今年冬季，京津地区重霾压城成为新常态。虽然这一周由于北风强劲，暂时阳光明媚，但估计好景不长，因为北风不会日日有，致霾前躯体排放已经超过环境容量，风速一降下来，污霾气溶胶就会重新笼罩大地。 在一周前曾经发愿，一周提出一个治霾良策，用 10 周时间，建 10 个良策，虽然不一定能够立即得到政府采纳，但科学的光亮迟早能驱散污霾，无论中国特色惯性有多大,30年是不需要的。上周把硫磺或硫元素在污霾形成中的机理给予剖析明白。读者应该已经认同，如果管住了硫磺和硫酸气体，不仅能减少五千万吨污霾前躯体，同时使得天朝污霾大气毒性至少降低 10 倍。这将极大有利于天朝国民健康和社会发展。今天，试图分解明白燃烧对污霾的贡献。但由于燃烧是获得能量的主要途径，天朝化石燃料消耗实在太大，没有 5 策篇幅，不能做好燃烧减霾的策论。今天只针对天朝各地正在如火如荼进行的煤改气提出良策。估计这一良策若被采纳，亦可减少污霾前躯体五千万吨以上。 煤改气是因为不同的地方官员认识到，以煤为燃料获取能量是污霾前躯体的主要来源。这在天朝无疑是对的。无论用任何燃气，天然气、水煤气还是焦炉气，取代煤作为燃料获取能量，无疑使得硫氧化物排放更加容易控制，也使得氮氧化物排放有可能被控制。 无论用天然气、水煤气还是焦炉气，都使得脱硫变得容易，因为煤直接燃烧，排放的燃烧尾气中硫氧化物的浓度总是低于回收经济浓度。当然现在天朝的硫经济回收浓度非常高，这是因为大量无关税进口工业化国家倾销的硫磺导致的，硫磺价钱太低，回收自然不经济。现有的电厂，大部分采用石灰水吸收氧化硫的方法，号称安装了设备来处理尾气，虽然有一定效果，但效率不会高，且能耗很大，不经济，也不能回收硫磺，因此大部分电厂的尾气脱硫单元，时开时停，这已不是秘密。但是，把煤变成水煤气，或引出炼焦厂的焦炉气，其中的硫就是以硫化氢为主，当然也有一部分其它有机硫。硫化氢和有机硫的脱除，采用醇胺吸收技术，可以脱的很干净。硫化氢和有机硫可以用成熟的 Clause 催化工艺，生产高品质的硫磺。对于天然气，大部分来源含硫量不高，既使是含硫量高的天然气，也是含硫化氢和有机硫，利用醇胺吸收的方法，加上 Clause 工艺，也可以在回收硫磺的同时，达到深度脱硫的目的。 关于煤改气，如果采用了上述方法脱硫，则不仅可以获得高品质的工业原料硫磺，也达到了控制燃烧排放硫氧化物的目标。但是，如果说煤改气就一定会减少污霾前躯体，就不一定了。因为如果燃烧条件不当，另一个更毒的污霾前躯体 NOX 会在燃烧中大量产生。那么，燃气燃烧技术不好，不一定毒物排放比燃煤少。 前几年经常听到天朝地方官和农民兄弟作对，不准农民烧秸秆，秋收季节去地里蹲着抓烧秸秆的。农民也和小官们打游击战，捉迷藏，看不见就烧。这几年据说有的地区装了监控，对农民烧秸秆也狠了起来，据说也弄进去蹲班房。其实，这是科普不到位，地方官冤枉了农民兄弟。烧秸秆看起来浓烟滚滚，其实这个秸秆烟和污霾前躯体不是一回事。当然客观地说，秸秆烟也是视觉污霾的前躯体，但是毒性不大。人类自从懂得刀耕火种，就烧荒。千万年来，农民，不知道古代是不是叫农民，但是人类历来是烧秸秆弄熟饭食的，当然也有的地方有的时候烧牛粪等等。在天朝农村只是近几十年才逐渐烧煤。也没有听说谁烧秸秆做饭中了毒。相反，关于炊烟，旧时代有文人骚客，还写了很多赞美的诗歌和散文。前几年，还有好事之徒，把烧秸秆的锅灰弄去分析，从中发现了大量的纳米碳管和石墨烯。因此，有人说，纳米碳管和石墨烯，是天朝村妇首先制备出来的。 为什麽说烧秸秆的炊烟不怎么有毒，是因为烧秸秆的温度很低，很难超过 800 o C 。 NOx 则在 1000 o C 以上才在燃烧废气中浓度高起来。虽然说，硫和氮都是遗传物质 DNA 和 RNA 的构成部分，但是秸秆不是种子，秸秆的主要功能是支撑，细胞是很大的，收获留下的秸秆主要是细胞壁，由纤维素、半纤维素和木质素构成。秸秆中硫和氮含量都远远低于煤等化石燃料。当然，豆科植物，由于自我根瘤固氮的作用，其秸秆含氮量稍高，但是植物是很精细的，大自然的自然选择，不容许植物浪费硫和氮等物质。因此，秸秆中都不多。烧秸秆的炊烟，主要是水蒸气、不完全燃烧有机物和少量半焦微粒。这些比起化石燃料燃烧排放的硫氧化物和氮氧化物，就不那么可怕。 燃烧废气中氮氧化物的来源，主要有两部分，一部分是燃料中原有的含氮物质，比如构成 DNA 和 RNA 的一些片断，在燃烧中生成氮氧化物，当然，温度低的时候，不一定能烧成氧化物，但是在大气中会部分演化成氧化物，也能演化成毒性更高的有机含氮物质，如吡啶衍生物。更多的氮氧化物，是因为空气中的氧氧化空气中的氮生成的，这需要很高的温度。大约在 1000 o C 的燃烧废气中才能检测到，然后随着温度的升高，呈指数快速升高。在 1300 o C 以上，可能达到 1000 mg/L 。当然，这个生成量，除了温度以外，还取决于燃烧火焰中，存在的催化剂物种和量。由于煤的组成复杂，因此煤燃烧，生成的氮氧化物量会大一些。但是，既使是纯净的甲烷燃烧， 1300 o C 以上，生成的氮氧化物的量也很大。 催化燃烧，则使得燃烧过程成为可控的过程。无论工业、农业、饮食还是家居，绝大部分需要能量的场合，不需要 1000 o C 以上的温度。比如，工厂烧水蒸汽，一般不需要 500 o C 以上的。那么催化燃烧，可以把温度控制起来，没有超过 1000 o C 的火焰，就不产生任何氮氧化物。同时，催化燃烧对炉具材料的耐温要求极大降低，还可以有效降低锅炉和炉具的投资。这是佰利无一害的事。 建议天朝政府，即使煤改气进程慢点，采用催化燃烧也会带来很大好处。如果不用催化燃烧，用传统的火焰燃烧，氮氧化物不仅不会比烧煤排放少，燃烧不当，还会更多。 估计催化燃烧若能推行，通过煤改气，也可以减少致霾前躯体排放五千万吨以上。 当然，催化燃烧还可以用于极大减少可挥发有机物的排放。这个将作为 10 策之最后一策建议。 祝各位同行 2016 吉祥！祝愿 2016 没有污霾！ 2016 年 1 月 15 日于天南大联合楼 另外：请访问： http://eecat2016.ydlilab.com/ ，也欢迎在10月份参加EECAT 2016，加入能源和环境治国良策的讨论。
