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，煤炭、石油等化石燃料的大量使用造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。其中最為嚴(yán)峻的就是全球氣候變暖問題。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

2、合利用是擺在廣大環(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。現(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

3、能作用來實(shí)現(xiàn)分離和固定。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，過去人們一直認(rèn)為它是燃燒過程的最終產(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

4、篩選出能在很高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，有機(jī)溶劑吸收二氧化碳的能力

5、隨著壓力增加和溫度下降而增大，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、無腐蝕、無毒性、化學(xué)性能穩(wěn)定。常見吸收劑有丙烯酸酯、N-甲基-2-D 口比咯烷酮、甲醇、乙醇、聚乙二醇及曝吩烷等高沸點(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、巨苯醛及聚碉等。近些年來，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

6、型膜質(zhì)材料，如聚酰亞胺膜、 聚苯氧改性膜、二胺基聚碉復(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）o 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，通過周期性的溫度（或壓力）變化，實(shí)現(xiàn)二氧

7、化碳與其他氣體的分離。采用吸附法時(shí)，一般需要多座吸附塔并聯(lián)使用，以保證整個(gè)過程中能連續(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?。目前，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

8、明，可將二氧化碳以籠形包合物的形式儲(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)性問題

9、。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。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?、天然氣田或是帶水層，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)，

10、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 作催化劑和防腐劑卜神減法（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,K2COa 胺、V2O5）和改良熱碳酸鉀法（CataCarb 法,K2COa 乙醇月鹽、

11、V2O5）。以乙醇胺類作吸收劑的方法有 MEA 法（一乙醇胺卜 DEA 法（二乙酉|胺）及 MDEA 法（甲基二乙醇胺）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銬-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快混合，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，物理址學(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)過高能輻射，轉(zhuǎn)而生成 C3O2 和 O2,其反應(yīng)方程式為：一次輻射：CO2XCO+12O2;二次輻射:3COXC3O2+12O2 和 3CO2XC3O2+2O2。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)問題需要解決。結(jié)束語當(dāng)前，各國(guó)的科技工作者在防止大氣“溫室效應(yīng)”