製冷劑的選擇：氟利昂與臭氧空洞的那些事

轉載請註明出處，知乎ID:Levin。機電工程師的自留地 - 知乎專欄

1 氟利昂的出現

在各種媒體文章與課本中，一提到氟利昂，總是會同時出現臭氧層空洞的身影。筆者還在中學讀書的那個年代，臭氧層空洞受到的關注度遠比現在要火爆得多。那麼，氟利昂到底是什麼？為什麼現在受到的關注變少了？

其實，氟利昂本是美國杜邦公司的註冊商標名字（商標的擁有者現為Chemours公司），被用作某些鹵代烴的統稱，常溫下都是無色、無味或略有氣味、無毒或低毒、化學性質穩定的氣體或液體。

在上個世紀的二十年代，製冷技術已經普遍應用，但製冷劑仍存在著安全性與耐久性的問題。在杜邦公司與通用汽車公司發起的一個合作研究項目中，Midgley等人尋找到了一種穩定無毒、熔沸點合適的製冷劑，這就是大名鼎鼎的氟利昂。到了1930年，通用汽車公司與杜邦公司成立了Kinetic公司，開始量產氟利昂，也正是從這時起，氟利昂開始大量積累到大氣層中。

2 氟利昂的危機

臭氧層空洞危機的出現曾經給了製冷與空調行業最巨大的一次攪動。直到20世紀70年代，人們才首次意識到氟利昂的使用會消耗保護地球免於大部分有害紫外線的臭氧層，緊接著到了80年代，科學家首次在南極上空的臭氧層中發現了一個空洞，過量的紫外線已經威脅著南極海洋中的動植物生存。

那臭氧層的破壞為什麼會和氟利昂扯上關係呢？解釋起來很簡單，前面說過氟利昂是某些鹵代烴的統稱，鹵代烴即鹵族元素（包括氟、氯等）取代烴類物質中的氫原子所得到的物質。由於化學性質穩定，這類物質進入大氣層後，幾乎全部會升浮到臭氧層中，在紫外線照射作用下，才會剝離出氯自由基，反覆破壞臭氧分子，使臭氧層厚度減薄或出現臭氧層空洞。

在此，值得一提的有兩件事。一是人們常常都一想到氟利昂就覺得是非環保，是破壞臭氧的兇手。其實不然，鹵族元素中主要是氯會破壞臭氧層，而氟不會。科學家給出了一種指標用來定量衡量對大氣臭氧層的消耗程度，即ODP值。含氟不含氯的氟利昂，其ODP值等於0，也就是百分之百不消耗臭氧。二是也有陰謀論認為氟利昂消耗臭氧層是源於杜邦公司與其他公司的鬥爭所捏造誇大的，認為臭氧層空洞之所以最先發生在兩級正是太陽風的原因，臭氧層空洞也只是屬於周期性現象。臭氧空洞出現的原因的確有很多種，但最根本、最主要的原因還是氟利昂對其的消耗，70年代首次發現此現象的三位科學家也因此獲得了諾貝爾獎，而陰謀論的來源主要還是《科學美國人》這類非嚴肅性的科普雜誌。希望同學們以後能記住一點，科學研究的成果只有經過同行評議後發表在專業期刊上，才是可靠的有價值的論據來源。這個信息爆炸的時代，是最好的時代，也是最壞的時代，是智慧的年代，也是愚蠢的年代。你可以在互聯網上很方便地汲取想要的各種知識，你也會發現互聯網上充斥著各種為吸引眼球或為了各自利益所編造或誇大的各種謊言。轉基因安全性，基站輻射危害性，PX毒性程度這些社會熱點問題，同學們都可以嘗試著去了解各方的觀點，多做一些相關資料檢索，培養自己獨立判斷的能力。

3.氟利昂的更新換代

根據氟利昂中氫原子被鹵族元素的取代情況，可以將氟利昂分為三類，分別是

CFCs：烴類中的全部氫被氯、氟取代

HCFCs：烴類中的部分氫被氯、氟取代

HFCs：烴類中的氫部分被氟取代

其中，CFCs因為含有氯，對臭氧層的破壞最為嚴重，自1987年《蒙特利爾國際議定書》及其修訂案執行以來，其淘汰進程已基本結束。而HCFCs由於其有的氫對氯破壞臭氧作用的抑制，其ODP值要比CFCs低很多，如製冷劑R-22（HCFCs）的ODP值只有製冷劑R-12（CFCs）ODP值的5%左右，雖然其破壞臭氧的作用有減緩，但目前全球也進入了HCFCs的加速淘汰階段，不過現階段仍在普遍使用中，如中央空調的大型制冷機組使用的製冷劑。HFCs由於不含氯，對臭氧層無害，但由於其溫室效應潛能值很大，1997年的《京都議定書》已將HFCs定位需限制排放的溫室氣體範圍。

所以，ODS（消耗臭氧層物質）的更新換代計劃所要做的就可以簡單概括為：（1）用HCFCs逐步代替CFCs，（2）用HFCs逐步代替HCFCS和CFCs。

值得我們欣喜的是，基於NASA（美國宇航局）的觀測數據。1998年以前，臭氧空洞一直在增大，1998年以後，臭氧空洞面積已經反應出趨於穩定或改善的趨勢。

4.理想製冷劑的選擇

製冷劑的選擇是一個複雜的問題，在實際應用中，不會僅僅考慮其對臭氧的破壞作用，考慮的因素包括但不限於全球變暖潛值，沸點，壓力，安全性，穩定性，腐蝕性，可燃氣粘滯度，水溶性，理論循環製冷係數，氣化潛熱、導熱係數、壓縮機壓縮過程等等，往往沒有十全十美的選擇，只能在限定範圍內尋找一個最優解。例如在國家標準GB-T 7778中就引入了美國LEED標準中對製冷劑環境影響的評估公式，綜合考慮了全球變暖潛值、臭氧消耗潛值、製冷劑年泄漏率、壽命終止時的製冷劑損耗率、充注量、設備壽命等。再比如製冷劑A比製冷劑B的全球變暖潛值要低，但A的製冷效率也低於B。這就意味著為了獲得相同的製冷量，A需要比B更多的電能，也就意味著A的選擇導致了更多的二氧化碳排放。所以A與B哪個環境更友好，需要更周全的權衡評估。

歷史在曲折中發展，甚至偶爾會有一些反覆。比如R123這款製冷劑，本身屬於HCFCs，在《蒙特利爾國際議定書》中的限制範圍中，歐盟已經禁止使用，部分發展中國家可以延緩到2040年。但其作為全球最大的冷水機組製造商選用的製冷劑之一，本身毒性小，不易燃，能效比僅次於另外兩種環境不友好的製冷劑。所以最近也有一些國際評估指出，R123由於其臭氧消耗指數很低、全球變暖潛值很低、大氣壽命極短，故對環境的全面影響很小。

nn所以，鑒於缺乏完美製冷劑的替代方案，未來製冷劑的選擇一定會確保對所有因素作整體考慮和綜合評估，而不是單獨一個個分開處理。
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