由美国化学学会出版的新闻周刊《化学与工程新闻》的高级记者Stephen Ritter博士向AZoCleantech讲述了各种用作制冷剂的化学物质，以及最近如何使它们更环保。
在过去，制冷系统中使用了哪些化学物质?这些传统方法的相关风险是什么?
首先，我想说的是，“环境友好”这个标签需要一些背景。我们在日常生活中使用的许多合成化学品和材料，包括来自生物基来源的天然化学品，都可能对环境产生负面影响。
从塑料到洗发水，从家用清洁产品到电子产品到药品，我们都在使用这些化学物质。在对环境的影响方面，有些比其他的好。最好从一个可变的尺度来考虑化学物质。有些比其他的更“环保”。
说到制冷剂，多年来人们使用了大量的化学物质。这些包括氨、氯甲基、丙烷、二氧化硫、二氧化碳、氟氯化碳和氢氟烯烃。在选择任何化学品时，重要的是该化合物以所需的方式发挥作用，而且易于获得和负担得起。在过去，对环境友好是一种奖励。但这种思维方式已经改变了。
对于制冷剂，性能要求意味着化学物质必须能够在液体和气体之间轻松循环。当液体蒸发或气体膨胀时，这个过程会吸收热量。我们可以利用这种特性，创建一个循环系统，使用电机压缩制冷剂，然后让它膨胀。随着热交换器的使用，这种冷却效应使我们可以用空调和冰箱来冷却我们想要的东西。
随着时间的推移，使用制冷剂的公司根据当时的需求来选择使用哪种制冷剂。氨、氯甲烷和二氧化硫工作良好，但它们是活性分子，如果从制冷剂系统中泄漏，可能对人有毒。丙烷并不有毒，但它是易燃的。所以每一种早期制冷剂的使用都有风险。
当小托马斯·米格利研制出声名狼藉的氟氯化碳(CFC-12)时，有毒制冷技术的问题似乎得到了解决。氟氯化碳为什么对环境如此有害?
20世纪20年代末，当通用汽车公司(General Motors)冷冻机部门的托马斯·米格利(Thomas Midgley)和他的研究团队被要求开发一种新的制冷剂时，他们得到了两个标准:制冷剂必须是无毒、不易燃的。
米格利发明的第一种商用制冷剂是氯氟烃氯化碳2F2．这种化合物名为CFC-12，由杜邦公司以氟利昂品牌生产。
它是一种完美的制冷剂气体，因为它无毒，不易燃，而且相当便宜。
CFC-12和一系列相关化合物，如CFC-11 (CCl3.F)和CFC-113 (CCl2FCClF2)在家庭和汽车应用中被广泛用作制冷剂，并用于其他用途，如气溶胶喷雾罐的推进剂、泡沫发泡剂和防火抑制剂。
现在回想起来，我们意识到米德利应该在他的标准清单上再加一条:对环境无害。
20世纪70年代，氯氟烃成为历史上一个意想不到的重大后果的中心，因为科学家们发现，这种化合物参与了大气中的反应，破坏了地球的保护臭氧层。平流层的臭氧层是一种防晒霜，防止来自太阳的最有害的紫外线从表面到达我们。
如果《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》没有在1987年禁止氯氟烃，2015年的情况会有多糟糕?
《蒙特利尔议定书》是人类最伟大的成就之一，因为它代表了科学家、各国政府及其监管机构和公众为认识和解决环境危机而进行的前所未有的合作。
在20世纪70年代早期，使用氯氟烃将导致南极上空出现“臭氧空洞”的预测在1985年实现了。但是，通过停止使用氯氟烃，臭氧损耗停止了，并且在1993年之后实际上开始逆转。臭氧层现在正在恢复，可能在2050年左右恢复到以前的水平。
最近的一项研究得出结论，如果没有《蒙特利尔议定书》，到目前为止，南极臭氧空洞将增加40%，北极臭氧空洞将变得普遍，而全球其他地方的臭氧层将变薄约15%。
为氯氟烃开发了哪些替代品，这些替代品是否更安全?
