为什么要选择甲醇燃料?它是最简单的化合物

广东合即得

著名诺贝尔化学奖获得主乔治奥拉先生在著作《跨越油气时代:甲醇经济》中描述了人类目前面临的能源危机形势极其严峻。世界的石油消耗现已达到每天8200万桶,约1100万吨。

石油储量只能维持半个世纪

目前,超过60亿的世界人口,加上不断增长的趋势,油气的需求量将不断上升,它们会越来越少、越来越贵,并且会越来越难维持更长的时间。人类目前已发现的石油储量是1500亿吨,随着消耗量的持续攀升和人口的迅猛增长,人类不得不承认一个很现实的问题——我们已知的石油资源储量只能维持多不多半个世纪的时间。因此,人类亟待需要寻找到新方法避免石油危机。[1]

中国石油消费对外依存度持续攀升

地球上的石油资源不仅是有限的,而且还是分布不均的。我国是一个石油资源相对贫乏的国家,从1993年就开始石油进口,2005年,我国原油产量为18150万吨,全年石油进口达13617万吨,石油消耗量为31767万吨,对外石油依存度达到42.9%。2009年我国原油进口依存度首次突破国际公认的50%警戒线, 2011年,中国超过美国成为第一大石油进口国和消费国,对外依存度达55.2%,首次超越美国的53.5%,2015年我国对外依存度首次突破60%,达到60.6%。由于当前中国石油消费已经超过GDP增速,预计到2030年,中国石油消耗量的80%需要依靠进口。

近5年中国石油对外依存度

如此高的对外依存度已经威胁我国的能源安全,过多的依赖石油进口必将制约我国经济的发展。一位研究中国问题的美国专家表示:要遏制中国经济发展,有两条途径,一是直接发动战争,二是遏制其石油的供给。[2]由此可见,石油安全问题已经是公认制约经济发展的一个重要因素,因此,寻找一条新的能源出路是中国经济发展的重要战略。

内燃机是大气的主要污染源

内燃机是目前世界上应用最广泛的一种动力设备,车辆、船舶、飞机、机械设备等动力装置的动力均来自内燃机,尤其是车用内燃机广泛在各地使用,数量相当的庞大。内燃气的有害物质排放已经严重的影响大气环境和人类的身体健康。对国内外大城市空气质量的检测结果表明:汽车尾气是大城市空气污染的主要来源。内燃气排放物质中对大气污染和人类健康影响最大,并已经被各国的排放法规限制的排放物是CO、HC、NOX和微粒(PM)等。这些污染物对人体的危害如下。

CO是一种无色无味的气体,它和血液中输氧的载体血红蛋白的亲和力是氧的200~250倍。CO与血红蛋白结合生成羰基血红蛋白,相对减少氧血红蛋白,相对损害血红蛋白对人体组织的供氧能力。空气中CO的体积分数超过0.1%时,就会导致头痛、心慌等中毒病状;超过0.3%时,则可在30min内致人死亡。

HC包括碳氢燃料及其不完全燃烧产物、润滑油及其裂解和部分氧化产物,如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等百种成分。烷烃基本上无味,它在空气中可能存在的含量对人体健康不直接产生影响。烯烃略带甜味,有麻痹作用,对粘膜有刺激,经代谢转化会变成对基因有毒的环氧衍生物。烯烃有很强的光化活性,是与NOX一起在日光紫外线作用下形成很强毒性的“光化学烟雾”的罪魁祸首之一。芳香烃有芳香味,却有危险的毒性,对血液、肝脏和神经系统有危害,多环芳烃及其衍生物有致癌作用。醛类是刺激性物质面对眼粘膜、呼吸道和血液有毒害危险。

NOX是无色气体,本身毒性不大,但是在大气中缓慢氧化成NO2。NO2是褐色气体,具有强烈的刺激味,被吸入人体后与水分子结合成硝酸,引起咳嗽、气喘,甚至肺气肿和心肌损伤。NOX是在地面附近形成含有毒臭氧的光化学烟雾的主要因素之一。

柴油机排放的PM主要成分是碳,其粒度一般小于0.3μm,可长期悬浮在大气中不,会深入人肺部造成机械性超负荷,损伤肺内各种通道的自净机制,促进气体污染物的毒害作用。碳微粒上还吸附有硫酸盐及多种有机物质,其中含有多环芳香烃,具有不同程度的诱变和致癌作用。燃用含铅汽油的汽油机排放含铅微粒,对血液、骨骼和神经有毒害,对儿童邮箱尤其严重。

总而言之,内燃机在推动科技革命和创造人类现代文明的同事,也给人类的生存和可持续发展带来极大的挑战。寻找替代石油燃料的新能源和替代内燃机的动力设备是社会向前发展的必然出路。

甲醇的毒性

甲醇被大众所熟知,具有毒性。工业酒精中大约含有4%的甲醇,若被不法分子当作食用酒精制作假酒,饮用后,会产生甲醇中毒。甲醇的毒性对人体的神经系统和血液系统影响最大,它经消化道、呼吸道或皮肤摄入都会产生毒性反应,甲醇蒸气能损害人的呼吸道粘膜和视力。急性中毒症状有:头疼、恶心、胃痛、疲倦、视力模糊以至失明,继而呼吸困难,最终导致呼吸中枢麻痹而死亡。慢性中毒反应为:眩晕、昏睡、头痛、耳鸣、视力减退、消化障碍。甲醇摄入量超过4克就会出现中毒反应,一次口服15mL或者2天内分次口服124~164mL就可能造成双目失明,饮入量大造成死亡。致死量为30毫升以上,甲醇在体内不易排出, 会发生蓄积,在体内氧化生成甲醛和甲酸也都有毒性。在甲醇生产工厂,我国有关部门规定,空气中允许甲醇浓度为50mg/m³,在有甲醇气的现场工作须戴防毒面具、工厂废水要处理后才能排放,允许含量小于200mg/L的甲醇。[4]

