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【转】水基氧燃料:一种无碳新能源

水基氧燃料:一种无碳新能源

(一)序言
    哥本哈根国际气候大会,墨西哥湾原油泄露事件,世界二十多亿辆汽车的燃料供应,煤矿透水和瓦斯爆炸,环境污染,油价上涨,矿物燃料逐渐枯竭,等等,所有这些不幸事件都涉及到一个核心——能源。现在不禁要问,有没有一个办法,可以从根本上解决能源问题,避免上述各类不幸事件的发生,从而拯救地球,改变人类的命运?我们可以肯定回答,已经找到了这样一种价廉易得而又清洁的能源——水基氧燃料(原误称为“水变油”)。
    对于水基氧燃料这一新型能源,在认识上人们存在着诸多误区,例如:伪科学论——认为这是不可能的,纯粹是天方夜谭,胡编乱造,是伪科学;神秘论——它不能用现代科学理论加以解释和理解;即使是真的,也是遥遥无期,难以产业化;违反能量守恒定律,等等。同时,也存在一些疑团,例如:水基氧燃料究竟是一种什么物质?水是怎样变成燃料的?水基氧燃料的核心技术是什么,是否可以被人类控制和掌握?水基氧燃料中的能量来自何处?等等。
对于上述误区、疑团及其中的理论与技术问题,我们已经进行了长达25年的探索、研究与开发。现在,可以对上述所有问题做出全面回答。
(二)水基氧燃料
概括的说,水基氧燃料就是用99%的水(海水、淡水或污水)在常温常压下经过短时间(约数十分钟)的化学反应而生成的一种液体燃料。根据所用催化剂和反应条件的变化,水基氧燃料具有不同的平均分子量和分子量分布,其热值也会有所变化,但大体上与柴汽油相当,比重、粘度等物理性质均在水与油之间,红外光谱显示甲基、亚甲基信号,当用燃烧法测定其化学组成时表示出氢与碳的存在,而氧含量测定只有微量或痕量。这种燃料可以用来发电,也可以驱动各种内燃机。
这种燃料之所以称为水基氧燃料,是因为在由水转化为燃料以及该燃料燃烧时发生变化的主体是水中的氧原子和空气中的氧分子。氢能的来源是氢与空气中的氧相结合生成低能态的水;碳氢燃料的能量来源主要是燃料中的碳与空气中的氧相结合生成低能态的二氧化碳,水基氧燃料的能量则是由于从水中氧转化而成的碳等电子原子与空气中的氧相结合生成低能态化合物——二氧化碳等电子体的结果。
纵观科技发展史可知,科学技术的发展与进步通常有两种模式:渐进式和跨越式(或称爆炸式)。渐进式是在原有理论和技术的基础上经过改进而成,而跨越式则截然不同,它与传统概念和技术之间有断层,不能用传统理论和认识加以解释和理解,然而实践证明又确是事实,这就需要发展新的理论和概念。水基氧燃料就是属于这类跨越式发展的一项新能源技术,这也就是为什么这项技术往往被误认为是伪科学而不被大多数人所接受的根本原因。
关于水基氧燃料本人已在国际上发表五篇学术论文:(1)第四十届世界化学大会;《以模拟光合作用为基础的一种新型绿色化学反应》,2005年;(2)“无限能源”杂志(美国):《来自水(H2O或D2O)化学反应的超热》,2006年;(3)世界太阳能大会:《一个具有巨大发展前景的太阳能转化技术:从水中获取氧燃料》,2007年;(4)第四届国际绿色能源会议:《绿色能源的最佳选择:从水中获取能源》,2008年;(5)第四届国际绿色能源会议:《一个新的人工光合作用技术路线》,2008年。需要特别说明:1、这些论文都是通过专家审核过的;2、论文内容并未涉及催化剂的核心技术。
(三)水基新能源的研究进展
以水作为能源一直是人类的梦想,近年来这一领域在世界上发展十分迅速,日本原理化研究所所长仓田大嗣有一专著,书名为《水变油技术》;低能核聚变已经召开了十六次国际会议;美国的可进行热核试验的国家点火装置已经建成;美国的黑光动力公司已经建造了50,000瓦的从水中获取能源的试验新装置;英国的Ecowatts公司发明了一种热能箱,输入水而输出热能,输出的热能是输入能量的2倍;水燃料汽车已经有30余种模式出现;美国的世界能源集团已经在中国申请了专利,题目为《一种水化燃料》;科学领域的“绿叶工程”——通过光合作用获取能量的课题更是近期研究的热点。所有这些技术都有充足的理论依据,但都是渐进式技术,都没有脱离老框框,没有找到突破性路线与方法,因而都没有达到由水制成价廉易得清洁液体燃料的水平,故此不能从根本上解决能源与污染问题。        
