來源： 百川資訊               更新時(shí)間： 2018年09月10日           關(guān) 鍵字：氟

       氟化工產(chǎn)品具有耐化學(xué)侵蝕、耐老化、 耐高低溫、絕緣等優(yōu)異的特性，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、化工、軍工等諸多領(lǐng)域， 已經(jīng)成長為科技水平最高、發(fā)展速度最快、最有行業(yè)前景的化工產(chǎn)品之一。但同時(shí)，氟是非常活躍的化學(xué)元素，它能瞬間與除了氦、氖、氬以外的其他元素發(fā)生反應(yīng)，因此被稱為“元素周期表里的暴龍”。

       氟化工人所做的事情就像是馴服暴龍的過程，把激烈的氟元素，轉(zhuǎn)變成為人類所用的各種材料。我們的公眾號(hào)——氟化工，專注氟化工的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，關(guān)注氟化工的新聞熱點(diǎn)與動(dòng)態(tài)進(jìn)展，希望與所有“馴龍人”——氟化工從業(yè)者共同成長。

       “氟就像是元素周期表中的暴龍”，化學(xué)教授Andrea Sella介紹說，“它瞬間就能與除了氦、氖、氬以外的其他元素發(fā)生反應(yīng)。”　　

       如果你看到過純的氟元素的話，它并不搶眼——只是一種淺黃色的氣體。但實(shí)際上這種氣體相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)，Sella所在的倫敦大學(xué)學(xué)院化學(xué)系甚至都不保存這種氣體。氟氣的氣味有點(diǎn)像氯氣，Sella介紹說，“不過通常如果你聞到氟氣的味道，你應(yīng)該盡你所能迅速地離開。”

       Sella還有一罐另外一種可怕的物質(zhì)——氫氟酸。這種物質(zhì)的酸性（也就是其所含氫離子的反應(yīng)性）并不像其他一些大眾熟悉的酸（比如鹽酸和硫酸）那么強(qiáng)。

       但氫氟酸仍然是一種劇毒的化學(xué)品，因?yàn)槠渌姆x子能夠穿透你的身體。“氫氟酸與皮膚接觸會(huì)產(chǎn)生令人難以忍受的灼傷和疼痛，你也沒有辦法真正地處理傷口，因?yàn)榉x子會(huì)進(jìn)入你的體內(nèi)”，Sella說。一旦進(jìn)入體內(nèi)，氟離子會(huì)結(jié)合身體里的鈣，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致人的心臟衰竭。

       氫氟酸的腐蝕性也有它的用途，比如蝕刻玻璃或是芯片上的電路。這種有毒的酸的主要用途是生產(chǎn)各種其他化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)有一個(gè)共性——在化學(xué)反應(yīng)性方面，它們都非常的不活潑。

       “與極其活潑的氟元素發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果就是反應(yīng)產(chǎn)生的化合物非常的穩(wěn)定”，Sella介紹說，“被氟環(huán)繞的分子就像烏龜殼里的烏龜，你沒有辦法突破氟與其發(fā)生反應(yīng)。”

       以聚四氟乙烯（特氟隆）為例，這種材料由被氟包裹的長長的碳鏈構(gòu)成。碳-氟鍵非常強(qiáng)，很難被斷開，這使這種塑料很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，適合用于制造不粘鍋。

       牙膏也是一個(gè)例子。牙膏里含有微量的活躍的氟離子。但在刷牙時(shí)，這些離子會(huì)與你牙齒里的鈣結(jié)合，產(chǎn)生一層化學(xué)上不活躍的氟化鈣，為你的牙齒提供保護(hù)。

       氟這個(gè)名字是怎么來的？氟在自然中以氟化鈣的形式存在，氟化鈣也叫氟石或者熒石。

       從19世紀(jì)開始，在英國峰區(qū)的德比郡就開始開采氟石。最開始的時(shí)候，氟石在謝菲爾德附近的煉鋼工業(yè)（世界上最早的鋼鐵工業(yè)城鎮(zhèn)）中被用作燃劑（"flux" agent)，來降低鋼的沸點(diǎn)，氟（fluorine）就得名于此，“flux”和“fluorine”都來自拉丁語，是“流動(dòng)”（flow）的意思。在這一地區(qū)開采的一些礦石在紫外燈下能夠發(fā)光，這被稱為“熒光”（fluorescence，這一現(xiàn)象實(shí)際上是由于礦石不純導(dǎo)致的，純的氟不會(huì)發(fā)熒光）。現(xiàn)代氟化工中的氟元素，幾乎全部來源于螢石。

