书城科普大自然的奥秘
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第20章 如何让能源持续发展(3)

因此,废旧电池是不可以随意丢弃的。在废电池回收的问题上,各国都很重视。比如,为加强对废旧电池的回收管理,德国实施了废电池回收管理新规定。规定要求消费者将使用完的干电池、钮扣电池等各种类型的电池送交商店或废品回收站回收,商店和废品回收站必须无条件接受废电池,并转送处理厂家进行回收处理。同时,他们还对有毒性的镍镉电池和含汞电池实行押金制度,即消费者购买每节电池中含有一定的押金,当消费者拿着废旧电池来换时,价格中可以自动扣除押金。

在废电池的处理方面,瑞士有两家专门加工利用旧电池的工厂,其中一家工厂采取的措施是:将旧电池磨碎,送往炉内加热,提取挥发出的汞,温度更高时也可使锌得到蒸发,锰和铁熔合后可成为炼钢所需的锰铁合金。这家工厂一年可加工2000吨废旧电池,获得780吨锰铁合金、400吨锌和3吨汞。另一家工厂则是直接从电池中提取铁元素,并将氧化锰、氧化锌、氧化铜和氧化镍等金属混合物作为金属废料直接出售。

在我国,以北京为例,在大力宣传和鼓励下,3年才回收了200多吨废旧电池。在环保模范城市杭州,废旧电池的回收率也只有10%。因此,为了我们的地球母球,也为了我们自身的健康,请不要再让废旧电池“无家可归”!

宇宙交通事故的“肇事者”

如果按照火箭科学家专业的说法,太空垃圾应该叫做“轨道碎片”。简单来说,就是在人类探索宇宙的过程中,被有意无意地遗弃在宇宙空间的各种残骸和废物。太空垃圾可分为三类:一是用现代雷达能够监视和跟踪的比较大的物体,主要有种种卫星、卫星保护罩及各种部件等;二是体积小的物体,如发动机等在空间爆炸时产生的,其数量估计至少有几百万;三是核动力卫星及其产生的放射性碎片。

2005年1月17日,南极上空885公里,发生了一起看似偶然的“宇宙交通事故”——一块31年前发射的,美国雷神火箭推进器遗弃物,与中国6年前发射的长征四号火箭CZ-4碎片相撞。这是一起典型的“宇宙交通肇事案”!

其实,自上世纪50年代人类开始“进军”宇宙以来,已经发射了4千多次航天运载火箭。据不完全统计,太空中现有直径大于10厘米的碎片9千多个,大于1.2厘米的有数十万个,而漆片和固体推进剂尘粒等微小颗粒可能数以百万计。千万不要小看了这些零零碎碎的太空垃圾,由于飞行速度极快(6~7公里/秒),它们都蕴藏着巨大的杀伤力。一块10克重的太空垃圾撞上卫星,相当于两辆小汽车以100公里的时速迎面相撞——卫星会在瞬间被打穿或击毁;一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属微粒,足以戳穿密封的飞行服;人们肉眼无法辨别的尘埃(如油漆细屑、涂料粉末)也能使宇航员殒命;一块仅有阿司匹林药片大的残骸可将人造卫星撞成“残废”,可将造价上亿美元的航天器送上绝路。在人类太空史上,太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。

1983年,美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致舷窗被损,只好停止飞行。前苏联的“礼炮-7”号轨道站也多次被此类“尘埃”损坏。1986年,“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸,成为564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片,这枚火箭的残骸使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”!1991年9月15日,美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞,当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2.74千米,幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号,它才免于丧生。

总之,这些垃圾就像高速公路上那些随意乱开的汽车一样,你不知道它什么时候刹车,什么时候变线。它们是宇宙交通事故最大的潜在“肇事者”,对于飞行器和宇航员来说都暗藏着巨大的威胁。

