第4章 大气污染防治领域的新进展(3)

电在大气中如何产生和释放，这是一个200年来未解的科学之谜。科学家们曾经认为，大气中的水滴呈电中性，即便它们同尘埃颗粒和其他液滴上的电荷接触之后，也不会改变其“本性”。

但是，盖勒姆贝克表示，他的研究小组，在实验室模拟空气中的水和尘埃颗粒接触的过程，证实大气中的水确实能够获得电荷。他们选择的尘埃颗粒，为空气中常见的二氧化硅和磷酸铝颗粒，在高湿度环境下，空气中含有高浓度的水蒸气，二氧化硅变得带有更多负电荷，而磷酸铝则变得带有更多正电荷。盖勒姆贝克将这种电荷称为“湿电”，也就是“湿度产生的电”。他解释说，这显然表明，大气中的水可以积聚电荷，并把电荷转移给与它接触的其他物质。

盖勒姆贝克表示，科学家可以研发出能够收集湿电的湿电电池板，就像收集阳光的太阳能电池板一样，并将收集到的电力提供给家庭和商业场所使用。在美国东北部和东南部，以及潮湿的热带等湿度很高的地区，湿电电池板的效率也会很高。另外，类似的方法也可预防闪电和雷击。把湿电电池板，置于雷雨经常光顾地区的建筑物顶部，这种电池板会把雨中潮湿空气所带的电完全吸收掉，防止电荷积聚后形成闪电。

盖勒姆贝克还指出，尽管未来还有很多研究要做，但大范围利用湿电的效益将非常可观。目前，他的研究小组正在对多种金属进行测试，希望从中找出最有潜力用于捕捉大气中的电同时预防雷击的金属。

三、防治大气污染的新材料

1.英国研制的捕捉二氧化碳新材料

（1）开发出“捕捉”二氧化碳等工业废气的新材料。2007年2月，英国科学促进会主办的科学新闻网站报道，英国巴斯大学一个研究小组，开发出一种新材料，它可以“捕捉”二氧化碳等工业废气，有助于减少工业产品生产和使用过程中造成的空气污染。

据报道，研究人员开发的这种新材料由纳米级多孔纤维构成。这种纤维上有许多小孔，孔眼大小不及一根头发丝直径的千分之一。这样的结构和纤维中所含的物质，均有助于从气流中“捕捉”二氧化碳气体、挥发性碳氢化合物和其他工业废气。

巴斯大学的专家指出，与目前工业生产中废气清理技术的能耗相比，制作并使用上述新材料的能耗只及前者的5%。这种新材料最初将应用于饮料制造业，此外加油站等设施，也可用该材料清除汽油挥发时所含的苯。

据报道，这种新材料的研制技术已获得英国皇家学会管理的一个创新奖，奖金额为18.5英镑。

（2）研制成可捕捉二氧化碳的新材料。2012年6月，英国诺丁汉大学等机构组成的一个研究小组，在《自然·材料》杂志上报告说，他们研制出一种新型多孔材料，这种材料中的孔洞就像一个个“笼子”，其他气体可自由通过，但二氧化碳会被截留，因此这种材料有望用于工业上捕捉二氧化碳，减少碳排放。

研究人员报告说，他们研发出一种名为NOTT-202a的新材料。它的分子结构单元，是以锢原子为中心，周围是以各种有机分子链条编织成的“笼子”，整体上看呈现出多孔特征，有些类似自然界中的蜂窝结构。

实验显示，这种“笼子”具有一种特殊性质，那就是如果把空气压入这种多孔材料之中，大部分气体如氮气、氧气、氢气和甲烷等随后可以从“笼子”中出来，唯独二氧化碳会被留下，锁在“笼子”中。

研究人员说，在当前需要减少二氧化碳排放以应对气候变化的大背景下，这种材料有望用于工业上捕捉二氧化碳。比如在工厂的烟囱中安装由这种材料制成的捕捉装置，减少工厂的碳排放，帮助减排。

（3）开发出新型二氧化碳吸收材料。2012年9月，英国诺丁汉大学施罗德教授领导的一个欧洲研究小组，在《自然·材料》杂志上发表研究成果称，他们在欧盟第七研发框架计划250万欧元的资助下，成功研究开发出一种新型的二氧化碳吸收材料。

它具有专门独特的吸收并储存二氧化碳的特性，可以被直接应用于降低大气中的二氧化碳含量，也可以通过设计开发出的新产品应用于减少化石燃料燃烧过程中的二氧化碳排放，属于新型的碳捕获及封存技术材料。

