基础化学课程中的电力特色教学实践

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摘要：在原有教科书的基础上，结合学校的工科背景、电力特色，在基础化学教学中引入和渗透相关的电力知识，使基础化学课程中的理论知识与电力行业、新能源技术的专业应用有机地结合起来，开展具有电力特色的基础化学教学活动。

关键词：基础化学；电力知识；探索

作者简介：廖强强（1971-），男，江西新干人，上海电力学院环境与化学工程学院，教授；杨延（1962-），女，上海人，上海电力学院环境与化学工程学院，副教授。（上海 200090）

基金项目：本文系上海市高等教育学会重点课题（课题编号：ZDGJ4-10）、智能电网储能技术上海高等教育“085”工程建设项目资助的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）02-0094-02

基础化学包括无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、普通化学。基础化学是环境工程系学生必修的课程，是学生进一步学习专业课程的垫脚石。笔者结合学校的工科背景、电力特色，跟踪国内外现代科技发展，在基础化学教学中引入和渗透与电力行业、新能源相关的化学知识、应用案例，使基础化学课程中的理论知识与电力、新能源的专业应用有机地结合起来，做到理论紧密联系实际，开展了具有电力特色的基础化学教学活动。

一、氢燃料电池

在“无机化学”的氢气一节中，增加了氢气作为清洁能源的新用途的教学内容。因为氢气在氧气中燃烧后只生成水，再无其它生成物，所以用氢燃料电池作汽车动力，对环境无污染。因此，用氢燃料电池的汽车是名副其实的绿色汽车。世界上一些先进国家都在研究开发氢燃料电池。1999年初，戴姆勒－克莱斯勒公司和壳牌公司在冰岛政府的支持下公布了“氢经济”的国家计划——用无污染的氢能源代替所有小轿车、公共汽车上使用的柴油和汽油。目前，德国也已经推出了各种氢燃料电池汽车。

氢燃料电池的工作原理是将氢气输送到电池的负极，经过铂等贵金属催化剂的作用，氢原子中的一个电子被解离出来，失去电子的氢离子（即的质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池的正极，而这个电子则只能经过外部电路，到达燃料电池正极板，从而在外电路中形成电流。电子到达正极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。只要源源不断地给负极板供应氢，给正极板供应空气，并及时把水蒸气带走，就可以不断地产生电能。燃料电池车的能量转化效率比传统汽车高60%～80%，是内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢气和氧气，生成的是清洁的水，能量转换过程中不产生CO和CO2，也没有其他污染物排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放的绿色交通工具，氢气是完美的汽车能源。

二、碘离子的缓蚀协同作用

在“无机化学”的卤素元素一章中，讲到碘化物有许多功用，比如碘和碘化物的酒精溶液（碘酒）用作消毒剂，碘仿（CHI3）用作防腐剂，碘化银用于人工降雨等。除此以外，碘离子还可以用作锅炉酸洗时碳钢的缓蚀剂。在用氨基磺酸作为锅炉的化学酸洗剂时，单独加入烷基咪唑啉时缓蚀效率可达90%，单独加入碘化钾时缓蚀效率可达76%，如果在烷基咪唑啉中添加少量的碘化钾，则缓蚀效果可显著提高，达到97%。[1]这是因为碘离子首先和带正电的铁表面吸附，而使铁表面带负电荷，带正电荷的咪唑啉阳离子再和负离子作用吸附于铁表面，提高了咪唑啉的缓蚀效果。碘负离子在介质中的溶剂化程度较低，越容易被金属表面吸附，因此称之为特性阴离子。缓蚀剂借助特性阴离子与金属表面的吸附如（图1）所示。图1中M为金属，X-为特性阴离子，L+-R为阳离子型缓蚀剂。将碘离子的功用与锅炉化学清洗联系起来，既加深了同学们对元素化学知识的理解，又引入了电厂化学的专业知识。

三、烟气脱硫

在“无机化学”的氧族元素一章中，介绍了硫的各种化合物，其中讲述了SO2排放是造成我国大气污染及酸雨情况不断加剧的原因，烟气脱硫（FGD）作为控制以高硫煤为燃料的锅炉烟气污染的有效措施，正被越来越多的国家接受和采用，采用最多也最成熟的是以石灰石浆为吸收剂的湿法烟气脱硫技术。脱硫过程主反应为：

