书城科普读物探究式科普丛书-变化无常的物质形态
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第7章 息息相关——生活中的物质形态(2)

气态的燃料就是利用气体来进行助燃的一种能源。最常见的气态燃料主要有沼气、天然气以及煤气等。虽然它们都是气态的,但是组成成分却不同。你想知道这些不同气态物质是有什么样的成分组成的吗?让我们一起走进气态燃料的世界吧!

(1)沼气

生活在农村的孩子,对沼气应该不陌生吧!它是一种最常见的燃料,主要是由一些有机物质,例如庄稼的秸秆、杂草、树叶、人畜的粪便等废弃物,掺杂在一起,在一定的温度、湿度、酸度条件下,隔绝空气(一般是放在沼气池中),经发酵(微生物作用)而产生的一种可燃性气体。沼气不是某一种气体,而多种气体的混合物,含60%~70%甲烷,以及一定比例的二氧化碳、硫化氢、氮气和一氧化碳等。另外还含有少量硫化氢,这也是它略带臭味的原因。

在沼气发酵的过程中,微生物能够分解复杂的有机物质,其中的糖类、脂肪、蛋白质分解成比原来更为简单的物质,例如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。另外,由于被分解有机物质的菌类中含有甲烷菌种,因此在它的作用下,能把这些简单的物质变成甲烷,甲烷是沼气的主要成分,甚至有的时候沼气就是甲烷。

不同地方的沼气需要在不同的条件下进行发酵,按照发酵沼气所用的原料不同,可以将沼气发酵分为农村发酵、城市发酵和水生物发酵等。

首先是农作物发酵,这是利用农村所拥有的原料来进行建设的发酵装置。这些原料有两种,分别是富含氮的原料和富含碳的原料。

含氮的原料通常是指人、畜和家禽粪便,其含氮量比较高。这些农作物经过了人和动物的胃肠系统地充分消化,形成粪便,一般颗粒细小,含有大量的低分子化合物,也是人和动物未吸收的中间产物,并且含水量较高。因此在进行沼气发酵时,不需要特殊的处理,就能够进行厌氧分解,并且产气速度快,发酵周期短。

含碳的原料是指农村用的秸秆和秕壳等农作物的残余物,这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质,含碳量高,其碳氮比多在40:1以上。但是,这些原料在进行厌氧分解的时候,比富含氮的原料要慢得多,并且发酵的周期也较长。

由于秸秆类富含碳的原料,一般干物质的含量比富氮原料要高一些,并且它们的重量比较小,因此在把它们放入沼气池的时候容易飘浮形成浮壳层。因此,在利用这些原料之前要做一些特殊处理,以便提高原料的产气速率和利用率。

其次是城镇发酵,是利用有机废物废水来进行发酵的。这些有机废水主要包括人粪尿、生活污水、有机垃圾、有机工业废水、废渣和污泥等。例如酒精蒸馏废液、酵母厂的废水、抗菌素厂废水、豆制品厂废水、制酱厂废水和纸浆废水等,都是一些含有不同量蛋白质、脂肪和碳水化合物的原料,也是进行制造沼气的好原料。与天然有机物相比,它更容易分解一些。

再次是水生植物发酵,它是一种利用水生物作为原材料进行发酵的装置。这些水生物主要包括水葫芦、水花生、水浮莲和其他水草和藻类等。这些水生植物的最大特点是对太阳能力有很强的利用力,并且繁殖速度也很快、产量比较高。另外,这些水生植物的组织非常鲜嫩,极易厌氧分解。因此用它们作沼气原料,具有产气快、周期短的特点。但是唯一不足的是,这些水生植物体内有气室,容易飘浮,如果直接放进沼气池的话,不容易集中到一起。因此,用作沼气发酵原料时,需要晾干或堆沤2天后再放入沼气池。这样一来,效果会比较好,能够达到产气快、利用率高的目的。

为什么人们喜欢把沼气当作生活的燃料呢?因为沼气具有成本低、污染少、原料充足的特点,因此特别适合农村使用。另外,沼气的产生是由于利用一些生活废品,这就能达到废物利用的目的,是一种比较环保的能源。并且沼气的使用范围很广,可以用来家庭照明、做饭;还可以用于农业生产,如温室保温、烘烤农产品、沼气防蛀、储备粮食、水果保鲜等。沼气也可发电,做农机动力,大、中型沼气工程生产的沼气可用来发电、烧锅炉、加工食品、采暖或供给城市居民使用。

