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第8章 与水无关的冰

1.可以燃烧的冰—海底可燃冰

冰可以燃烧吗?或许你也许不会相信,但是,事实上人们在海底确实发现了一种可燃冰。

20世纪60年代以来,人们陆续在冻土带和海洋深处发现了一种可以燃烧的“冰”,它就是我们常说的“可燃冰”。通常,这种“可燃冰”在地质上称做海底可燃冰。

可燃冰是一种白色固体物质,外形类似冰状,燃烧力很强,可以说是一种上等的新型能源。其主要由水分子和烃类气体分子组成,主要成分是甲烷,因而又被叫做甲烷水合物。通常来讲,海底可燃冰是在特定条件(如温度、压强等)下,由气体或挥发性液体与水相互作用过程中而形成的一种外观像冰的固体水合物。所以,如果一旦条件改变(如温度升高或者压强降低),甲烷气体逸出,固体水合物就会趋于崩解。通常人们常常在水深大于300米的海底沉积物或寒冷的永久冻土中发现固态的可燃冰,这是因为那里的气压和温度非常适合它的存在。海底可燃冰依靠巨大水层的压力和较低的温度来维持它的固体状态,所以它一般存在于从海底到海底之下1000米的范围以内。而在深度大于1000米的海底,由于地温的上升,开始变得不利于保持它的固体形态了。

在物理性质上,海底可燃冰的密度接近并稍低于冰的密度,剪切系数、电解常数和热传导率等也都均低于冰。

(1)海底可燃冰的形成

众所周知,天然气分子被包进水分子中,在海底低温与高压的作用下结晶从而形成了可燃冰。一般来说,可燃冰的形成必须具备3个基本条件,即温度、压力和原材料。

①温度上必须保持在0℃以上,否则,可燃冰就很难形成,其最适宜的温度为2℃~4℃左右,通常来说,温度不宜太高,如超过20℃以上时,可燃冰就会自动分解。

②若在0℃的气温条件下,可燃冰的形成要有30个标准大气压。一般是气压越大,形成的可燃冰就越不容易分解。

③在原材料上,海底有丰富的有机物质,这些含碳的有机物经生物转化后,可产生大量的天然气。

另外,加上海底的地层为多孔介质,所以,一般在同时具备以上3个条件的情况下,便可形成可燃冰。

(2)可燃冰的资源量

海底可燃冰绝大部分都分布在海洋里。相关专家估算,陆地可燃冰的资源量还不到海洋里可燃冰资源量的1/%。据最保守的统计,全世界海底可燃冰中贮存的甲烷总量大概有1.8×1016立方米,合1.1×1012吨左右。因而,有人就预言,海底可燃冰可能是人类未来动力的希望。

西方学者称可燃冰为“21世纪能源”或“未来新能源”。在世界各地的海洋及大陆地层中,目前已经探明的可燃冰储量相当于全球传统化石能源(即煤、石油、天然气、油页岩等)储量的两倍以上。仅海洋中的海底可燃冰,供人类使用1000年都不成问题。

(3)海底可燃冰的分布

从20世纪60年代开始,人们通过深海钻探计划和随后的大洋钻探计划,在世界各大洋与海域进行了有计划的深海钻探和海洋地质地球物理勘查,结果发现在多处海底的深处可直接或间接地开采海底可燃冰。迄今为止,世界上已知海底可燃冰的分布有:大西洋海域,集中分布在墨西哥湾、加勒比海、南美东部陆缘、非洲西部陆缘和美国东海岸外的布莱克海台等。西太平洋海域主要分布在白令海、鄂霍茨克海、千岛海沟、冲绳海槽、日本海、四国海槽、日本南海海槽、苏拉威西海和新西兰北部海域等。而东太平洋海域则主要分布在中美洲海槽、加利福尼亚滨外和秘鲁海槽等,另外,印度洋的阿曼海湾,南极的罗斯海和威德尔海,北极的巴伦支海和波弗特海,以及深居大陆腹地的黑海与里海等都有可燃冰的影子。

自20世纪80年代起,美、英、德、加、日等发达国家纷纷在海底可燃冰的调查研究和评价工作投入了巨资。尤其是美、日、加、印度等国,在勘查和开发海底可燃冰上还制定了国家计划。在勘查和开发海底可燃冰方面处领先地位的,当属日本和印度。