SO2 + H2O H2SO3 吸收

CaCO3 + H2SO3 CaSO3 + CO2 + H2O 中和

CaSO3 + 1/2 O2 CaSO4 氧化

CaSO3 + 1/2 H2O CaSO3·1/2H2O 结晶

CaSO4 + 2H2O CaSO4·2H2O 结晶

CaSO3 + H2SO3 Ca（HSO3）2 pH控制

同时烟气中的HCl、HF与CaCO3的反应，生成CaCl2或CaF2。吸收塔中的pH值通过注入石灰石浆液进行调节与控制，一般pH值在5.5～6.2之间。

通过引入烟气脱硫工艺的介绍，学生们不但了解了SO2是大气污染的主要原因之一，而且了解到火电厂为了控制SO2排放采取了切实可行的措施。

四、钠硫储能电池

在“无机化学”的氧族元素一章中，介绍了一种多硫化合物，学生们觉得是一种不稳定的物质，好像没有实际用途，其实不然。钠硫电池（含多硫化钠）作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极地重视和发展。钠硫电池具有许多特色之处：一是比能量高，其次是可大电流、高功率放电，再次是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100％。国外重点发展钠硫电池在固定场合下（如电站储能）应用，其优越性越来越明显。如日本东京电力公司（TEPCO）和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年建成容量为8MW的储能钠硫电池装置。上海硅酸盐研究所在钠硫电池的研发方面也取得了重大进展，研发出世界上最大的钠硫单体电池。

五、渗透压发电

在“物理化学”课程中讲了渗透压的概念后，补充了海水渗透压发电技术，这是一种新颖的可再生能源发电技术，利用液体具有渗透压的原理，当河流汇入大海时，由于河水与海水分别含有不同浓度的盐分，会促使“河流淡水”与“海洋咸水”相互渗透，产生很大的海水渗透压，从而推动涡轮机进行发电。

海水渗透压发电非常环保。因为海水渗透压是一种从自然物理过程中获得的能源，不会产生任何污染物，更不会排放出CO2。而且，由于海洋与河流是现成的资源，所以海水渗透压的收集成本相对比较低，也比较容易获得，而且海水发电也不会受到天气因素的制约。

挪威国营电力公司Statkraft在2009年11月宣布在奥斯陆峡湾岸边建造了全球第一座渗透压（osmotic）发电厂原型，并希望在2015年之前建造一座可投入商业使用的发电厂，生产约25MW的电力，足以为1万户家庭供电。

六、沼气发电

在“有机化学”中讲到最简单的有机化合物就是甲烷。甲烷作为一种清洁能源，受到人们的广泛重视。甲烷的一个重要应用就是沼气发电。将人畜粪便、秸秆等有机物在隔绝空气并且适宜的温度和湿度下，通过微生物的发酵作用就可以产生沼气。甲烷是沼气的主要成分，约占所产生的各种气体的60%～80%。甲烷气体无色无味，是一种理想的气体燃料，与适量空气混合后即可燃烧。纯甲烷的发热量为 34kJ/m3，每立方米沼气的发热量约为20.8-23.634kJ/m3。1m3沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7kg无烟煤提供的热量。

沼气燃烧发电是一项大规模沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气过滤后密闭输送到燃烧设备，燃烧发电。图2为 沼气发电装置示意图。沼气发电具有高效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式发电方式。

七、十八烷基胺停用保护技术

在“有机化学”中烷基胺是一类重要的化合物。十八烷基胺停用保护技术是火电厂热力设备停用防腐保护的一种重要措施。如果没有良好的停用防腐保护措施，热力设备停运期间的腐蚀比运行期间严重得多。十八烷基胺，属于脂肪胺类，分子式为白色蜡状固体结晶，具有碱性，易溶于氯仿，溶于乙醇、乙醚和苯，微溶于丙酮，难溶于水。在火电厂机组滑停时将十八烷基胺加入热力系统后在高温下气化，气态十八胺随蒸汽进入锅炉、汽机及整个热力系统，在金属表面形成一层憎水性保护膜，将空气与金属隔绝，从而防止水及大气中的氧气及二氧化碳对金属的腐蚀。图3为某电厂过热器管经十八烷基胺保护后表现出很好的憎水性，可以减缓过热器管的腐蚀速度。[2]这段知识的引入让学生认识到烷基胺不再是一种只停留在书本上、触摸不到的物质，它是实实在在的、有具体应用的东西。

八、结论

在确保基础化学基本教学内容的前提下，引入和渗透在电力行业、新能源技术领域有具体应用的基础化学知识点，不但可以加深同学们对基础化学知识的理解，而且拓展了在专业知识方面的认识领域。

参考文献：

[1]廖强强，陈亚琼，闫爱军，等.氨基磺酸溶液中烷基咪唑啉与碘化钾复配对碳钢的缓蚀作用[J].中国电机工程学报，2011，31（14）：84-89.

[2]Qiang-Qiang Liao，Hong-Hua Ge，Guo-Ding Zhou.Use of Octadecylamine for Shutdown Protection at Power Plants[J]. Materials Performance，2008，47（1）：58-62.