知识小百科

发现沼气

你知道世界上最早的沼气池是什么时候、什么人、在什么地方发现的吗?沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。自此以后,便有许多科学家对沼气产生了兴趣,从而研究出沼气的主要成分——甲烷,并开始对沼气加以利用。

(2)天然气

什么是天然气呢?它是不是自然形成的气体呢?天然气是由埋藏在地下的古生物,经过上亿万年的高温和高压等作用,从而形成的一种可燃气体。它是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质燃料。其主要成分是甲烷,是一种主要由甲烷组成的气态化石燃料。它主要存在于油田和天然气田中,也有少量出现在煤层中。

既然天然气是一种埋藏在地下的能源,那么人们是怎么样开采天然气的呢?其实,并不是所有的天然气都可以为人类服务,有一些天然气是不能被开采的,例如溶解态、吸附态和固态水合物天然气。

只有游离态的天然气经聚集形成天然气藏,才能被开发利用。天然气和煤、石油一样,是一种一次性能源,虽然在地下有很大存储量的天然气,但是由于开采量和利用量比较大,因此它将要变成一种十分宝贵的能源。在生活中,它主要应用于居民的生活燃料、汽车、船舶、飞机等交通运输工具的燃料。由于它热值高,燃烧产物对环境污染少,因此被认为是优质洁净燃料,也是最受欢迎的燃料。

一般情况下,天然气的开发地和使用地不在一起,正由于此,商家们则需要解决天然气的运输问题。这就需要把气态的天然气转化为液态,而天然气的主要成分是甲烷,其临界温度较高,在常温下无法仅仅靠加压使其液化。因此,为了解决这个问题,人们作了专门的研究,目前这一研究已经成为一个专门的技术,并且正在以迅猛的速度发展。液化天然气技术除了用来解决运输和储存问题外,还广泛用于天然气使用时的调峰装置上。

天然气能够成为人们喜爱的燃料,主要是因为它具有许多优点,例如绿色环保、经济实惠、安全可靠、改善生活环境等。因此,天然气已经成为现在主要的家用燃料,是人们生活的必须物质之一。

(3)煤气

煤气是一种以煤为原料加工制得的含有可燃成分的气体。它是一种比较普遍的家用燃料,无论在农村还是在城市,都是一种比较受欢迎的燃料。但是,与其他两种气体燃料相比,煤气的安全性不大。特别是冬季,如果通风不好,容易造成一氧化碳中毒,也就是我们常说的煤气中毒。

煤气主要分为两种,一种是由煤气化得到的水煤气、半水煤气、空气煤气,这些煤气的发热值比较低,因此又统称为低热值煤气;另一种是在煤干馏法中焦化得到的气体,称为焦炉煤气,这是一种中热值煤气,可供城市居民使用燃料。由于煤气中含有大量的一氧化碳和氢气,所以也是重要的化工原料,可以用来合成氨、甲醇等。因此,将用作化工原料的煤气称为合成气,从天然气、轻质油和重质油中也可以提取煤气。

2.液态燃料

生活中,不仅有气态的燃料,而且还存在着液态燃料,要不然火车就不能运行,汽车就不能飞奔,飞机就无法起飞,轮船就不能航行。那么,这些液态的燃料主要有哪些呢?它主要包括石油、汽油和柴油等,这也是我们最常见的三种液态燃料。

(1)石油

石油又称原油,是从地下深处开采出来的棕黑色、可燃的黏稠液体。它主要是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物,是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化而形成的,与煤、天然气一样,也属于化石燃料。

到目前为止,关于石油的成因有两种说法:一种是无机论,认为石油是在基性岩浆中形成的;另一种是有机论,认为石油是各种有机物,例如动物、植物、特别是低等的动植物等,灭亡以后埋藏在地下,在物理化学的作用下,经过漫长的演化而逐渐形成的。

石油的原油颜色非常丰富,有红、金黄、墨绿、黑、褐红、甚至透明等颜色。它本身含有胶质、沥青质等,含这些物质越多,石油的颜色就越深。不过,衡量石油质量的好坏不是颜色越深越好,而是颜色越浅油质越好。透明的原油可直接加在汽车的油箱中代替汽油使用。但是,大部分的石油都是含有胶质、沥青等物质的,因此必须在提炼之后才能使用。

石油是一种以碳氢化合物为主,具有特殊气味、有色、可燃性油质混合液体燃料,和天然气不同的是,天然气是以气态的碳氢化合物为主、具有特殊气味的、无色的、易燃的混合气体燃料。因此,有的时候它们之间的使用是可以互换的。不过,石油要经过提炼才能被使用。那么,它又是通过何种方式提炼出来的呢?