目前来看,地球周围的宇宙空间还算开阔,太空垃圾在太空中发生碰撞的概率很小,但一旦撞上,你一定了解“雪崩效应”是什么——每一次撞击并不能让碎片互相湮灭,而是产生更多的碎片,而每一个新的碎片又是一个新的碰撞危险源。我们设想一下,如果有一天,地球周围被这些太空垃圾挤满的时候,人类探索宇宙的道路该何去何从呢?事实上,这并不是不可能的。随着人类太空史上的一次次壮举,太空垃圾与日俱增。据统计,目前约有3000吨太空垃圾在绕地球飞奔,而其数量正以每年2%~5%的速度增加。科学家们预测,太空垃圾以此速度增加,将会导致灾难性的连锁碰撞事件发生,如此下去,到2300年,任何东西都无法进入太空轨道了。

太空垃圾不仅给航天事业带来了巨大隐患,成为人造卫星和轨道空间站的潜在杀手,使宇航员的安全受到严重威胁,而且还污染了宇宙空间,给人类带来了灾难,尤其是核动力发动机脱落,会造成放射性污染。还有,太空垃圾造成的光线散射将会使人类对宇宙空间星体的观测受到影响。因此,现在越来越多的人呼吁“尽早找出治理宇宙空间垃圾的办法”。目前来看,美国、日本等国正在研究怎样减少、清除太空垃圾的方法,比如,1992年5月,美国发射升空的航天飞机“奋进号”的任务就是回收一颗游荡在宇宙空间的卫星,并把它重新发回静止轨道。有科学家认为,“将来宇宙空间往返的航天飞机或许将活跃在回收和清除太空垃圾的领域。”

黑色的金子——煤炭

煤炭是一种固体可燃的有机岩,主要由植物遗体经生物化学作用,埋藏后再经地质作用转变而成。俗称煤炭。它是古代植物经过生物化学作用和地质作用而改变其物理、化学性质,由碳、氢、氧、氮等元素组成的黑色固体矿物。

煤炭被人们誉为黑色的金子,工业的食粮,它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。虽然它的重要位置已被石油所代替,但在今后相当长的一段时间内,由于石油的日渐枯竭,必然走向衰败,而煤炭因为储量巨大,加之科学技术的飞速发展,煤炭汽化等新技术日趋成熟,并得到广泛应用,煤炭必将成为人类生产生活中的无法替代的能源之一。

中国是世界上最早利用煤的国家之一。煤作为一种燃料,早在800年前就已经开始。煤被广泛用作工业生产的燃料,是从18世纪末的产业革命开始的。随着蒸汽机的发明和使用,煤被广泛地用作工业生产的燃料,给社会带来了前所未有的巨大生产力,推动了工业的向前发展,随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。煤炭在地球上的储量丰富,分布广泛,一般也比较容易开采,因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。

煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外,更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油,即煤的低温干馏的液体产品——煤焦油。经过化学加工,从煤炭中能制造出成千上万种化学产品,所以它又是一种非常重要的化工原料,如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。大型煤炭工业基地的建设,对我国综合工业基地和经济区域的形成和发展起着很大的作用。

煤炭对于现代化工业来说,无论是重工业,还是轻工业;无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业,还是轻纺工业、食品工业、交通运输业,都发挥着重要的作用,各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭,因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。

那么,这种“粮食”是如何形成的呢?在地球的历史上,最有利于成煤的地质年代主要是晚古生代的石炭纪、二叠纪,中生代的侏罗纪以及新生代的第三纪。这是因为,在这几个时期内,地球上的气候非常温暖潮湿,地球表面到处长满了高大的绿色植物,尤其在湖沼、盆地等低洼地带和有水的环境里,封印木、鳞木等古代蕨类植物生长得特别茂盛。

当时,高大的树木倒下以后,就会被水淹没了,这就造成了倒木和氧隔绝的情况。在缺氧的环境里,植物体不会很快地分解、腐烂。随着倒木数量的不断增加,最终形成了植物遗体的堆积层。这些古代植物遗体的堆积层在微生物的作用下,不断地被分解,又不断地化合,渐渐形成了泥炭层,这是煤的形成的第一步。