研究人员表示，新型材料独特的结构缺陷，显示出强大的吸收二氧化碳的能力。他们使用欧盟设立于英国的“钻石光源”大型科研基础设施，利用最先进的X一射线粉末衍射测定技术工艺和自行设计开发的计算机模拟系统，对开发出的新型材料，进行了详细的结构分析测定，并在此基础上确定和合理化新型材料的结构及功能。

研究小组开发出的新型材料，为连锁金属有机框架结构材料，主要由四羧酸配位体组成。其结构为锢金属中心，绑定到中央原子的系列粒子或离子构成，类似蜂巢状图案的材料结构，可以有效地保证有选择性地专门吸收二氧化碳，而其他的气体如氮、甲烷和氢等，可以顺利地通过材料结构。二氧化碳被材料结构中的纳米孔束缚住，甚至在很低的温度情况下也可以束缚住，从而可实现二氧化碳的捕获及封存。

2.其他国家开发的吸附二氧化碳新材料

（1）开发出“吸毒”黑塑料。2006年2月，德国媒体报道，目前，焚烧设备的烟尘过滤装置都采用聚丙烯制成。焚烧设备运行时，烟尘中的二氧化物很容易沉淀在其表面，在温度升高时，沉淀物又会脱落，重新回到烟尘中，造成排放超标。为解决这一难题，烟尘过滤装置必须定期更换，而且更换过程复杂，成本昂贵。

最近，德国科学家开发出一种新型黑塑料，既能吸附对环境有害的二氧化物等物质，又能阻止沉淀物落到焚烧设备烟尘过滤装置的表面。

在垃圾焚烧设备上的试验表明，这种黑塑料非常实用，具有很好的应用前景。目前，德国已有3套垃圾焚烧设备采用了该项技术。

（2）发明吸附二氧化碳的新材料。2008年2月15日，美国加州大学洛杉矶分校，化学家奥马尔·亚吉领导的一个研究小组，在美国《科学》杂志发表研究报告称，他们发明了一种能吸附二氧化碳的新材料，有助于减少这种温室气体的排放。

报告说，研究人员利用化学合成法，研制出新一代沸石咪唑酯骨架结构材料，这种材料能有效吸附工厂烟囱和汽车排气管排出的二氧化碳。

它是一类具有可调整孔洞大小及化学性质的材料，具有高度稳定性和结构多样性，能分离物质，吸附储存气体，用作异相催化的催化剂。

研究人员说，这种材料吸附力强，能把二氧化碳固化，以阻止其向大气排放，然后人们可把如此吸附二氧化碳的新材料埋入地下。经过测试表明，体积为1升的这种材料，最多可吸收83升的二氧化碳。

亚吉说，把这种材料环绕放置在排放二氧化碳的工厂烟囱内壁，就能明显地减少二氧化碳排放，如果在汽车排气管内安放该材料，也能获得同样效果。

不过，美国能源部官员认为，这种材料虽然有可能大大降低处理二氧化碳的成本，但仍需进一步进行试验。

（3）开发可大量吸附二氧化碳的新材料。2008年5月5日，法国国家科研中心宣布，他们研制出一种名为MIL—101的新型材料，能够大量吸附二氧化碳气体，这种材料有望提升对抗全球变暖的能力。

它由铬元素和对苯二甲酸合成，是一种多孔的复合纳米材料。由于它表面布满直径为3.5纳米的小孔，因此吸附能力十分强大：这种材料在25℃的温度下，1立方米可储藏400立方米二氧化碳。

报道说，目前全球二氧化碳的排放量还在持续增长，从而进一步加快全球变暖的速度，对生态系统造成灾难性影响。而这种新型材料可以被安放在汽车上，对其排出的二氧化碳进行过滤，从而达到减排温室气体的作用。

四、防治大气污染的新设备

1.研制监测空气质量的新设备

（1）开发成功新型气体成分探测仪。2004年6月，英国莱斯特大学化学系，保尔·蒙克斯博士领导的一个研究小组，开发出一种新型空气成分探测仪，这种探测仪具有反应灵敏、迅速的特点，能在很短的时间内探测出空气中包括人的呼吸等在内的微量成分。

新型探测仪，是该研究小组进行的城市污染监测项目的一部分，是研究人员利用质子转移电离反应和质谱分析相结合的成果。实验显示，利用这一技术，对空气中微小的易挥发有机物进行探测，在不到一分钟的时间内就可获得准确的分析结果。

蒙克斯博士表示，他们开发这种仪器的主要目的，就是要为人们监测日益增加的易挥发有机物，提供一种迅速准确的监测手段。这种仪器不仅能精确地探测大气成分，在医学、司法和电子探测领域，也有很大应用潜力。比如，由于人体平时，也会自然产生一些易挥发有机物，并从口中呼出来。因此，通过对呼吸成分进行分析，就可判断某人是否患有某种疾病。另外，通过探测腐烂尸体散发出的易挥发有机物，还可判断出尸体掩埋的大致区域等。