(四)水基氧燃料的本质
水基氧燃料是一种什么样的新型燃料呢?简要地讲,它是一种双重性物质,即:它的化学组成与水相同——由氢与氧组成,而它的化学结构与性能却与碳氢化合物相近。水基氧燃料的双重性体现在三个层次上:首先,水基氧燃料结构单元的中心原子为氧原子核,但其核外的电子构型与碳相近;同时,水基氧燃料与碳氢燃料的结构单元在原子数目、电子数目上相同,导致二者互为等电子体;其次,二者的分子大小,形状与分布都十分相近——都是分子链长度不等的长链混合物。
物质的化学性质主要是由其电子结构决定的。更为确切地讲,水基氧燃料与碳氢燃料有相似或相近的电子结构、电子密度分布和链式结构。水的化学组成和有机物的结构与性能,这就是水基氧燃料的本质。水基氧燃料的生成过程就是水分子向有机物结构与性能转化的过程,故而水基氧燃料亦可称之为有机水。
(五)水基氧燃料的生成过程
      要使水分子转化为与碳氢燃料结构相似的物质,按照传统理论和概念,只有三种可能路线:(1)通过光合作用;(2)加入含碳物质;(3)水中氧原子核裂变为碳原子和氦原子。可以肯定,在水转化为水基氧燃料的过程中,没有含碳物质的加入,而在水基氧燃料生成的条件下,核裂变反应不可能发生,因为这是一个吸热反应——需要提供巨大能量,而这个能量来源是不存在的。当然,这也不是光合作用的结果。那么,唯一的可能就是一种不为前人所知的新的转化方式。
      一般常识认为,水是无机物,燃料是有机物。水是氢氧化物,燃料是碳氢化物。水分子中的化学键是相当牢固的,水是燃烧时的生成物。从上述角度来看,二者毫不相干更谈不上相互转化。然而,实验已证明,水确实能够变成可燃物,且其热值与柴、汽油              相当。那么,水是怎样转化为燃料的呢?
       为了回答这个问题,首先让我们比较水分子与柴、汽油      结构单元的化学结构:
水分子是H2O,柴汽油的结构单元是亚甲基H2C。二者都有三个原子,都有二个共价键。从化学结构的角度来看,二者的主要区别是水分子有二对非键电子,而H2C有二个价电子,且二者电子构型和价数也不同,即:水中的氧是二价的,而H2C中的碳是四价的。
水分子的一种不为前人所知的转化方式:
第一步:水分子在亲电性活性中心上配位并活化;                    
第二步:转移电子;
首先,水中的氧原子被转移走二个非键电子,此时,氧原子周围只有六个电子,其中四个为二个氢氧共价键所有,二个为非键电子。
第三步:电子重排
根据核外电子排布规律(最低能量原理,保里互不相容原理和洪特规则),水中氧原子核外的电子要进行重新排列——排列成电子构型与碳原子相同的模式,从而实现由二价向四价的转变。配位活化,转移电子和电子重排构成链引发反应。
第四步:齐聚反应
电子转移和重排后的水中氧原子已具有碳原子的电子构型,这是一个高活性的中间体,容易发生偶合、插入、聚合等反应。在适当条件下,由水分子转化而来的具有与H2C结构相似的单体将齐聚为分子链长度不等的长链化合物。
第五步:链终止反应
这就是水基氧燃料的简要的生成机制。水基氧燃料的生成过程是一个水分子经受氧化还原(转移电子)、电子重排和聚合的过程,也是一个水分子异构化的过程。
(六)水基氧燃料的理论依据
以下从四个方面论述水基氧燃料的理论依据
(1)化学能与纳米技术  众所周知,燃料中所储存的能量是化学能,这是势能的一种形式,它是由构成它的原子的相对位置所决定的,所以改变一个分子中原子的排列方式可以改变该分子的势能,例如乙烯水合可以制成乙醇,水是不可燃的无机物,但在乙醇中水组份已变成可燃的有机物的组份了。纳米技术能够在原子、分子水平上构筑具有特定功能的产品,它是在不改变原料成份的情况下,通过控制物质的尺寸大小和形状以及相关成份的位置来制造所需要的物质。氧燃料是把水分子改造成在结构与性质方面与碳氢化合物相类似的物质,以便获得化学能,这里所需要的正是纳米技术所特有的按照人们意愿把原子和分子重新放在正确位置上的方法。在氧燃料合成的过程中,如电子转移,分子重排和化学反应等能量转换的基元步骤,都发生在纳米尺寸范围之内;氧燃料产品是纳米尺寸的物质;由结构单元生成氧燃料的方法是“由下而上”的组装技术;而氧燃料生成过程中的核心催化剂是纳米催化剂。纳米技术具有通过控制组份的空间位置制造具有新型化学性质物质的特殊功能,氧燃料正是利用纳米技术的这种特性获得了化学能。