       氯氟烴最早被大規(guī)模生產(chǎn)是由于其被看做一種完美的制冷劑——能夠在氣態(tài)和液態(tài)間迅速轉(zhuǎn)換的液體，從而吸收和釋放大量的熱。由于這種特性，氯氟烴可以用于在冰箱或是空調(diào)中進(jìn)行循環(huán)散熱。由于能夠迅速的蒸發(fā)，這類化合物也被用于制造便捷的噴霧劑。

       氟氯烴的發(fā)明人是頗具悲劇色彩的美國化學(xué)家小托馬斯·米基利（Thomas Midgley Jr），發(fā)明向汽油中添加鉛的化學(xué)家也是他。

       在含鉛汽油對(duì)人的毒害這一方面，米基利幾乎無法撇清自己應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任。但是在氟氯烴的危害方面，Ian Shankland則認(rèn)為米基利不應(yīng)該受到苛責(zé)。Ian Shankland就職于美國化學(xué)工業(yè)巨頭霍尼韋爾，領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)新的制冷劑。

       “上世紀(jì)20年代的時(shí)候”，Ian Shankland介紹說，“有些制冷劑易燃，比如烴。有些制冷劑有毒，比如氨。還有些制冷劑既易燃又有毒，比如氯甲烷。不斷發(fā)生事故致人死亡。”

       據(jù)Shankland介紹，在這些化合物中，用氫替換掉了氯氟烴中破壞臭氧的氯，這也使這些分子在大氣中能夠很快降解。氫氟碳化合物在幾十年的時(shí)間里（而不是數(shù)百年）就會(huì)降解，但它們?nèi)匀皇潜榷趸紡?qiáng)1000倍的溫室氣體。這一特點(diǎn)在車載空調(diào)上導(dǎo)致的問題尤其嚴(yán)重，因?yàn)樾旭倳r(shí)的震動(dòng)每年會(huì)導(dǎo)致大約10%的氫氟碳化合物制冷劑泄漏。

       由于這一原因，歐盟已于2017年開始禁用氫氟碳化合物制冷劑。霍尼韋爾Ian Shankland團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家目前已經(jīng)找到了能夠替代氫氟碳化合物制冷劑的物質(zhì)——氫氟烯烴。“這些分子里含有一個(gè)雙鍵”，Shankland介紹說，“因此在大氣中會(huì)迅速發(fā)生反應(yīng)，半衰期只有幾周。”

       雖然這些物質(zhì)的壽命短，對(duì)氣候的危害可以忽略，但這些最新的制冷劑仍然導(dǎo)致了一些爭議，這一點(diǎn)讓霍尼韋爾和其競爭對(duì)手，參與研發(fā)氫氟烯烴的杜邦公司，感到頭疼。

       2012年，德國的汽車制造商戴姆勒公司宣稱其生產(chǎn)的一款使用氫氟烯烴制冷劑的奔馳汽車在測試時(shí)發(fā)生自燃“成了火球”，這一意外讓該公司感到震驚。戴姆勒公司隨后又宣稱燃燒的火焰導(dǎo)致產(chǎn)生了氫氟酸蒸汽以及一些光氣的類似物，光氣是一種在第一次世界大戰(zhàn)期間使用的毒氣。

       德國政府成功地說服歐盟把減少使用舊制冷劑的生效時(shí)限推遲，以便給戴姆勒和大眾兩家公司一些時(shí)間，以研發(fā)用二氧化碳作為制冷劑的空調(diào)。

       美國和歐盟你來我往的尖刻地指責(zé)對(duì)方，霍尼韋爾公司認(rèn)為戴姆勒公司對(duì)測試過程進(jìn)行了操控，蓄意地導(dǎo)致了自燃。毋庸置疑，尋找舊制冷劑的替代產(chǎn)品有尋求商業(yè)利益的刺激——新的氫氟烯烴制冷劑的價(jià)格是舊制冷劑的10倍。實(shí)際上歐盟已經(jīng)開始了一項(xiàng)反托拉斯調(diào)查，調(diào)查霍尼韋爾和杜邦公司是否在操控這種唯一滿足歐盟新標(biāo)準(zhǔn)的制冷劑的價(jià)格。

