二氧化碳處理技術(shù)王洋

1、二氧化碳處理技術(shù)王洋32420132204724自人類進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以來(lái)，煤炭、石油等化石燃料的大量使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。其中最為嚴(yán)峻的就是全球氣候變暖問(wèn)題。也叫做溫室效應(yīng)，目前,人類在能源系統(tǒng)中產(chǎn)生大量二氧化碳并直接排放是導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因。同其他環(huán)境問(wèn)題相比,二氧化碳的排放影響空間大且作用時(shí)間長(zhǎng),因此解決起來(lái)非常困難。大氣中的二氧化碳含量已由工業(yè)革命前的2.80x10-4（體積分?jǐn)?shù),下同）上升到目前的3.56X10-4。如果不采取措施控制二氧化碳的排放預(yù)計(jì)到2020年,大氣中二氧化碳含量將達(dá)到6.60X10-4。一方面，如何降低二氧化碳排放量，變廢為寶,實(shí)現(xiàn)其分離回收與綜合利用是擺在廣

2、大環(huán)境科技工作者面前的重要課題。另一方面,二氧化碳作為地球上最豐富的碳資源,可轉(zhuǎn)化為巨大的可再生資源?，F(xiàn)階段,二氧化碳的資源化研究已引起人們的密切關(guān)注,且其開(kāi)發(fā)前景非常廣闊。二氧化碳的處理技術(shù)一般分可為從大氣中分離固定和從燃放氣中分離回收兩大類?，F(xiàn)階段,從大氣中分離固定二氧化碳技術(shù)主要有生物法,而從燃放氣中分離回收二氧化碳技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和物理-化學(xué)法等。1.1 從大氣中分離固定二氧化碳如今,大氣中的二氧化碳已經(jīng)達(dá)到了較高的濃度,設(shè)法將其從大氣中分離出來(lái)并加以固定,是當(dāng)前不容忽視的研究課題。大氣中游離的二氧化碳主要通過(guò)陸地、海洋生態(tài)環(huán)境中的植物、自養(yǎng)微生物等的光合作用或化能作用來(lái)實(shí)現(xiàn)分

3、離和固定。固定大氣中二氧化碳的生物主要是植物和自養(yǎng)微生物。人們往往將注意力放在植物的光合作用上。地球上存在各種各樣的生態(tài)系統(tǒng),尤其是在植物不能生長(zhǎng)的特殊環(huán)境中,自養(yǎng)微生物固定二氧化碳的優(yōu)勢(shì)便發(fā)揮出來(lái)了,二氧化碳的微生物固定是一支決不能忽視的力量。二氧化碳是不活潑分子,化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定,過(guò)去人們一直認(rèn)為它是燃燒過(guò)程的最終產(chǎn)物。高效固定二氧化碳的微生物（生物催化劑）,可在溫和條件下實(shí)現(xiàn)向有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化,微生物在固定二氧化碳的同時(shí),可獲得許多高營(yíng)養(yǎng)、高附加值的產(chǎn)品。溫室氣體二氧化碳的微生物固定在環(huán)境、資源及能源等方面將發(fā)揮極其重要的作用。海洋對(duì)吸收二氧化碳存在著巨大的潛力。日本有關(guān)學(xué)者已篩選出能在很高

4、的二氧化碳含量下繁殖的海藻,并計(jì)劃在其太平洋海岸進(jìn)行大面積人工繁殖試驗(yàn),旨在吸收該地區(qū)工業(yè)化后排放的二氧化碳。美國(guó)還利用鹽堿地里的鹽生植物吸收二氧化碳,并在墨西哥進(jìn)行試植。1.2 從燃放氣中分離處理二氧化碳1.2.1物理法物理法分離處理二氧化碳技術(shù)主要有:物理吸收法、膜分離法、變壓（變溫）吸附法、海洋深層儲(chǔ)存法和陸地蓄水層（或廢油、氣井）儲(chǔ)存法等。1）物理吸收法:通過(guò)交替改變二氧化碳與吸收劑（有機(jī)溶劑）之間的操作壓力和操作溫度以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的吸收和解析,從而達(dá)到分離處理二氧化碳的目的。在整個(gè)過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因而所需的能量消耗相對(duì)較少。一般講來(lái),有機(jī)溶劑吸收二氧化碳的能力隨著壓力增加和溫度

