从四乙基铅到乙醇——汽油抗爆剂小史

2007-06-23  换来晴空...
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从四乙基铅到乙醇——汽油抗爆剂小史
文/桓二心
2002年10月,英国《卫报》评出了“人类最糟糕的发明”,获此“殊荣”的是塑料
袋。一年以后,中国的新世界出版社也出了一本名为《人类最糟糕的发明》的书。这本
书明明是中国人写的,却在封面装模作样地写上英译书名,作者又故意起了“艾柯尔”
和“马克”这两个洋味十足的笔名,试图让人以为这是一本译自国外,或至少是编译的
书。书里面一口气抨击了20种发明,不光是香烟、毒品、兴奋剂,连互联网、克隆、转
基因甚至电子游戏、味精、口香糖都列进去了,这本书的水平如何,由此可见一斑。
这20种“人类最糟糕的发明”中,自然少不了汽车。的确,汽车在现在的环保人士
眼中,几乎成了众矢之的;即使是一般的民众,在面对日益拥堵的交通和怎么治理也改
善不了的污浊空气时,也不免会对城市里越来越多的汽车心生怨言。然而,也许是不愿
意吧,很少有人想到,汽车工程师为了改善汽车的性能,避免造成更多的环境污染,不
知花费了多少心血!
这里我只谈一个和环保密切相关的东西——汽油抗爆剂。
有车的朋友都知道,汽油发动机工作的原理是:首先,通过化油器或汽油喷射器把
汽油分散成细小的雾滴,与空气混合进入气缸;然后,这一混合气被活塞压缩,温度上
升,在被火花塞打出的电火花点燃后,产生巨大的能量,带动发动机的曲轴旋转,最终
驱动车轮。
和柴油发动机不同,汽油发动机必须由火花塞点火实现混合气燃烧,而不是靠混合
气的自燃。然而,如果汽油中含有正庚烷之类成分,由于它们非常容易燃烧,常常会在
气缸中自燃,产生比混合气正常燃烧时高得多的温度,由此便会产生过强的冲击波,而
使发动机震动、发响,这就是爆燃(detonation)现象,又叫爆震,俗称“敲缸”。
爆燃不仅损害发动机,而且会造成汽油的浪费,因此如何提高汽油的抗爆性能,一
直是汽车工程领域的重要研究课题。
工程师们首先确定了衡量汽油抗爆性能的几个指标,其中最常用的就是辛烷值(
octane number)。之所以叫这个名字,是因为人们发现汽油中一种叫2, 2, 4-三甲基
戊烷——俗称异辛烷——的成分具有很强的抗爆性,于是就把它和正庚烷作为衡量汽油
抗爆性能的标准,规定正庚烷的辛烷值为0,而异辛烷的辛烷值为100。有了这样的规定
,通过专门的测定机,就可以测出汽油的辛烷值。辛烷值又可以分为研究法辛烷值(
research octane number,缩写为RON)和马达法辛烷值(motor octane number,缩写
为MON)等,则是在不同条件下测定的结果。我国现在统一使用RON标定汽油等级,如
90#汽油,就是指RON为90的汽油,93#汽油则是RON为93的汽油,它的抗爆性要优于90#
汽油。
然而,从石油直接分馏得到的直馏汽油(主要成分是直链烷烃),其RON非常低,
仅为40-60。由重油裂化而成的裂化汽油,由于其中的芳烃含量较高,而芳烃的RON一
般要比直链烷烃高,因而其RON要比直馏汽油高一些,但还是低于90。如果让今天的轿
车直接使用未经任何处理的直馏汽油或裂化汽油做燃料,车开起来,非震得你浑身散架
不可。
怎样提高汽油的抗爆性?一个很容易想到的办法就是往里加一些特殊的化学物质—
—这就是汽油抗爆剂。第一个在这方面做出了卓越贡献的,是美国化学家小托马斯·米
基利(Thomas Midgley, Jr., 1889-1944)。其实他最开始学的是机械工程专业,
1911年毕业于康奈尔大学;1916年加入代顿工程公司后,因为要研究汽油抗爆剂,才自
学了几年化学。当时化学家对于燃烧的机理还不是很了解,因此米基利寻找优良抗爆剂
的过程,完全可以用“大海捞针”来形容。今天我们已经很难想象,指导他寻找抗爆剂
的理论之一,竟然是门捷列夫的元素周期律!
