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bulebird金虫 (小有名气)
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二氧化碳转换为“汽油”研究进展
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能源和环境问题是世界关注的焦点，我国十一五规划又将能源列为重点研究课题之一。如今，将二氧化碳转化为汽油等有机物的研究日趋成为研究热点，本人整理出一些资料，供大家参考和讨论。分为两部分：国外和国内。 目前，大气中二氧化碳含量高达27500亿吨，每年在碳循环中的二氧化碳约6600亿吨，但每年因人类活动和森林退化额外产生257亿吨二氧化碳，这些未平衡的二氧化碳约占碳循环的3.9%，导致大气中二氧化碳的浓度从工业化前的270ppm到目前的380ppm，并作为主要温室气体引发了日益变化无常的气候问题，因此二氧化碳已经成为世界范围最受关注的环境问题。 目前，全世界每年有1.1亿吨二氧化碳被化学固定，其中尿素7000万吨、无机碳酸盐3000万吨，将二氧化碳加氢还原合成一氧化碳600万吨，用于合成水杨酸2万吨，用于合成碳酸丙烯酯的二氧化碳也有数千吨，与此同时，世界各国还在对将二氧化碳固定为塑料进行广泛的研究，所合成的塑料还具有可生物降解的特点。除了化学固定，还有与人们日常生活密切相关的许多物理利用，每年用量达到1800万吨，主要用于碳酸饮料、焊接保护气、烟丝膨化剂、灭火剂等，物理利用从原料和能耗上也对自然界的碳平衡有贡献。 近几年来，世界各国科学家一直在努力探索二氧化碳转化为汽油的问题。早在2002年，日本德岛工业技术中心研究员Nakamichi Yamasaki就报道了二氧化碳变汽油的工作，Yamasaki采用铁粉做催化剂，利用盐酸作为氢源，与二氧化碳在100MPa和300℃下反应，获得了一定数量的甲烷、乙烷、丙烷和丁烷，进一步改进催化体系则有望得到含碳量更高的烷烃——汽油。这样的温度和压力条件只需使用一家发电站用不完的热量即可以提供，因此若能进一步改进催化体系，用这种方法来制造汽油有可能是可行的。2007年，美国加利福尼亚大学（UCSD）的Clifford Kubiak教授报道了一个原理装置——该装置首先将太阳光能转换为电能，随后在一种能将电能转换为化学能的大分子镍催化剂作用下，将二氧化碳转化成一氧化碳和氧气，进而用于合成甲醇、汽油。尽管目前太阳能转化装置还只能提供一半的能量，另一半需要额外提供，但是若能将太阳能转化效率提高一倍，则可以实现能量自给，这样剩下的问题就是如何将各个单元优化，以实现最终目标。 2007年11月，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的杰弗里•马丁（F. Jeffrey Martin）和威廉•库比茨（William L. Kubic）提出了一个轰动全世界的“绿色自由”(Green Freedom)概念，即“生产碳平衡的合成燃料和化学品的概念”。该概念分成3个步骤，首先利用浓碳酸钾溶液吸收空气中的二氧化碳；第二步，采用电解法把二氧化碳从溶液中提取出来，同时将水分解成氢气和氧气；第三步，将氢气和二氧化碳转化为合成燃料或有机化学品。 与Nakamichi Yamasaki和Clifford Kubiak的工作相比，马丁教授的“绿色自由”概念突出了各单元的碳平衡和能量平衡，提出了各单元联动运行的概念，使二氧化碳变汽油的工作进一步被大众所关注。从能量平衡分析，马丁教授的“绿色自由”概念包含两个过程，即吸热的合成气产生过程和放热的合成气转化过程。前者包括从大气中分离二氧化碳并产生副产物氢气，以及电解水或分解水制氢的过程，由于主要是吸热反应，需要碳平衡的能量补充，此外，所产生的高压蒸汽可用于下一步的合成气转化过程。合成气转化过程可以依赖于目前成熟的技术实施，属于强放热过程，两个过程的能量具有互补性，两个过程结合后，有望大幅提高整个过程的能量效率、降低投资。马丁教授对“绿色概念”在工业规模上的技术经济可行性进行了理论测算。按照马丁教授的数据，采用浓碳酸钾水溶液吸收大气中的二氧化碳，可使二氧化碳的吸收效率从现有变压吸附方法的73％提高到95％。与此同时，采用电解法回收溶液中的二氧化碳，克服了传统的加热回收法的高能耗问题，能耗降低了96％，且额外产生的副产物氢可使制氢单元的负荷减少33％，进一步将制氢单元、二氧化碳捕集单元与现有的18000桶/天的合成气厂和5000吨/天的甲醇厂实施联动，可以降低综合能耗。 我国很多学者也对二氧化碳转化汽油做了很多研究，并取得很多成果。同济大学碳资源循环技术研究所所长金放鸣利用水热反应技术将二氧化碳转化为有机物，作为化工原料或为汽车提供燃料；也可将工厂废水中的高浓度难降解有机物转化成低级脂肪酸、煤炭等资源。 金放鸣认为，人类大规模使用矿物能源前，地球上的碳资源是和谐循环的，在空气、植物、水体和矿物中不断转化。近一个世纪以来，人类的工业活动破坏了这个循环，使矿物能源急速消耗。地球原本就有的二氧化碳循环功能被打断后，二氧化碳无法在整个地球生态系统中循环，才会成为温室气体。因此，除了减少二氧化碳的排放量，用科学技术重建地球的循环功能，或许是破解这一世纪难题的一条捷径。 常规的方法是利用微生物技术，将二氧化碳转化为有机物，但这个过程可能需要几天十几天时间，而且转化率很低；转化过程中所使用的催化剂也很昂贵，转化成本很高。这种水热反应技术所需的反应条件温和，通常一两个小时就能完成一次转化。如果提高实验条件，转化速度还会更快些，甚至几分钟几秒钟就能完成一次转化。而且，实验结果表明，有70％～80%的二氧化碳都能转化成有机物。在实验室内转化完成的有机物分离纯度很高，可能直接作为汽车燃料或化工原料来用。 实现这一转化的过程并不复杂，和过去的一些常规转化技术相比，主要是转化思路和技术手段有很大改进。水热反应技术类似于矿物质燃料的形成。石油、煤等矿物能源的形成，其主要原因就是生物质降到地下几千米处后，在地下高温高压条件下发生水热反应。在自然条件下，生物质沉降到地下深处的时间极其漫长，石油、煤等矿物能源需要几千万年才形成，因此被人们视为不可再生能源。而水热反应速度非常快，可能在一瞬间就完成了。 此转化技术基本的实验装置就是将水灌进一个不锈钢容器中，通过加热营造出高温高压的水环境，将二氧化碳注入这一水环境中，能生成有机资源，然后再通过一些技术手段进行分离，就能得到液态或固态的转化成品，可用做化工原料或直接作为汽车燃料。这一技术完全成熟后，今后热电厂等大量排放二氧化碳的地方就可以配备这类装置，不但能生成新的能源，还可大幅减少温室气体排放。 [search]二氧化碳 汽油[/search] |
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