我国是世界上最大的发展中海洋大国,但能源短缺表现得十分突出。现在,我国在油气资源供需上有着巨大的差距。自1993年以来,我国从油气输出国转变为净进口国。1999年,我国进口石油4000多万吨,到了2000年,我国的石油进口量上升为7000万吨。据相关人士预算,到2010年,我国的石油缺口可能会达2亿吨左右。因此,开发新能源,已经成为保证中国经济高速发展的当务之急。海底可燃冰资源丰富,而且在技术上也没有困难。其上游的勘探开采技术有常规油气的勘探开采技术可借鉴,下游的天然气运输、使用等技术也都很成熟。因此,加强可燃冰的调查评价是贯彻实施党中央、国务院确定的可持续发展战略的重要措施。同时,这也有利于开发我国21世纪新能源、改善能源结构、增强综合国力、提高国际竞争力、保证经济持续稳步健康发展。

目前,在海底可燃冰的研究和勘查上我国已经取得了可喜的进展。我国已经在南海西沙海槽等海区相继发现存在海底可燃冰的地球物理标志BSR。这表明中国海域也有可燃冰资源的分布。同时,在青岛海洋地质研究所,我们已经建立了有自主知识产权的海底可燃冰实验室并成功点燃海底可燃冰。

2.干燥的冰—干冰

说起干冰,大家都不陌生,干冰在我们生活、工作中的应用也很广泛。干冰虽然叫冰,但它和水却没有任何关系,它是二氧化碳的固体形态。

(1)干冰

干冰是固态的二氧化碳。气态的二氧化碳在常温和压强为6079.8千帕压力下,会冷凝成无色的液体。这种液体再在低压下迅速蒸发,便凝结成一块块压紧的冰雪状的温度为——78.5℃的固体,这就是干冰。干冰蓄冷能力相当于水冰的1.5倍多。它吸收热量又升华成二氧化碳气体,无残留、无毒、无味,有杀菌作用。与水冰不同的是它受热后直接气化,而无需经过液化。因为干冰的温度非常低,所以,它经常用来保持物体维持冷冻或低温状态。

室温下,如果把二氧化碳气体加压到101325帕时,只要有一部分蒸气被冷却到——56℃左右时,就有雪花状的固态二氧化碳形成。固态二氧化碳的气化散热很多(在——60℃时为364.5焦/克),所以,在常压下,干冰直接升华成气体,而不会产生液体,这也就是人们叫它“干冰”的原因。

(2)干冰的用途

在我们的生活工作中,干冰的使用范围十分广泛,它的应用几乎遍及各行各业各个领域。如在食品、卫生、工业、餐饮中都有大量应用。

①干冰用于清洗工业模具。

干冰可以用来清洗各种模具,通过清洗可以清除模具上的多余树脂、失效脱膜层、炭化膜剂、油污、打通排气孔。清洗后,模具光洁又如新的一般了。

干冰可以在线清洗,这样不需要降温和拆卸模具,既能避免化学清洗法对模具的腐蚀和损害,又能避免机械清洗法对模具的机械损伤及划伤,以及反复装卸造成的模具精度下降等弊端。重要的是,干冰清洗可以省去拆卸模具及等待模具降温这两项最耗时间的步骤,这样大大节约了时间。

干冰清洗的优点:可以减少或避免清洗过程中对设备的损坏;可以极有效地清洗高温的设备;能减少溶剂的使用;能减少工作人员的劳动量;可以增进模具的保养效率;可以减少生产停工期、降低成本、提高生产效率。

②干冰清洁剂在其他行业的应用。

干冰作为清洁剂除了可以清洗模具之外,对其他行业的应用也很广泛。如在石油化工业、食品业、制药业、印刷业等行业都发挥了很好的作用。

总的说来,用干冰做清洗剂优点有:减少停工时间、提高工作效率;干冰升华变成二氧化碳气体没有污染和危害;干冰还有杀菌消毒的作用;干冰的清洁效果又很好,被清洁的污染物可以有效地分解而不会污染环境。

③干冰在美容行业的应用范围。

干冰除了可以作为清洁剂外,由于它制冷效果特别好,所以还可以用于美容行业的冷冻治疗。

干冰被皮肤科医生用来治疗青春痘,这种治疗被称做冷冻治疗。在冷冻过程中,皮肤会被干冰轻微地冷冻起来。

把干冰磨碎再与乙酮混合,就是治疗青春痘的一种冷冻材料,还可以再混合一些硫磺。另外,液态氮及固态干冰也是用来做冷冻治疗的好材料。用冷冻治疗方法治疗青春痘的好处在于可以减少发炎,从而减少青春痘疤痕的产生。

④干冰在食品行业的应用。

干冰作为一种制冷剂在食品行业的应用已经很广泛了。

在葡萄酒、鸡尾酒或饮料中加入少许干冰块,不仅饮用时凉爽可口,而且杯中烟雾缭绕,在视觉上也是一种不错的享受。

如在制作冰淇淋的过程中加入一些干冰,这样做出来的冰淇淋不易融化。干冰还特别适合外卖冰淇淋的冷藏。

干冰最适合用于冷冻冷藏食品,如龙虾、蟹、鱼翅等海产品。这是因为干冰融化之间变成气体,不会生成液态水,干冰冷藏比水冰更清洁、干净。目前,干冰在冷藏中的应用已经在欧、美及日本等国得到了推广。