由于氯氟烃作为制冷剂的效果非常好，化学家们必须有创造性地寻找同样有效、无毒、不易燃、不会损害臭氧层的替代品。化学家们首先关注的是其他类型的卤碳。第一轮更换的制冷剂包括氟氯烃HCFC-22 (CHClF)2)．
这些化合物也会消耗平流层臭氧，但消耗程度远低于氯氟烃。根据《蒙特利尔议定书》，这些气体已经被逐步淘汰或处于淘汰的最后阶段。下一轮的替代品是氢氟碳化合物，如HFC-134a (CH2自由现金流量3.)，氢或氟完全取代了氯。它们使用安全，不会消耗臭氧层。
但就像它们所取代的氯氟烃一样，这些化合物仍然存在一个问题，因为相对于CO，它们是强大的温室气体2．事实上，《蒙特利尔议定书》的第二个好处是，停止使用氯氟烃和氟氯烃有助于减少全球变暖的威胁。
与CO相比，制冷剂对全球变暖的影响较小2，因为CO2燃烧化石燃料释放到大气中的二氧化碳使氯氟烃及其替代品相形见绌。
由于全球变暖的潜在可能性，制造商正在转向另一轮制冷剂替代品，如氢氟烯烃HFO-1234yf (CF3.CF = CH2)．这种化合物刚刚开始大规模使用，它符合许多必要的标准:它无毒、不消耗臭氧层、全球变暖潜力低，而且相对便宜。
它可能是目前为止最环保的制冷剂。HFO-1234yf的唯一缺点是微易燃。出于这个原因，一些制造商正在考虑重新使用氨和二氧化碳。虽然后两种都不符合理想制冷剂的所有标准，但它们不消耗臭氧，也不易燃。
2015年3月，美国环境保护署(EPA)批准了5种新型制冷剂，你能解释一下它们是什么，以及它们如何比氯氟烃和现有制冷剂更好吗?
根据《清洁空气法》的规定，环保署最近批准使用五种制冷剂，它们不会损害臭氧层，而且比大多数其他制冷剂的全球变暖潜能值更低。它们包括乙烷、丙烷、异丁烷、二氟甲烷(HFC-32)，以及四种烷烃的混合物R-441A(乙烷、丙烷、丁烷和异丁烷)。
这些制冷剂已经在世界上的一些地方被使用。目前还不清楚这些替代品是否会比氯氟烃和其他制冷剂更好。虽然它们毒性低，不会破坏臭氧层，但它们可能是效率较低的制冷剂。就烷烃而言，它们是易燃的。
保持凉爽而不毁灭地球——说到化学第21集
保持凉爽而不毁灭地球——说到化学第21集。视频来源:CEN Online/YouTube
这里需要记住的重要事情是，为家庭和商业建筑生产汽车、冰箱和空调系统等产品的公司必须做出最适合自己的选择。
他们将在不同制冷剂的性能和成本与环境效益之间进行平衡。消费者最终会根据自己的需求和钱包决定购买哪种类型的产品，并权衡安全风险和环境效益。
使制冷剂更环保的尝试实际上会产生不同的问题吗?
仍然有很多化学家不知道我们开发的化学产品和过程将如何影响环境。没有人想到氟氯化碳会是一个问题，但它们确实是。因此，总是存在这样的风险，即试图构建一个更好的捕鼠器实际上会导致意想不到的后果。
预防总是有必要的，但我们不能放弃我们的双手，生活在恐惧中，完全放弃有用的化学品和材料。我们必须认识到，我们永远无法提供绝对保证，我们制造的任何舒适和幸福生活的材料是完全安全的。
你认为制冷剂的发展在未来十年将取得怎样的进展?
也许氢氟烯烃或它们与非卤代化合物的混合物是我们在开发对环境更友好的制冷剂方面所能做到的。下一步就是完全消除对制冷剂的需求。这需要一项基本的新技术。
科学家们已经在利用热电、热磁和热声特性开发制冷系统。
其中一些例子已经在小众应用程序中使用，但对于大规模使用来说，它们可能太昂贵了。
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时间会告诉我们这些方法在技术和经济上是否行得通，
以及它们是否对环境更友好。
关于斯蒂芬·里特博士
Stephen Ritter博士是华盛顿特区的作家和编辑，主要涉及可持续发展和绿色化学领域化学与工程新闻的新闻周刊美国化学学会．
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