(2)化学键与催化作用  化学反应通常都要涉及反应物所含原子的重新排列。在原子的重新排列过程中要断裂反应物中的部分化学键并在产物中生成新的化学键。断键时必须吸收能量而成键时一定要放出能量,放出能量和吸收能量之差即为该反应的热效应,对於燃料而言就是热值。据此可以说,燃料的化学能是储存在燃料分子的化学键之中。所以,只要水分子的化学键转化为与碳氢化合物相似或相近,水分子就会具有燃料的性能,这正如著名化学家R•布里斯罗所指出的“化学键的精细排列决定着化学性质”。催化剂最基本最重要的功能是能够控制化学反应中化学键断裂与生成的速率,从而可以加速某些化学键的断裂与生成,使化学反应朝着需要产品的方向进行。催化作用是生命科学的核心,也是现代化学工业的核心,当然也是氧燃料生成反应的核心。配位催化剂与纳米催化剂已成为设计和制造自然界不存在物质的可靠方法,也是氧燃料合成的有力武器。由水转化为氧燃料所用的催化剂是纳米尺寸的新型配位催化剂,它具有光合作用中反应中心和配位聚合的多项功能,在化学键的转化与化学能的生成过程中起决定性作用。
(3)等电子体原理  等电子体原理是一个经验性规则,它的应用范围包括原子、离子和分子,没有无机物与有机物之分。等电子体原理的前提条件是原子数相同,电子数或价电子数相同,导致电子式和原子排列方式相似,因而性质也相似。换言之,即使两个分子的核电荷有小的差别,其电子排列和化学结构仍然可以相似或相近。化学反应是电子运动状态的变化,核电荷的作用只能通过影响电子的运动状态来体现,所以核电荷对物质化学性质的影响是一重要因素,但不是决定性因素,决定性因素是电子。更为明确地说,两个分子中即使有不同的元素存在,只要这些元素的原子序数相差不大,在原子数和电子数相同的情况下,二者可以成为具有相似性质的物质。至於说不同元素之间核电荷的差异完全可以通过核电荷对电子作用时的抵消和补偿效应予以调节。我们的目标就是把水分子转化成燃料结构单元的等电子体,在此基础上再把该结构单元转化为燃料分子的等电子体。
(4)密度泛函理论  密度泛函理论(Density Functional Theory)是对量子力学方程的改进与简化,它能够描绘更为复杂的量子体系中电子的行为。电子密度意指分子中某一区域内电子出现的几率。该理论认为只要知道了电子在分子中的分布状况就可以知道电子具有的能量与运动状态,进而预测出分子以及它们之间相互作用的性质。该理论的特点在于并不考虑每一单个电子的运动,而是把重点放在空间任何一点上电子出现的平均几率。密度泛函理论简化了计算,没有无机物与有机物的界线,强调电子运动的整体行为,具有普通意义和广泛应用。我们的目标是以水为原料制造燃料,根据密度泛函理论,只要把水分子改造成与燃料分子的电子密度相似或相近的物质,就能达到目的。
(七)水基氧燃料的核心技术
使水分子转化为水基氧燃料的核心技术是催化剂的设计与制造。该催化剂是一种新型多功能催化剂,属于阳离子配位催化体系,具有精妙的组成、结构与功能。
该催化剂的功能包括:配位活化、氧化还原、电子重排,电子转移与传递、分子链引发、分子链生长与终止。该催化剂由主催化剂、共催化剂和助催化剂组成。主催化剂是一类具有高化学活性的中向体,具有配位、亲电性、转移电子、分子链引发和终止等多种功能,是水分子转化的关键地。共催化剂的功能是转移电子、强化主催化剂的活性,提高主催化剂的选择性与稳定性。主催化剂与共催化剂结合成一种具有特殊结构与功能的电荷转移络合物,协同地实施水分子的转化。该化合物可以有单核或多核之分,双核之间有共振结构与共轭结构相连接。助催化剂的作用是对主催化剂和共催化剂中的电子密度与分布进行调节,同时亦对其活性与稳定性的平衡进行调节,主要有各种类型的有机配位体、路易斯酸或碱、电子授体、桥联结构、共轭结构、共振结构、电子给予体等组成。催化剂的制备必须即刻原位进行,即在反应之前制备完成,因为该催化剂具有极高的活性,十分不稳定。主催化剂与共催化剂的前体需要事先制备好,而助催化剂与主、共催化剂之间通常以配价键或次价键相连接,可以自组装完成。