1918-1920年,米基利先后发现苯和乙醇可以作为抗爆剂,并申请了专利。1921年
,一种优良的抗爆剂被米基利“捞”到了,这就是后来广泛使用的四乙基铅(
tetraethyl lead, TEL)。四乙基铅最早由德国人在1854年发现,是一种具有水果气味
的油状液体,只要少量加到汽油中,就可以大大提升它的抗爆性能,而且合成容易,价
格便宜。1923年,车用含铅汽油在美国上市,并很快在全世界普及。
然而,早在公元前1世纪,古希腊人就知道铅是毒物;今天的医学告诉我们,铅在
人体内具有蓄积性,对循环系统、神经系统和消化系统的损害都非常大。1887年,人们
又发现,铅对于儿童的危害性更大,到1904年,含铅颜料被发现是导致儿童铅中毒的罪
魁祸首,五年之后,法国、比利时和奥地利便率先禁止使用铅白(化学成分是碳酸铅)
作为颜料。甚至在车用含铅汽油面世的前一年,美国公共卫生署就已经公开警告含铅燃
料具有高毒性;1925年,车用含铅汽油还曾一度被撤下柜台。这些都说明,人们对于四
乙基铅的危害,从一开始就不是一无所知,只不过当时的人在权衡了它的利弊之后,认
为还是利大于弊罢了——我们不妨设想一下,如果不用四乙基铅,将会有多少的发动机
提前报废?由此又会造成多大的浪费,对环境会造成多大的危害?
到二十世纪六十年代,这个利弊的判断就逆转了过来。一方面,环境学家们发现四
乙基铅是一种重要的大气污染物,是空气中铅的主要来源;另一方面,人们已经无法忍
受越来越严重的空气污染了。这就注定了四乙基铅退出历史舞台的命运。二十世纪的最
后二十年,主要发达国家先后实现了汽油无铅化。我国也于2000年1月1日停止了车用含
铅汽油的生产。
与此同时,汽车工程师们也在寻找四乙基铅的替代品。1959年,一种名为MMT的抗
爆剂在美国被研制出来了,它和四乙基铅一样,是一种有机金属化合物。不过MMT并没
有得到广泛使用,1978年美国就禁止再使用(我国现在仍有少量使用)。二十世纪七十
年代,含氧有机化合物得到了人们的重视,先后找到了好几种性能比较优良的抗爆剂,
其中应用最广的就是甲基叔丁基醚(methyl tertial-butyl ester, MTBE),于1973年
在意大利正式投产。MTBE毒性很低,目前并没有明确的可以致癌的证据(IARC归类为第
3类),本身又具有高RON(为117),特别是因为分子中含氧,可以有效提高汽油的燃
烧效率,减少有毒废气的排放,因而加MTBE的汽油被誉为“清洁汽油”。
但是到了1996年,美国加利福尼亚州圣莫尼卡(Saint Monica)市的两个地区仅因
为在地下水中检出了MTBE,就关停了50%的供水设施,最后竟导致美国多个州主动禁止
使用MTBE作为抗爆剂。这给人的感觉,好像是科学家又低估了一种化学品的危害性,好
像是DDT悲剧又重演了。我已经注意到,国内一些“环保人士”,已经开始利用美国禁
用MTBE的事例,作为攻击化工厂建设的新武器了;而且,就和造谣说PX有高致癌性一样
,这些人同样造谣说MTBE是“强致癌物”,借助危言耸听,来煽动不知情的民众。
事实的真相如何呢?经过调查发现,圣莫尼卡市地下水中的MTBE,并不是来自汽车
,而只是来自一个老旧加油站的泄漏。可以说,这完全是一个偶然事件。所以,尽管要
求禁止在全国范围内使用MTBE的呼声在美国喊得震天响,但欧盟和日本却不为所动,至
今仍在继续使用MTBE。当然,MTBE相对来说不易自然降解,也是事实,所以现在欧盟和
日本更青睐另一种较容易降解的抗爆剂——乙基叔丁基醚(ethyl tertial-butyl
ester, ETBE),它的性能是和MTBE一样优良的。
MTBE的另一种替代品是乙醇。上文已述,在发现四乙基铅的优良抗爆性能之前,米
基利就发现了乙醇也有抗爆作用。当时没有发展乙醇抗爆工艺的主要原因,在于乙醇是
一种亲水的物质,只要汽油中有少量的水分,乙醇就会大量转移到水中,而使汽油的抗
爆性大大下降;而且,无水乙醇本身就具有吸水性,本来不含水的乙醇汽油,只要在空
气中暴露,就会因吸水而分层。当时难于解决这个技术瓶颈,所以乙醇汽油没有得到发
展,即使是今天,乙醇汽油也不耐久储、久运。乙醇的价格又比汽油昂贵,如果大量使
用乙醇汽油,油价势必会上升。因此,尽管使用乙醇汽油在美国的呼声很高,但其真正
的供应量并不多——虽然总的来看,乙醇的全面使用,也许是将来的发展趋势。
讲完了汽油抗爆剂的发展史,我不禁有几句感想。诚然,在人类的科技发展史上,
有DDT、反应停这样的悲剧,有伦敦烟雾、水俣病这样的灾难,但这毕竟是极端的例
子。人们对于更多的化学品的危害性,从开始应用的那天起,还是有起码的认识的;很
多明知有害的化学品之所以能得到长期的应用,往往是在充分权衡利弊之后的不得已之
举。人类并没有被自己的双手毁灭,相反,凭借越来越丰富的科学知识,我们生活得越
来越好了。
是啊,除了科学,还有什么能拯救人类呢?难道要靠冲动的煽情,或是无知的恐惧
吗?
2007.06.21
(XYS20070622)
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