       不管調(diào)查結(jié)果如何，已經(jīng)有數(shù)百萬輛汽車開始安裝使用氫氟烯烴制冷劑。目前還沒有一輛汽車發(fā)生自燃，這些汽車也沒有排放出很強(qiáng)的溫室氣體，或者說至少這些車的空調(diào)沒有。

       與之形成對(duì)比的是，氯氟烴似乎是惰性物質(zhì)，因此米基利有理由認(rèn)為他生產(chǎn)出了一種“安全”的替代品——這種物質(zhì)使空調(diào)得以在家庭、辦公室和汽車中得到大量使用。

       氯氟烴的危害要幾十年后才會(huì)顯現(xiàn)出來。不過全世界迅速的做出了反應(yīng)，于1987年締結(jié)了最早的全球環(huán)境公約——蒙特利爾議定書。這些措施是有用的。去年的研究發(fā)現(xiàn)，臭氧層可能最終會(huì)穩(wěn)定下來——從減少氯氟烴的使用至今，已經(jīng)25年了。

       不過好消息也就到此為止了，因?yàn)槲覀冞€沒有解決氯氟烴帶來的另一個(gè)危害——這些物質(zhì)也是極強(qiáng)的溫室氣體，比二氧化碳強(qiáng)很多倍。即使是到今天，在人為導(dǎo)致的溫室效應(yīng)中，氯氟烴帶來的溫室效應(yīng)也占到驚人的14%。

       另一個(gè)使氯氟烴成為安全的制冷劑的原因——其化學(xué)穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定性意味著這些物質(zhì)需要很長的時(shí)間才能在大氣中分解掉（導(dǎo)致臭氧層破壞的是那些到達(dá)大氣上層并暴露于極強(qiáng)的紫外線下的氯氟烴，這些氯氟烴只占大氣中氯氟烴的很小一部分）。

       “問題的嚴(yán)重性在于碳-氟鍵是有機(jī)分子中原子間最強(qiáng)的單鍵”，霍尼韋爾的Ian Shankland介紹說，“這些碳-氟鍵能夠吸收紅外線，因此氯氟烴是很強(qiáng)的溫室氣體。”由于這些原因，Stefan Reimann認(rèn)為禁用氯氟烴也不知不覺地對(duì)“緩解氣候變化產(chǎn)生了迄今最大的影響”。Stefan Reimann供職于國際氣象協(xié)會(huì)，負(fù)責(zé)監(jiān)控含氟氣體的排放。

       但目前仍有大量的其他含氟氣體被排放到大氣中。比如，在煉鋁工業(yè)中使用氟石（也就是氟化鈣，其用作熔劑，以降低從礦石中提煉出鋁所需的溫度）會(huì)釋放出四氟甲烷（也叫四氟化碳）。

       四氟甲烷含有四個(gè)非常穩(wěn)定的氟-碳鍵，這意味中這種氣體會(huì)在大氣中穩(wěn)定的存在數(shù)萬年，而且四氟化碳是比二氧化碳強(qiáng)5000倍的溫室氣體。

       排放的含氟氣體還包括三氟化氮，這種氣體能夠穩(wěn)定存在數(shù)百年，是比二氧化碳強(qiáng)17000倍的溫室氣體。這種氣體是蝕刻硅的過程排放出來的，具有諷刺意義的是，硅被用于生產(chǎn)太陽能電池板，而有人認(rèn)為使用太陽能電池板是不污染環(huán)境的。

       在含氟氣體中，最強(qiáng)的溫室氣體是六氟化硫，這種氣體被用于防止變電站產(chǎn)生危險(xiǎn)的電火花和電弧，是比二氧化碳強(qiáng)20000倍的溫室氣體。

       據(jù)Stefan Reimann介紹，這些新的含氟氣體從1989年蒙特利爾議定書生效后開始大量排放，目前其導(dǎo)致的溫室效應(yīng)占總溫室效應(yīng)的1%~2%。但到21世紀(jì)中期時(shí)，由于在中國、印度和非洲會(huì)有數(shù)十億人開始使用空調(diào)，尤其是車載空調(diào)，其占總溫室效應(yīng)的比例預(yù)計(jì)會(huì)升至20%。

       現(xiàn)在的多數(shù)空調(diào)已經(jīng)不再使用氯氟烴作為制冷劑了，而是使用另一類不可燃的制冷劑——氫氟碳化合物（HFC），這類化合物是霍尼韋爾Ian Shankland的團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)80年代和90年代發(fā)明的。