长期以来，体温和庞大的脑组织作为哺乳动物、鸟类等高等动物的独特特征，其相互之间的关系一直不是很清楚。 我们最近的实验和理论研究表明，体温的出现，使得脑皮层神经元在动作电位的能量消耗效率方面有数倍的提高。 这意味着，产生一个动作电位，在体温37度状态，要比在室温（16－18摄氏度）情况，节省至少3－4倍的能量。 这从一个侧面说明，体温是优化大脑脑电信号能量效率的一个非常有效的机制。 详细请见： http://www.ploscompbiol.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pcbi.1002456 Warm Body Temperature Facilitates Energy Efficient Cortical Action Potentials The energy efficiency of neural signal transmission is important not only as a limiting factor in brain architecture, but it also influences the interpretation of functional brain imaging signals. Action potential generation in mammalian, versus invertebrate, axons is remarkably energy efficient. Here we demonstrate that this increase in energy efficiency is due largely to a warmer body temperature. Increases in temperature result in an exponential increase in energy efficiency for single action potentials by increasing the rate of Na + channel inactivation, resulting in a marked reduction in overlap of the inward Na + , and outward K + , currents and a shortening of action potential duration. This increase in single spike efficiency is, however, counterbalanced by a temperature-dependent decrease in the amplitude and duration of the spike afterhyperpolarization, resulting in a nonlinear increase in the spike firing rate, particularly at temperatures above approximately 35°C. Interestingly, the total energy cost, as measured by the multiplication of total Na + entry per spike and average firing rate in response to a constant input, reaches a global minimum between 37–42°C. Our results indicate that increases in temperature result in an unexpected increase in energy efficiency, especially near normal body temperature, thus allowing the brain to utilize an energy efficient neural code. Yuguo Yu 1 , 2 , Adam P. Hill 1 , David A. McCormick 1 * 1 Department of Neurobiology and Kavli Institute for Neuroscience, Yale University School of Medicine, New Haven, Connecticut, United States of America, 2 Center for Computational Systems Biology, Fudan University, Shanghai, People's Republic of China Author Summary Conserving energy is essential to life. The brain, while only 2% of the body mass, uses an astounding 20% of its energy. It has long been assumed that this large energy consumption was due to the need to generate the electrical signals through which brain cells communicate: the action potentials. However, recent results reveal that the wires of the mammalian brain – the axons – are remarkably energy efficient. How is this energy efficiency obtained? Here we addressed this question by performing recordings and computational models of mammalian brain cells. We found that the increase in body temperature associated with the evolution of warm-blooded animals had an energetic benefit. The action potentials of warm-blooded animals became remarkably energy efficient, owing simply to the increase in body temperature. These results indicate that mammalian brains, although requiring a great deal of energy to operate, are actually more efficient than expected.
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