此外,腾云驾雾的干冰菜可谓是干冰在饮食上的创新性的应用。有些星级宾馆、酒楼制作的海鲜特色菜肴,在上桌之前加上几块干冰,这样不仅保持了菜的凉爽可口,还可以产生白色烟雾景观,大大提高了宴会档次。

⑤干冰在娱乐领域的应用。

干冰还可以用来制造人工烟雾。由于干冰的温度很低,当它升华时低温的二氧化碳气体遇到空气,就会使空气中的水蒸气凝结成小水滴,产生视觉上的烟雾效果。在许多舞台、剧场、影视、婚庆、庆典、晚会上所放的烟雾,就是利用干冰制作出来的效果。

⑥干冰用于消防业。

在消防业中,干冰可用来灭火,如用来制造部分低温灭火器。不过,干冰在这一领域内的应用还比较少,市场程度较低。

⑦干冰用于人工降雨。

用干冰人工降雨也是利用了它的制冷效果。当干冰被人类驾驶飞机撒在云上,由于干冰极低的温度,当它遇到云中的小水滴时,就会使其冻结成许多小冰晶。这样整个云团的气温都降低了,就会有更多的水蒸气凝结,最后变成雨滴降落到地面。

3.冰家败类—冰毒

冰毒是“冰氏家族”的“不肖子”。它学名甲基苯丙胺、去氧麻黄素(碱)或甲基安非他命。冰毒味微苦,易溶于水,是一种透明的固体,外观和冰很相似,所以俗称“冰”。由于它的毒性剧烈,人们又称它为“冰毒”。

冰毒是一种人工合成的兴奋剂,小剂量使用可以提高人的心境,有能力增加、觉醒程度提高的感觉。服用后有精神振奋、清醒、机敏、话多、兴致勃勃、思维活跃、情绪高涨、注意力集中、工作能力提高等表现,即使长时间工作或学习也没有疲劳感和饥饿感。由于冰毒有这些特性,所以出现了滥用现象。曾经有一些长途行车的司机服用它来避免疲劳,有一些学生服用它挑灯夜战应付考试,也有运动员靠服用它来增强耐力和速度,还有演员借助它来增加精力和提高表演艺术等。不过,这些使用者都不是经常的使用者。

(1)冰毒的由来

冰毒最早是1919年由日本化学家绪方章合成的。第二次世界大战中,日军为了提高战斗力曾集体服用冰毒,战后冰毒开始走向市场。20世纪50年代冰毒在国际上的滥用开始流行,在我国管它叫“抗疲劳素片”,可见当时对它的危害还没有足够的认识。1957年,曾在重庆发现吸食冰毒成瘾的人群。几年后,又在山西、内蒙古等地发现过冰毒滥用的问题。后来,去氧麻黄素(冰毒)的生产、销售与使用在我国被禁止。在60年代的一些欧、美国家,冰毒主要在夜总会、酒吧、迪厅、舞厅中滥用。到了90年代后,冰毒、摇头丸等“舞会药”又在全球范围粉墨登场,滥用人群从早期的摇滚乐队、流行歌手和一些亚文化群体蔓延到社会各阶层,其中尤以青少年为主。

(2)冰毒的危害

冰毒有兴奋中枢神经,使机体愉快、警觉和抑制食欲的作用,反复使用会上瘾。冰毒中毒症状表现为多话、错乱、高烧、头痛、盗汗、血压上升、瞳孔放大、没有食欲等。大量使用会导致精神错乱、思想障碍,有类似妄想性精神分裂症,会出现多疑、幻听、被害妄想等症状。如果长期服用会导致器官性脑症候群,有高血压和脑中风的危险。停用冰毒后会表现得精神呆滞、昏睡、易怒、烦躁不安、忧虑,甚至有自杀的倾向。

此外,过量地服用冰毒还会导致急性中毒。严重者会表现出精神混乱、性欲亢进、焦虑、烦躁、幻觉等症状。长期滥用冰毒也会造成慢性中毒。其表现有体重下降、消瘦、溃疡、脓肿、指甲脆化和夜间磨牙等。静脉注射方式的吸毒者后果会更严重,可引发各种感染合并症,如肝炎、细菌性心内膜炎、败血症和艾滋病等。吸毒人群也是艾滋病等传染病高发的人群。大量或者重复服用冰毒还会引发中毒性精神病,该病主要表现为被害妄想、幻觉,多为幻视,也可能出现听幻觉和触幻觉等症状,被现代医学称为苯丙胺精神病。

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