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随着全球气候变暖问题的凸显,温室气体减排受到越来越多的关注。世界各地许多科学家将目光投向二氧化碳转化生产燃料和高附加值化学品,以实现二氧化碳大规模化学利用。借此,二氧化碳或可化身“天使”,成为绿色化学过程的重要参与者。
目前全球每年通过化学利用消耗二氧化碳1.15亿吨,尽管相比每年240亿吨的二氧化碳排放显得微不足道,但这一行为具有积极的意义。
化学利用二氧化碳是朝着影响全球碳平衡迈出的积极一步
美国匹兹堡大学的埃里克·贝克曼指出,二氧化碳的化学利用很可能不会减轻二氧化碳对气候变化的影响,但与石油、天然气和煤炭相比,是一种完全可再生的原料。同时,它廉价、无毒,可作为有毒化学物质的替代物。二氧化碳可生产全新的化学品,以二氧化碳为原料生产中间体和产品的路径可能更有效、更经济。他认为,化学利用二氧化碳是朝着影响全球碳平衡迈出的积极一步。
研究者指出,使用二氧化碳作原料的空间在于实现绿色化学过程。二氧化碳利用的目标领域应该聚焦于替代石油和天然气作原料,或使用二氧化碳作环境友好溶剂。
由氨和二氧化碳反应生产尿素,是二氧化碳化学利用的绝对主力。由于合成氨的生产过程会产生大量二氧化碳,而尿素生产通常和合成氨在一起进行,因此据估算,从合成氨到每生产1吨尿素的过程中,尚有0.57吨二氧化碳多余,实际上整个过程不会对二氧化碳有净需求。可见尿素生产不会是二氧化碳利用的新的潜在途径。
由合成气添加适量二氧化碳可生产甲醇。传统的合成气存在氢过量而一氧化碳和二氧化碳量不足的问题,因此一般甲醇生产企业要添加二氧化碳。中海化学正是利用海南省近海海域的东方天然气田二氧化碳含量较高(25%左右)的特点,成功发展了60万吨/年甲醇项目。此外,完全以二氧化碳加氢合成甲醇的工艺也备受关注,德国鲁奇公司已成功开发出CAMERE工艺。同时,二氧化碳加氢制甲醇已被列入十一五国家科技支撑计划重点项目——非石油路线制备大宗化学品关键技术开发项目。
其他方面,在医药、农药和染料等领域用于多种精细专用化学品生产的碳酸二甲酯,是近年来受到广泛关注的绿色化工产品,以二氧化碳为原料的酯交换法、尿素直接醇解法替代了光气法。二氧化碳与甲醇直接合成的工艺正在研究中。以二氧化碳为原料生产的脂肪族聚碳酸酯可降解塑料,是环境友好的新产品,国内企业如内蒙古蒙西高新技术集团公司已实现工业化生产,而中国海油二氧化碳可降解塑料项目已于2007年7月31日动工。
二氧化碳化身绿色天使,人们需要付出更多努力和耐心
业界还正在研究以二氧化碳为原料生产更多高附加值的化学品,如甲酸、二甲醚、聚脲和喹唑啉诱导体等。将二氧化碳催化转化成如二氧化碳基聚合物等的高附加值有机化工产品,是二氧化碳开发利用最有前景的途径之一。由氢气和二氧化碳合成的甲酸,则被英国学者看作是替代氢用于燃料电池的理想选择。
专家指出,将二氧化碳直接作为化学原料并非唯一的选择,可以将二氧化碳转化为更通用的化工原料,如一氧化碳、合成气。其中,天然气与二氧化碳重整制合成气被认为是未来最有活力的领域。
另一个有别于传统化工思路的研究是进行“人工光合作用”,利用光化学反应和电化学反应将二氧化碳直接转换成碳氢化合物。这种方法不仅有助于缓解气候变暖,更能解决化石燃料快速枯竭的问题,该研究目前尚处于实验室研究早期阶段。美国能源部布鲁克海文国家实验室和西北太平洋国家实验室从事了相关研究。
欧盟二氧化碳回收利用项目协调人米歇尔·阿雷斯塔曾指出,二氧化碳化学尚处于发展初期,相比一氧化碳化学落后近100年。当年合成气化学应用到工业上花了近40年的时间,二氧化碳化学从科学探索到工业应用也许需要同样多的时间。同时,专家们相信,通过更多研究努力可以找到利用二氧化碳作化学原料的新途径。但二氧化碳化身“绿色天使”,还需人们付出更多努力和耐心。
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