（2）研制出甲烷空中远程探测系统。2006年10月，德国公司研制出一种甲烷空中远程探测系统，利用红外激光的吸收和反射原理，通过检测空气中的天然气含量发现管道泄漏情况。

德国境内约有4.5万千米长的高压天然气输送管，工作人员要定期检查管道是否受损。通常的直升机空中检查，只能判断地面上的管道是否出现泄漏。工作人员在检查埋在地下和铺设在居民区内的管道时，要使用气体探测器，即必须徒步检查，费时费力。

甲烷空中远程探测系统，由鲁尔燃气公司、德国航空航天中心和阿德拉勒斯激光公司联合研制。使用时，工作人员将这种基于红外激光的探测设备，装上直升机的货舱，就可在150米的飞行高度，发现空气中极微量的天然气。

探测器的工作原理很简单：直升机发射脉冲激光，机载接收装置记录并分析被地面反射回来的激光。激光遭遇甲烷分子时会被后者吸收。系统根据回射激光的强度，判断空气中的甲烷含量，一旦含量超标就会发出报警信号。

系统的协调装置还会根据直升机的运动调整激光的照射方向，使激光始终瞄准管道所在位置。在实际操作中，飞机根据管线图飞行。由于地下管道泄漏的天然气，可能受地面铺设物的阻隔，并不一定只从管道上方的地面溢出，所以激光扫描的宽度达到12米。

2.研制治理汽车尾气的新装置

（1）开发出减少汽车尾气的“停车起步”装置。2004年9月，有关媒体报道，汽车在临时停车不熄火时，尾气污染非常大，同时也白白消耗能源，而司机关闭发动机到需要启动时，往往造成更大污染。法国标致雪铁龙汽车公司宣布，推出一种新型汽车制动装置，很好地解决了这一矛盾。

装有“停车起步”装置的汽车。每当车停时，发动机就会暂时停转，以避免在红灯、停车和堵车时制造空气污染。它可使城市汽车减少10%的汽油消耗，堵车时甚至减少15%。

专家认为，因为城市里的汽车燃料消耗，比其他地区多1/4，发动机不断地重启和加速，也导致了更多的污染。“停车起步”装置，有联合启动器和交流发动机的功能，每当汽车停止不动时，发动机就会自动关闭；驾驶员松开刹车，引擎又会重新发动。

如果外面的温度低于10℃或高于32℃，它还会自动停止工作，以让空调保持运转。此外，配备该装置的汽车噪声及振动较小，乘坐的人感到舒适，而行车周围的人也少受干扰。

（2）发明让汽车废气变油变水的“绿盒”装置。2007年7月19日，英国媒体报道，英国北威尔士一名有机化学家和两名工程师组成的一个研究小组，发明了一个名为“绿盒”的装置，可以安装在汽车后方消音器的位置，收集汽车喷出的废气，经过处理后，这些废气剩下的便基本上只有水蒸气了。“绿盒”回收的废气包括二氧化碳和一氧化二氮，收集所得的废气经藻类生物反应器处理，再加提炼成为生物柴油，可供车辆使用。

“绿盒”装置化废为宝的过程非常简单，当“绿盒”收集满废气之后，车主可以换下它，然后放入藻类生物反应器，经过化学作用，“绿盒”中收集满的废气，被用来“喂养”给藻类。藻类长成后则被压碎，制成生物柴油，加入汽车用的油品中。研究人员称，“绿盒”能用在汽车、公车、卡车上，将来甚至能应用到建筑物、重工业厂房乃至于核工厂中。他们还开了一间公司专门研究这一技术。

过去两年，该研究小组共进行130多次测试，结果证明“绿盒”可收集85%95%的汽车废气，现在还与日本，以及美国的几家大型汽车制造商接触，希望能建立合作关系。这三名发明家表示，他们共花了近17万英镑来研究有关技术。

3.研制防治大气污染的其他新设备

（1）开发吸收二氧化碳的薄膜接触器。2005年1月，有消息说，新加坡南洋理工大学正在研制中空纤维薄膜接触器，用来吸收石油燃料燃烧过程中排放的二氧化碳。

研究人员说，他们希望所开发的薄膜接触器，能够比现有的接触器多吸收30倍的二氧化碳，但占地面积只有目前接触器的65%，成本则降低25%。

现在，发电厂一般使用化学吸收剂来吸收二氧化碳。薄膜接触器虽能增加二氧化碳的吸收量，但现有薄膜易遭化学物质损坏，必须不断更新，生产成本大幅度提升，经济效益不佳。