二氧化碳的影響及綜合利用

二氧化碳的影響及綜合利用引言:近十多年來，在涉及地球環(huán)境保護(hù)的諸多問題中，最令人關(guān)注的當(dāng)屬大氣環(huán)境逐漸變暖，即所謂的溫室效應(yīng)。近年來所發(fā)生的許多危害，都或多或少被打上了溫室效應(yīng)的烙印，如：嚴(yán)酷的天氣類型，變化的生態(tài)系統(tǒng)，物種滅絕及生物多樣性的喪失，飲用水的減少，海平面上升造成的陸地減少和平均氣溫上升等。盡管產(chǎn)生全球氣候變化的原因是多方面的，但大量研究表明，產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要原因與溫室氣體（CHG）的大量排放有直接關(guān)系。當(dāng)前所謂的溫室氣體主要有6種，除二氧化碳外，還包括甲烷，氧化氮，氫氟烴，全氟碳和六氟化硫。這些氣體能大量吸收地球表面輻射的熱量，從而使地表溫度升高而產(chǎn)生溫室效應(yīng)。而現(xiàn)在擺在人們面前的不僅僅是如何減少二氧化碳的排放量，更應(yīng)該去思考如何利用這部分溫室氣體進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，來為世界創(chuàng)造更多的價(jià)值。一、概述:碳循環(huán)是碳通過大氣圈，生物圈，土壤圈，巖石圈和水圈的變化和傳遞的總過程。碳在生物圈的存在形式主要為有機(jī)碳；碳在水圈中的存在形式為溶解的有機(jī)碳，溶解的無機(jī)碳，沉淀的有機(jī)碳，沉淀的無機(jī)碳和有機(jī)碳；碳在巖石圈中的存在形式為有機(jī)碳（包括化石燃料）和碳酸鹽；碳在土壤圈的存在形式為有機(jī)碳；碳在大氣圈中的主要存在形式為二氧化碳和甲烷氣體。現(xiàn)在大氣中的二氧化碳的濃度為0。000370%。而近年來，人類每年排入大氣的二氧化碳為280*10八81,是植被和土壤呼吸及海表交換排入大氣的CO平均自然流通量（總量約為5500*10八81）的5%。大2氣中CO總量的變化由排放和吸收量之間的凈平均差額決定，而不是2各流量本身。有數(shù)據(jù)表明：在過去的42萬年中，二氧化碳的含量在過去的250年增長(zhǎng)了31%，其中最近幾十年更是以指數(shù)形式在增長(zhǎng)。而化石燃料的使用對(duì)CO排放的貢獻(xiàn)占人類活動(dòng)總排量的70%~90%。Risingcarbondioxideconcentrationsinairinthepastdecades二、溫室效應(yīng)：目前，公認(rèn)的二氧化碳所引起的溫室效應(yīng)對(duì)人類生活環(huán)境的幾大影響主要包括：一是極端氣象和氣候現(xiàn)象頻繁發(fā)生；二是冰川融化，海平面上升；三是對(duì)動(dòng)植物種群數(shù)目和分布產(chǎn)生影響；四是全球氣候變暖導(dǎo)致越來越嚴(yán)重的缺水問題；五是全球全球變暖帶來的種種后果將使人類健康問題越來越突出。溫室效應(yīng)的起因目前在學(xué)術(shù)界，約有90%的學(xué)者認(rèn)可溫室效應(yīng)主要起因是由于大氣溫室氣體的增加，其中對(duì)溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)最多的是二氧化碳和水蒸氣。燃料的燃燒會(huì)產(chǎn)生C02和H20,產(chǎn)生的C02可溶解在雨水、江河、湖泊和海洋里，也可以被植物吸收進(jìn)行光合作用等。產(chǎn)生和消耗的CO2量之間達(dá)到平衡，使大氣層中CO2濃度保持一定的圍。地球大氣層中的CO2和水蒸氣等允許部分太陽輻射透過并達(dá)到地面，使地球表面溫度升髙。同時(shí)，由于CO2和H20分子可以產(chǎn)生分子偶極矩改變的振動(dòng)，故能吸收太陽和地球表面發(fā)出波長(zhǎng)在2000納米以上的長(zhǎng)波輻射，僅讓很少的一部分熱輻射散失到宇宙空間。由于大氣吸收的輻射熱量多于散失的，最終導(dǎo)致地球和外層空間保持某種熱量平衡，使地球維持相對(duì)穩(wěn)定的氣溫，這種現(xiàn)象即稱為溫室效應(yīng)。三、治理溫室效應(yīng)的國(guó)際國(guó)政策：溫室氣體的排放所到來的全球氣候上升已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。由于意識(shí)到治理溫室氣體的排放僅僅靠個(gè)人與企業(yè)的力量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此政府開始扮演越來越重要的角色。1992年6月3日在巴西143個(gè)國(guó)家簽署了《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》，1997年在日本東京通過的《京都協(xié)定書》。《京都協(xié)定書》的全稱為《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約京都協(xié)定書》，其主旨是限制工業(yè)二氧化碳及其他溫室氣體的排放量，從而遏制全球氣候變暖的溫室效應(yīng)。《京都協(xié)定書》對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家規(guī)定了明確的減排義務(wù)；至2010年，所有發(fā)達(dá)國(guó)家排放的二氧化碳等6種溫室氣體的數(shù)量要比1990年減少5.2%，發(fā)展中國(guó)家則沒有減排義務(wù)?！毒┒紖f(xié)定書》在規(guī)定減排義務(wù)的同時(shí)，也規(guī)定了非常