5、下降而增大,反之則減小。物理吸收法其關(guān)鍵在于確定優(yōu)良的吸收劑。對(duì)吸收劑的要求是:對(duì)二氧化碳的溶解度大、選擇性好、沸點(diǎn)高、無(wú)腐蝕、無(wú)毒性、化學(xué)性能穩(wěn)定。常見(jiàn)吸收劑有丙烯酸酯、N-甲基-2-D吡咯烷酮、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷等高沸點(diǎn)有機(jī)溶劑,以減少溶液損耗和蒸氣外泄。2）膜分離法:膜分離法是利用一些聚合材料,如醋酸纖維和聚酰亞胺等制成的薄膜對(duì)不同氣體具有不同的滲透率這一特性來(lái)分離氣體,其中包括分離膜和吸收膜兩種類型。其推動(dòng)力是膜兩邊的壓差。工業(yè)上用于二氧化碳分離的膜材質(zhì)主要有醋酸纖維、乙基纖維素、巨苯醚及聚砜等。近些年來(lái),隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展,涌現(xiàn)出不少性能優(yōu)異的新型膜質(zhì)材料,如聚酰亞胺膜

6、、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜復(fù)合膜、含二胺的聚碳酸酯復(fù)合膜及含相對(duì)分子質(zhì)量低的丙烯酸脂的浸膜等,它們均表現(xiàn)出了良好的二氧化碳滲透性。隨著高分子材料的不斷發(fā)展和制膜技術(shù)的不斷完善,膜分離法在從燃放氣中分離二氧化碳方面一定會(huì)大有作為3）變壓（變溫）吸附法:吸附法是利用固態(tài)吸附劑（活性炭、天然沸石、分子篩、活性氧化鋁和硅膠等）對(duì)原料混合氣中的二氧化碳進(jìn)行有選擇性的可逆吸附作用來(lái)分離回收二氧化碳的技術(shù)吸附法主要包括變溫吸附法（TSA）和變壓吸附法（PSA）。吸附劑在高溫（或高壓）條件下吸附二氧化碳,降溫（或降壓）后將二氧化碳解吸出來(lái),通過(guò)周期性的溫度（或壓力）變化,實(shí)現(xiàn)二氧化碳與其他氣體的分離。采用吸附

7、法時(shí),一般需要多座吸附塔并聯(lián)使用,以保證整個(gè)過(guò)程中能連續(xù)地輸入原料氣,連續(xù)地取出二氧化碳?xì)饧拔次綒怏w現(xiàn)階段,變壓吸附法發(fā)展較為迅速,大型工業(yè)化吸附裝置已投入使用,其二氧化碳分離效率可達(dá)99%以上。在化肥、石化等工業(yè)中的應(yīng)用極其廣泛。在國(guó)內(nèi),西南化工研究院技術(shù)力量雄厚,在變壓吸附研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、安裝方面,處于領(lǐng)先地位。4）海洋處理法:基本構(gòu)想是本著對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)影響最小的原則,將工業(yè)燃放氣中的二氧化碳分離回收,液化后送到海上,在指定海域?qū)⒍趸妓腿胍欢ㄉ疃鹊暮Ｑ笾小Ｄ壳?可考慮的方法主要有海洋中層稀釋放流法和深海儲(chǔ)流法。國(guó)外在這方面研究較多。最近的一些研究表明,可將二氧化碳以籠形包合物的形