由于地壳的运动,泥炭层下沉了。泥炭层被泥沙、岩石等沉积物覆盖起来。这时,泥炭层一方面受到上面的泥沙、岩石等的沉重压力,另一方面,也是更重要的方面,泥炭层又受到地热的作用。在这样的条件下,泥炭层开始进一步发生变化:先是脱水,被压紧,从而比重加大,而且石炭的含量逐渐增加,氧的含量逐渐减少,腐殖酸的含量逐渐降低。完成这几个过程以后,泥炭就变成了褐煤。

褐煤如果继续不断地受到增高的温度和压力的作用,就会引起内部分子结构、物理性质和化学性质的进一步变化,褐煤就逐渐变成了烟煤或无烟煤了。

就煤炭储量而论,以俄罗斯最为丰富,约占世界总储量的43.5%。煤层最厚的是加拿大西部不列颠哥伦比亚省加合特河煤田,地质储量为100亿吨,已探明的储量达14.6亿吨,煤层总厚度达300米。

我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一,不仅储量大,分布广,而且种类齐全,煤质优良,为我国工业现代化提供了极为有利的条件。我国煤炭资源的地质储量约为1.4万亿吨,已探明储量为6426亿吨,其中可开采储量为2303亿吨。煤田主要分布于华北的山西和内蒙古等省、区,其中仅山西省储量就达400亿吨,东北抚顺的煤田地层厚达120米。近几年,地质学家又在南极大陆发现了世界上最大的煤矿,估计蕴藏量要比其他地方煤储量总和还要多几倍。

最洁净的燃料——天然气

从广义的定义来说,天然气是指自然界中天然存在的一切气体,包括大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种自然过程形成的气体。而人们长期以来通用的“天然气”的定义,是从能量角度出发的狭义定义,是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物,主要存在于油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气中。

天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。伴随原油共生,与原油同时被采出的油田气叫伴生气;非伴生气包括纯气田天然气和凝析气田天然气两种,在地层中都以气态存在。凝析气田天然气从地层流出井口后,随着压力和温度的下降,分离为气液两相,气相是凝析气田天然气,液相是凝析液,叫凝析油。

天然气是一种无色的气体,因此它是看不见、摸不着的。但是它有气味,人们可以凭嗅觉来发现它的存在。天然气的主要成分是甲烷,其次是乙烷、丙烷、丁烷,其他还有二氧化碳、硫化氢、氮、氢等气体。天然气性质活泼,易飘散、燃烧,燃烧时无烟无灰,是较为洁净的燃料。1000立方米天然气产生的热量,相当于3000千克煤或6立方米木炭发出的热量。天然气还是制造合成氨、乙炔、氢氰酸、甲醇、酒精、合成纤维、炭黑等的重要化工原料。

与煤炭、石油等能源相比,天然气在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少,产生的二氧化碳仅为煤的40%左右,产生的二氧化硫也很少。天然气燃烧后无废渣、废水产生,具有使用安全、热值高、洁净等优势,所以,我们称它为洁净的燃料。

天然气的成因和石油相似,但它分布的范围和生成温度范围要比石油广得多。即使在较低温度条件下,地层中的有机物也能在细菌的作用下形成天然气。有的天然气蕴藏在不含石油的岩层里;有的和石油贮存在一起。钻探石油时发生的井喷,就是由于地层中的天然气在高压下向外喷发的缘故。

世界上已查明的天然气储量为100多万亿立方米。前苏联和伊朗两国占世界总储量的一半以上。其中,前苏联居世界第一,储量有41万亿立方米。所以,前苏联又是最大的天然气出口国。估计南极大陆天然气的储藏量有3000亿立方米。中国是天然气资源丰富的国家。据1987年底估计,我国大陆及沿海大陆架拥有天然气总资源量为3~4万亿立方米。并且已找到十多个气量在50亿立方米以上的天然气田,其中气量在100亿立方米以上的中型气田6个。1982年起,中美合作勘探的莺歌海天然气田,已探明天然气地质储量超过1000亿立方米。