二氧化碳處理技術王洋

1、二氧化碳處理技術王洋 32420132204724自人類進入工業(yè)社會以來，煤炭、石油等化石燃料的大量使用造成了嚴重的環(huán)境問題。其中最為嚴峻的就是全球氣候變暖問題。也叫做溫室效應，目前，人類在能源系統(tǒng)中產生大量二氧化碳并直接排放是導致該現象的主要原因。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間長，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（體積分數，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，預計到 2020 年,大氣中二氧化碳含量將達到 6.60X10-4。一方面，如何降低二氧化碳排放量，變廢為寶，實現其分離回收與綜

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，可轉化為巨大的可再生資源。現階段，二氧化碳的資源化研究已引起人們的密切關注，且其開發(fā)前景非常廣闊。二氧化碳的處理技術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階段，從大氣中分離固定二氧化碳技術主要有生物法，而從燃放氣中分離回收二氧化碳技術主要有物理法、化學法和物理-化學法等。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達到了較高的濃度，設法將其從大氣中分離出來并加以固定，是當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、能作用來實現分離和固定。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的特殊環(huán)境中，自養(yǎng)微生物固定二氧化碳的優(yōu)勢便發(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，化學性質較為穩(wěn)定，過去人們一直認為它是燃燒過程的最終產物。高效固定二氧化碳的微生物（生物催化劑）,可在溫和條件下實現向有機碳的轉化，微生物在固定二氧化碳的同時，可獲得許多高營養(yǎng)、高附加值的產品。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。海洋對吸收二氧化碳存在著巨大的潛力。日本有關學者已

4、篩選出能在很高的二氧化碳含量下繁殖的海藻，并計劃在其太平洋海岸進行大面積人工繁殖試驗，旨在吸收該地區(qū)工業(yè)化后排放的二氧化碳。美國還利用鹽堿地里的鹽生植物吸收二氧化碳，并在墨西哥進行試植。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主要有：物理吸收法、膜分離法、變壓（變溫）吸附法、海洋深層儲存法和陸地蓄水層（或廢油、氣井）儲存法等。1）物理吸收法：通過交替改變二氧化碳與吸收劑（有機溶劑）之間的操作壓力和操作溫度以實現二氧化碳的吸收和解析，從而達到分離處理二氧化碳的目的。在整個過程中不發(fā)生化學反應，因而所需的能量消耗相對較少。一般講來，有機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。物理吸收法其關鍵在于確定優(yōu)良的吸收劑。對吸收劑的要求是：對二氧化碳的溶解度大、選擇性好、沸點高、無腐蝕、無毒性、化學性能穩(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有機溶劑，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。其推動力是膜兩邊的壓差。工業(yè)上用于二氧化碳分離的膜材質主要有醋酸纖維、乙基纖維素、巨苯醛及聚碉等。近些年來，隨著材料科學的迅速發(fā)展， 涌現出不少性能優(yōu)異的新

6、型膜質材料，如聚酰亞胺膜、 聚苯氧改性膜、二胺基聚碉復合膜、含二胺的聚碳酸酯復合膜及含相對分子質量低的丙烯酸脂的浸膜等，它們均表現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）對原料混合氣中的二氧化碳進行有選擇性的可逆吸附作用來分離回收二氧化碳的技術。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，實現二氧

7、化碳與其他氣體的分離。采用吸附法時，一般需要多座吸附塔并聯使用，以保證整個過程中能連續(xù)地輸入原料氣，連續(xù)地取出二氧化碳氣及未吸附氣體現階段，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 99%以上。在化肥、石化等工業(yè)中的應用極其廣泛。在國內，西南化工研究院技術力量雄厚，在變壓吸附研究、開發(fā)、設計、安裝方面，處于領先地位。4）海洋處理法：基本構想是本著對海洋生態(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，在指定海域將二氧化碳送入一定深度的海洋中。目前，可考慮的方法主要有海洋中層稀釋放流法和深海儲流法。國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存在海底，這樣就增加了長期儲存的安全性，而不使儲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，聯合國政府間氣候變化委員會估計海洋中無機碳總量為 38 億噸，人類活動釋放的二氧化碳為 60 億噸年。事實上，海洋儲存二氧化碳的潛力是很大的。計算表明，盡管地下蓄水層、廢油氣井對二氧化碳有很大的儲存容量（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。當前，上述兩種二氧化碳處理法距離實際應用尚遠，存在一系列的技術性問題

9、。然而，它不失為一條 21 世紀解決大氣“溫室效應”的有效途徑。5）地下處理法：地下處理法其基本設想是將從燃放氣中分離出的二氧化碳壓入枯竭的油田、天然氣田或是帶水層，從而達到與大氣隔離的目的。估算表明，地下蓄水層儲存二氧化碳的容量為 870 億噸,而廢油氣田的儲存容量為 1250 億噸。在荷蘭進行的可行性研究包括：選擇適宜的地下蓄水層，估算二氧化碳的儲存容量和進行環(huán)境風險評價。其潛在的問題包括酸化對炭石造成的侵蝕、地下水污染及對地殼造成的不穩(wěn)定性。1.2.2化學法化學法分離處理二氧化碳主要包括化學吸收法及碳氫化合物轉化法等。1）化學吸收法：化學吸收法是使原料氣和化學溶劑在吸收塔內發(fā)生化學反應，

10、二氧化碳進入溶劑形成富液，富液進入脫吸塔加熱分解出二氧化碳，吸收與脫吸交替進行，從而實現二氧化碳的分離回收。其關鍵是控制好吸收塔和脫吸塔的操作溫度和操作壓力化學吸收法所用化學溶劑一般為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 質量分數為 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 質量分數 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）碳氫化合物轉化法：碳氫化合物轉化法是在催化劑作用下，將二氧化碳轉化為甲烷、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，生產甲醇和一氧化碳，一氧化碳作為原料，可進一步合成甲醇。碳氫化合物轉化法還處于實驗室研究階段，距離工業(yè)大規(guī)模實用階段尚遠。二氧化碳作為一種潛在的巨大的資源，已引起世界眾多國家有關科技人員的關注。1.2.3物理-化學法目前，物理址學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，對排出的含有大量二氧化碳的燃放氣進行輻射，使其中的二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣，一氧化碳在經過高能輻射，轉而生成 C3O2 和 O2,其反應方程式為：一次輻射：CO2XCO+12O2;二次輻射:3COXC3O2+12O2 和 3CO2XC3O2+2O2。這種方法，尚處于基礎研究階段，要實現工業(yè)化還有大量技術問題需要解決。結束語當前，各國的科技工作者在防止大氣“溫室效應”