8、式儲(chǔ)存在海底,這樣就增加了長(zhǎng)期儲(chǔ)存的安全性,而不使儲(chǔ)存于深海中的二氧化碳重返大氣,造成大氣中二氧化碳增加。深層海洋中的二氧化碳含量0.1kgm3,而其溶解度為40kgm3。1990年，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)估計(jì)海洋中無(wú)機(jī)碳總量為38億噸,人類活動(dòng)釋放的二氧化碳為60億噸年。事實(shí)上,海洋儲(chǔ)存二氧化碳的潛力是很大的。計(jì)算表明,盡管地下蓄水層、廢油氣井對(duì)二氧化碳有很大的儲(chǔ)存容量（分別為870億噸、1250億噸）并增加回收原油40億噸,但與海洋的20千億噸相比是微不足道的。當(dāng)前,上述兩種二氧化碳處理法距離實(shí)際應(yīng)用尚遠(yuǎn),存在一系列的技術(shù)性問(wèn)題。然而,它不失為一條21世紀(jì)解決大氣“溫室效應(yīng)”的有效途徑

9、。5）地下處理法：地下處理法其基本設(shè)想是將從燃放氣中分離出的二氧化碳?jí)喝肟萁叩挠吞铩⑻烊粴馓锘蚴菐畬?從而達(dá)到與大氣隔離的目的。估算表明,地下蓄水層儲(chǔ)存二氧化碳的容量為870億噸,而廢油氣田的儲(chǔ)存容量為1250億噸。在荷蘭進(jìn)行的可行性研究包括:選擇適宜的地下蓄水層,估算二氧化碳的儲(chǔ)存容量和進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。其潛在的問(wèn)題包括酸化對(duì)炭石造成的侵蝕、地下水污染及對(duì)地殼造成的不穩(wěn)定性。1.2.2化學(xué)法化學(xué)法分離處理二氧化碳主要包括化學(xué)吸收法及碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法等。1）化學(xué)吸收法:化學(xué)吸收法是使原料氣和化學(xué)溶劑在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),二氧化碳進(jìn)入溶劑形成富液,富液進(jìn)入脫吸塔加熱分解出二氧化碳,吸收與脫吸

10、交替進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的分離回收。其關(guān)鍵是控制好吸收塔和脫吸塔的操作溫度和操作壓力化學(xué)吸收法所用化學(xué)溶劑一般為K2CO3水溶液或乙醇胺類的水溶液。熱K2CO3法包括苯非爾德法（吸收溶劑中K2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%30%,二乙醇胺1%6%,加適量V2O5作催化劑和防腐劑）、砷減法（VetroCokes法,K2CO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%,As2O312%，或用氨基乙酸和V2O5代替As2O3）、卡蘇爾法（Carsol法,K2CO3、胺、V2O5）和改良熱碳酸鉀法（CataCarb法,K2CO3、乙醇胺鹽、V2O5）。以乙醇胺類作吸收劑的方法有MEA法（一乙醇胺）、DEA法（二乙醇胺）及MDEA法（甲

11、基二乙醇胺）等16。2）碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法:碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法是在催化劑作用下,將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。日本東北電力公司以銠-鎂為催化劑,可使二氧化碳與氫按1:4（體積比）的比例，在一定的溫度與壓力下混合，生成甲烷。日本東芝公司采用一種工程上更為可行的原料配合,直接用燃放氣與以氫為基底的乙炔混合,利用電子束或激光束激勵(lì),生產(chǎn)甲醇和一氧化碳,一氧化碳作為原料,可進(jìn)一步合成甲醇。碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化法還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,距離工業(yè)大規(guī)模實(shí)用階段尚遠(yuǎn)。二氧化碳作為一種潛在的巨大的資源,已引起世界眾多國(guó)家有關(guān)科技人員的關(guān)注。1.2.3物理-化學(xué)法目前,物理-化學(xué)法主要有二氧化碳分解法。該法是借助高能射線或電子射線等放射線,對(duì)排出的含有大量二氧化碳的燃放氣進(jìn)行輻射,使其中的二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣,一氧化碳在經(jīng)過(guò)高能輻射，轉(zhuǎn)而生成C3O2和O2,其反應(yīng)方程式為:一次輻射:CO2海。0+1202;二次輻射:3C0探C3O2+1202和3CO2海。302+202。這種方法，尚處于基礎(chǔ)研究階段要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，還有大量技術(shù)問(wèn)題需要解決。結(jié)束語(yǔ)當(dāng)前,各國(guó)的科技工作者在防止大氣“溫室效應(yīng)”、綜