燃燒,氫氣占4.1%至74.8%的濃度時與空氣混合,或占18.3%至59%易引爆。

2.      氫氣的應用

2.1.     醫學用途

目前已有大量關于研究使用氫氣治療一些病症的報道,至2014年已經有63個疾病類型被證明可以被氫氣有效治療。每年氫氣生物學文章數量,如20073篇、200815篇、200926篇、201050篇、201163篇、201295篇,呈現爆發式增長。氫氣的分子效應可在多種組織和疾病存在,例如大腦、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、腎、胰腺、小腸、血管、肌肉、軟骨、代謝系統、圍産期疾病和炎症等。在上述這些器官、組織和疾病狀态中,氫氣對器官缺血再灌注損傷和炎症相關疾病的治療效果最顯著,有4篇文章涉及到惡性腫瘤。氫氣生物學效應發現以來,氫氣對以腦血管疾病為代表和以老年性癡呆為代表的中樞神經系統疾功能紊亂都具有明顯的保護作用。在實驗室研究中,發現氫氣對腦血管病有一定治療作用,對神經退行性疾病有一定治療作用,氫氣作為一種選擇性抗氧化物質,氫對肝髒缺血、藥物性肝炎、膽管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多種類型的肝髒疾病具有有效和明顯的治療作用。在臨床研究中,到2013年四月為至,先後有7個疾病臨床研究報道,分别是二型糖尿病、代謝綜合症、血液透析、炎症/線粒體肌肉病、腦幹缺血和放射治療副作用和系統性紅斑狼瘡。從世界衛生組織注冊的信息中可以發現,也有一些沒有發表論文的臨床研究。這些研究報告顯示氫氣在人體脂代謝和糖代謝中的關鍵的調節作用。

2.2.     燃料用途

随着化石燃料逐漸減少,人們在不斷尋找儲量豐富的新的含能體能源。氫氣具優良的性能,是一種理想的新含能體能源,越來越受到人們的關注。

氫氣燃燒性能良好,且安全無毒。氫氣空氣混合時可燃範圍大,具有良好的燃燒性能,而且燃燒速度快。同時氫氣燃燒時主要生成水和少量氨氣,不會産生諸如一氧化碳、碳氫化合物等,與其他燃料相比更清潔。

氫氣導熱性能、發熱值高。氫氣的導熱系數高出一般氣體導熱系數的10倍左右,是良好的傳熱載體。氫的發熱值為142351kJ/kg,是汽油發熱值的3倍,比化石燃料、化工燃料和生物燃料的發熱值都高。利用氫能高發熱值的特點,已有較長的曆史,比如在切割、焊接以及有機玻璃制品火焰抛光等方面均有此應用。

2.3.      行業用途

可用作核研究、氘核加速器的轟擊粒子、示蹤劑,可以做氣相色譜氫焰化驗原料、密度小充探空氣球、新型的高能燃料(驅動火箭)、冶煉金屬鎢、钼等,還有石油精煉、浮法玻璃、電子、食品、飲水、化工生産、航天、汽車業等行業。

2.3.1.    石油化工

氫氣是現代煉油工業和化學工業的基本原料之一,在廣泛範圍内氫以多種形式用于化學工業。合成氨、甲醇用的氫大部分是由天然氣、石腦油或重油的蒸汽轉化或部分氧化制取。一個1000t/d規模的氨廠,每生産1t氨需要氫氣336m3,大規模生産合成氨的主要成本取決于氫的成。一個2500t/d規模的甲醇廠,每生産1t甲醇約需要氫氣560m3。石油煉制工業用氫量僅次于合成氨。在石油煉制過程中,氫氣主要用于石腦油加氫脫硫、粗柴油加氫脫硫、燃料油加氫脫硫、改善飛機燃料的無火焰高度和加氫裂化等方面;在石油化工領域,氫氣主要用于C3餾分加氫、汽油加氫、C6C8餾分加氫脫烷基以及生産環己烷等方面。

在石油化工領域,還可以用氫和一氧化碳反應合成多種有機化合物,如乙二醇的合成、合成聚甲烯(poly+methylen)、,醇的同系化反應、與不飽和烴反應制醛等。用費托法可以合成各種烴,包括發動機燃料和一系列有價值的單一有機化合物,如固體石蠟、含氧化合物等。

2.3.2.    電子工業

在晶體的生長與襯底的制備、氧化工藝、外延工藝中以及化學氣相澱積(CVD)技術中,均要用到氫氣。半導體工業對氣體純度要求極高,微量雜質的摻人,将會改變半導體的表面特性。

電子工業中多晶矽的制備需要用到氫。當矽用氯化氫生成三氯氫矽SiHCl3後經過分餾工藝分離出來,在高溫下用氫還原,達到半導體需求的純度:

SiHCl3+H2+→Si+3HCl

當用于氫氧合成氧化,常壓下将高純氫與高純氧通人石英管内,使之在一定的溫度下燃燒,生成純度很高的水,水汽與矽反應生成高質量的SiO2膜。

在外延工藝中,用于矽氣相外延:四氯化矽或三氯氫矽在加熱的矽襯底表面與氫發生反應,還原出矽沉積到矽襯底上。上述過程對氫的純度要求很高。氫氣中含有的微量一氧化碳和二氧化碳雜質會使襯底氧化,生成多晶矽。如果含有甲烷,則會生成碳化矽進人外延層,引起缺陷。過去矽外延時,要求含氧量小于1×10-6,露點低于-70℃,現在要求更苛刻,在砷化镓液相外延時,當氫氣中含氧量降到0.03+×10-6,露點低于-90℃時,器件壽命可達104小時以上。

在電真空材料和器件如鎢和钼的生産過程中,用氫氣還原氧化物粉末,再加工制成線材和帶材,若其中所用的氫氣的純度越高,水含量越低,還原溫度越低,所得鎢、钼粉末就越細。對氫閘管、離子管、激光管等各種充氣電子管的填充氣體純度要求更高,顯像管制造中所使用的氫氣純度大于99.99%

光導纖維的應用和開發是新技術革命的重要标志之一,石英玻璃纖維是光導纖維的主要類型,在制造過程中,需要采用氫氧焰加熱,經數十次沉積,對氫氣純度和潔淨度都有很高要求 。

2.3.3.    浮法玻璃生産

在玻璃工業中廣泛使用的氣體有氫、乙炔、氧和氮。在浮法玻璃成形設備中裝有熔融的錫液,它極易被氧化,生成氧化錫,造成玻璃沾錫,增加錫的消耗量,因此需要将錫槽密封,并連續不斷送人純淨的氫氮混合氣,維持槽内正壓與還原氣氛,保護錫液不被氧化。浮法玻璃廠氫氣耗量取決于生産規模,一般在80-150m3/h之間,供氫模式多采用電解氫經提純後送人錫槽,氫氣的純度為99.999%

2.3.4.    冶金工業

在冶金工業中,氫氣主要用作還原氣,以便将金屬氧化物還原成金屬。氫氣除了用于還原若幹種金屬氧化物以制取純金屬外,在高溫鍛壓一些金屬器材時,經常用氫氣作為保護氣以使金屬不被氧化。

2.3.5.    食品行業

許多天然食用油具有很大程度的不飽和性,經氫化處理後,所得産品可穩定貯存,并能抵抗細菌的生長,提高油的粘度。植物油加氫氫化所用的氫氣,純度要求都很高,一般需嚴格提純後方可使用。食用油加氫的産品可加工成人造奶油和食用蛋白質等。非食用油加氫可得到生産肥皂和畜牧業飼料的原料,過程包括用氫和不飽和酸(油酸、亞油酸等)的甘油脂,将氫引人到液體脂肪或植物油的組成中。

2.3.6.    航空航天

氫作為航空燃料的優點有很多,它不僅能滿足未來航空燃料的許多要求,最重要的是,氫燃燒對環境基本不産生污染。按單位質量計,氫的燃燒熱值(119900-141900kJ/kg)比烴類燃料的燃燒熱值大1.8倍。由液氫和液氧組合成的推進劑具有很高的比推力。因此,在空間技術中大量使用液氫。

2.3.7.    氫能源燃料電池

憑借零污染、可再生、加氫快、續航足等優勢,氫燃料電池技術在理論上完爆石油與锂電池,被譽為車用能源的“終極形式”。相對于傳統燃油車,氫燃料電池車同時具有節能減排的新能源車屬性: 減排。氫燃料電池的反應方程式非常簡單:氫氣+氧氣水。不僅沒有氮氧化物這種有毒氣體,就連二氧化碳都沒有啊!當然,這一點與電動車碳排放的争議相似,從全生命周期的角度來看,制氫是免不了有碳排放的。目前的主流觀點是:即便是考慮70%的火電,純電動車的碳排放還是優于燃油車,氫燃料電池車則與純電動相當或更好。

可再生能源:相對地柴油汽油,氫能源最大的優勢就是可再生。除了工業副産品制氫之外,還能通過煤制氫、利用谷電電解水制氫等,全生命周期的能源效率要優于汽油柴油。退一萬步講,能源效率還不如汽油柴油,但氫能源作為可再生能源,對石油對外依賴很強的中國、日本來說,依然是很有吸引力的選項。 和電動車相比,氫燃料電池車續航足、加氫快;和傳統燃油車比,氫燃料電池車又具有節能減排的屬性。


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