对此,中国科学院工程热物理所研究员潘奎润认为,实际上甲醇和汽油一样,在化学上都属于中等毒性物质,不仅甲醇不能食用和溅入眼中,其它燃料也是如此[5]。汽油中包含多种有害化学物质,包括苯、甲苯、二甲苯、乙基苯和正己烷,其中一些物质是致癌物。与汽油相比,甲醇不认为是致癌物或诱导有机体突变的物质。甲醇是一种有毒性的有机化合物,可经呼吸道、消化道和皮肤接触等方式进入人体,破坏人的神经和视觉系统。如果把危害程度分为10个等级,1为没有危害,2~3为低水平危害,4~6为中水平危害,7~8为高水平危害,9~10为极端危害,则可将甲醇和汽油的危害性比较分析列为表1。

在“七五”期间,中德两国合作对“甲醇中毒机理、中毒解药、对人体健康的影响”进行研究,得出结论:只要遵守操作过程,没有发现人体健康的异常。我国生产甲醇已有数十年历史,大小企业上百家,从未发现甲醇厂出现甲醇职业病。实践证明,只要遵守操作规程,甲醇作为燃料是安全的。

任何事物都有两面性,人类在利用资源的时候总擅长把其危害性降到最低,然后在相应的规范下使用。与汽油相比甲醇的危害要小很多,汽油都能在人类的有效管理下大规模大范围被应用,更何况区区甲醇呢?因此,关于甲醇有毒不可能被应用的言论自然不攻自破。

甲醇对生态环境的影响

甲醇作为原料使用时,向周围环境的排放主要是在储存、运输和添加过程中。运输事故、存储渗透、添加将洒、甲醇蒸发等是甲醇排放的主要途径。甲醇易溶于水,水或土壤中的甲醇会很快稀释,然后发生生物降解,因为本身就可以通过生物质转化获得。然而,汽油则很难溶于水,不易扩散,在自然环境中难以降解,产生累积污染。另外,废水中含有少量甲醇还有利于生物降解出其中的含氮物质。因此,甲醇虽然有一定的毒性,但是易于在环境中降解,不会造成环境污染。

在水中,甲醇及乙醇的生物降解过程要比原油或者汽油迅速得多。醇类燃料在水中滞留时间以几小时计算,而原油、汽油、才有的滞留之间则及几年计算。据估算,把10000t甲醇泄漏到海中,在泄漏后1h,甲醇的浓度仅仅达到0.36%,接下来其浓度会更低,然后在几天内,微生物通过生物质降解会处理掉稀释的甲醇。

此外,甲醇是最简单的化合物之一,分式为CH3OH,是重要的基础化工原料,也是最简单的可以人工合成的清洁液体燃料。甲醇可以从煤、天然气、石油伴生物、植物秸秆,甚至城市可燃垃圾等物质中提炼或合成。甲醇对大气的影响也非常小,汽油分子中含有6-11个碳原子,柴油分子中含有12-16个碳原子,而甲醇中仅含有1个碳原子,这意味着甲醇的碳排最多为汽油、柴油的1/6。

甲醇经济

贝尔化学奖得主、有机化学家乔治A·奥拉先生主创了一本书叫做《跨越油气时代:甲醇经济》,书中关于甲醇经济的优越性和可行性主要包括:1、是一种便利的能量储备媒介;2、是一种方便运输和流通分配的燃料;3、一种用来合成碳氢化合物及其产品的原料。碳的来源最终可来自空气中的二氧化碳在地球上几乎是无处不在的。

需要强调的是,为了生产甲醇,无须特定选用某种能源,所有能源包括可再生能源和原子能都能以最经济、最安全、最环保的方式加以利用。甲醇本身是一种燃料,能够很方便地储存和释放能量 ,甲醇还是合成碳氢化合物及其它相关化合物的原料。“甲醇经济”以一种简单易处理的液态甲醇请示可实现能量储运和运送安全性。方便性、可逆性。甲醇能很容易地转化成为碳氢化合物及其相关产品,这能够保证后代子孙获得我们今天生活所必需的必备品和材料。同时,“甲醇经济”通过再循环大气中的二氧化碳,将减轻人类给地球所造成的全球变暖问题。

参考文献

【1】George A. Alah, Alain Goeppent, G.k, Surya Prakash, Beyond Oil and Gas : The Methanol Economy,北京:化学工业出版社,2007,3-5.

【2】中国石油经济技术研究院,2015年国内外油气行业发展报告[M],北京:石油工业出版社,2016.

【3】崔民选,2007年中国能源发展报告[M],北京:中国社会科学文献出版社

【4】蓝善坚,甲醇中毒及预防[J],广西预防医学·1999(S1).

【5】潘奎润,调整汽车燃料结构,发展醇燃料汽车[J],化工催化剂及甲醇技术,2003(3):11-21.

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