该催化剂必须保证:(1)能够连续从水中转移电子,形成催化循环;(2)在反应过程中,反应中心反复出现以使分子链得以生长。为此,该催化剂必须具备如下特性:(1)具有足够的活性以便能够从水中氧原子上转移电子(2)有足够的稳定性,以使在电子转移之后,剩余电子得以重排和分子链生长:(3)具有不同功能的各组份之间有机结合并协同作用,连续完成转移电子、电子重排和分子链生长的过程。这是一部“化学机器”,其氧化还原功能与光合作用中的光反应中心P680+相似,而聚合功能则与齐格勒—拿塔催化剂相似,但其组成与结构则与上述二者完全相异,独具特色。在整个的反应过程中,尚须注意防止已经转移较多电子的重新复原以及生成燃料单体的湿式氧化。为说明催化剂的作用机制,该催化剂的结构模型示意如下:


















八、水基燃料中的能量
水基氧燃料在其生产、氧化与循环过程中的能量转化表明,水基氧燃料的能量最终来自太阳能,在其转化过程中严格遵守能量守恒定律。
(1)氧化反应  水基氧燃料的氧化包括湿式氧化(或催化湿式氧化)和燃烧。氧化产物之一是水,它是由空气中的氧和氧燃料中的氢化合而成,其数量和生成氧燃料时所消耗的数量相等。氧化的另一产物是二氧化碳等电子体,它是空气中的氧与氧燃料中失去电子后的氧化合而成的二氧化碳等电子体,它和二氧化碳一样是一种低能态(高稳定性)的化合物。反应热是产物与反应物之间键能变化的结果,也是对产物与反应物之间化学结构变化的衡量。氧燃料氧化时放出的热能正是因为生成了更为稳定的二氧化碳等电子体的结果。
(2)再生与循环  氧燃料氧化时生成水实现了水的循环。二氧化碳的等电子体是由三个氧原子构成的化合物,其中二个氧原子来自空气中的氧,一个来自水中失去电子的氧且已经成为碳的等电子原子。和O3相比,它只是少了二个电子,是一个缺电子化合物。当它在外界推动力的作用下获得二个电子后,可以转化为O3,也可以转化为O2。O3与O2还可以相互转化:O2吸收光子后(波长小于185nm)可以转化为O3,O3放出能量后(142KJ•mol-1)可以转化为O2 。
(3)能量来源  实际上二氧化碳等电子体的转化是在大气中进行的,它在阳光、雷电和闪电的作用下,在获得电子的同时转化为O3和O2。所以,氧燃料中的化学能归根结底来自太阳能。氧燃料氧化时生成水完成了水的循环,水是化学能的载体;在太阳能的作用下二氧化碳的等电子体转化为O3和O2,完成了氧的循环,二氧化碳等电子体是太阳能的载体。氧燃料是水循环与氧循环的衔接点,也是化学能与太阳能的转换处,见图1。在氧燃料的能源系统中变化的主体是水中的氧原子和空气中的氧分子,这就是称之为氧燃料的原因。二氧化碳等电子体在太阳能的作用下转化为O2和O3,这一过程是在氧燃料氧化之后在大气中缓慢进行的,所以这里所利用的太阳能即不像化石燃料一样利用的是“过去的太阳能”,也不像现在一般所说的可再生能源一样利用的是“现在的太阳能”,氧燃料所利用的是“未来的太阳能”。这是太阳能利用的一种新的方式。

图1  氧燃料能源系统示意图














(九)发展水基氧燃料的重大意义
综上所述,可以明显看出水基氧燃料具有如下主要特征:(1)这是一种无碳可再生的清洁能源;(2)成本异常低廉,工艺十分简单(3)可以大规模生产,可以广泛应用;(4)不仅具有科学性,而且具有现实性,可以在较短时间内取得突破,并产业化;(5)在科学领域涉及范围之广泛,影响之深远,前所未有;(6)水基氧燃料是一种技术型能源,它的生产不依赖于资源。
这些特征表明,水基氧燃料在经济性、技术性、科学性、现实性各方面都远远优于风能、核能、氢能以及太阳能的现有各项技术。当今世界上最为热捧并正在大力开发研究的热核聚变、低能核聚变以及模拟光合作用原理的人工光合作用或利用藻类等生产生物燃料等都只处于初始的萌芽状态,尚需数十年方可看出端倪。
毫无疑问,传统观念上的束缚和认识上的误解,阻碍着这一新能源的开发和利用。本文的目的就是全面地、系统地论证水基氧燃料的科学性 与现实性,为研究与开发这一能为人类造福的新能源开辟道路。
事实证明,这是一种和平的、绿色的、通用的、先进的、现实的新能源,它的出现必将引起科学技术和工业的巨大变革,并改变世界的政治与经济格局。水基氧能源是当今世界新能源技术的制高点,掌握该技术的国家将成为21 世纪的领跑者。可以肯定,水基氧燃料可以代替煤、石油和天然气将成为未来的主体能源。水基氧能源将延缓人类对地球的破坏并改变人类的前途与命运。

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