靈活的履行義務(wù)，其中最重要的是基于市場(chǎng)運(yùn)作的“聯(lián)合履行”，“清潔發(fā)展機(jī)制（CMD）”和“排放交易”等三種機(jī)制。其中“聯(lián)合履行”機(jī)制是針對(duì)承擔(dān)減排義務(wù)的國(guó)家，而鼓勵(lì)發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家開展合作項(xiàng)目的“清潔發(fā)展（CMD）”機(jī)制，不僅能給發(fā)展中國(guó)家?guī)泶罅抠Y金，還能提供全新的減排技術(shù)。而在2009年12月召開的哥本哈根世界氣候大會(huì)上達(dá)成了無約束力協(xié)議。但并未達(dá)成太多建設(shè)性法案和措施。四、二氧化碳的物理化學(xué)性質(zhì)二氧化碳俗稱碳酸氣，又名碳酸酐，分子式為CO2，由兩個(gè)氧原子與一個(gè)碳原子通過共價(jià)鍵連接而成，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，二氧化碳是無色，無臭，略有酸性的氣體，密度比空氣略大，能溶于水，并生成碳酸。液態(tài)二氧化碳蒸發(fā)時(shí)吸收大量的熱而凝成固體二氧化碳，俗稱干冰。oeo-_,」Eq.-a」n5-5m」d1.000100■ia300350temperatureCK3ioeo-_,」Eq.-a」n5-5m」d1.000100■ia300350temperatureCK3i250406表一Carbondioxidetriplepoint表二二氧化碳的主要物理性質(zhì)質(zhì)性數(shù)值性質(zhì)數(shù)值分子0.35表面力（一25C）9.13直徑~0。51mN/m摩爾22.6升華狀態(tài)（0?！w積101MPa)78。5臨界狀態(tài)溫度，oC溫31.0升華熱，KJ/kg573.度66壓7.38固態(tài)密度，1562力MPa2kg/m3密467氣態(tài)密度，2.81度，kg/m3kg/m34三相點(diǎn):比熱容，kj/kg*K溫—Cp0.84度，oC56.575壓0.51Cv0.65力，MPa81汽347.熱導(dǎo)率，W/m*K52.7化熱，kj/kg865熔化熱，kj/kg195.82折射率1.0004506汽化熱，kj/kg235生成熱，kj/mol393.7二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)一、還原反應(yīng)高溫下，二氧化碳可分解為一氧化碳和氧氣：2CO2?====?2CO+O2-283kJ在二氧化碳中燃燒著的鎂，鋁和鉀等活性金屬可以繼續(xù)保持燃燒，反應(yīng)生成金屬氧化物，析出游離態(tài)碳。CO2+2Mg====2Mg+C其他方法還原。常用的還原劑為氫氣,在加熱和催化劑的作用下，還可被烴類還原：CO2+H2====CO+H2O；CO2+CH4===2CO+2H2、有機(jī)合成反應(yīng)1.二氧化碳合成尿素CO(NH2)2：CO2+2NH3====NH2COONH4====CO(NH2)另一種方法：CaCN2+H2O+CO2====NH2CN+CaCO3NH2CN+H2O====CO(NH2)21.二氧化碳合成甲醇：C02 + 3H2<====>CH30H+H202.二氧化碳合成甲烷：CO2+4H2====CH4+2H2O二氧化碳與苯酚鈉的羧化反應(yīng)：二氧化碳在有機(jī)合成工業(yè)中的一個(gè)重要反應(yīng)是Kolbe-Schmitt反應(yīng)，如：在反應(yīng)溫度約為1501,壓力約0.5MPa,苯酚鈉的羧基化反應(yīng)制備水酸:生化反應(yīng)，二氧化碳在地球的生態(tài)環(huán)境中起著重要的作用。在植物新代過程中，在光和葉綠素的催化作用下，空氣中的二氧化碳和水反應(yīng)生成糖等有機(jī)物，同時(shí)放出02,即：6CO2+6H2O====C6H12O6+6O2而于此同時(shí)，動(dòng)物通過吸收空氣中的氧氣，在體發(fā)生氧化反應(yīng)，為動(dòng)物體提供生存所需的能量，并使大氣中的C02與02的濃度達(dá)到一種平衡的狀態(tài)。C6H1206+602====6C02+6H20五、二氧化碳的捕集與儲(chǔ)存：二氧化碳的捕集與儲(chǔ)存(CCS)是指將來自工業(yè)副業(yè)或其他相關(guān)過程的二氧化碳分離出來，輸送到一個(gè)儲(chǔ)存地點(diǎn)將其儲(chǔ)存，使其長(zhǎng)期與大氣隔離。CCS是減排大氣溫室氣體濃度的一種有效措施。二氧化碳的捕集主要用于較大的二氧化碳點(diǎn)源，包括大型化石燃料或生物能源設(shè)施，主要二氧化碳排放工業(yè)企業(yè)，天然氣生產(chǎn)，合成燃料工廠以及基于化石燃料的制氫工廠。目前潛在的可用于儲(chǔ)存二氧化碳的技術(shù)有：地質(zhì)儲(chǔ)存，海洋儲(chǔ)存，森林和陸地生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存以及將二氧化碳固化成無機(jī)碳酸鹽。通過森林和陸地生態(tài)系統(tǒng)捕集和儲(chǔ)存二氧化碳可導(dǎo)致大氣中二氧化碳的凈清除，達(dá)到真正的“負(fù)排放”。此外，將二氧化碳應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中也是二氧化碳儲(chǔ)存的一種途徑，但就目前來看，由于技術(shù)水平有限，使得儲(chǔ)存量少，對(duì)二氧化碳的減排的貢獻(xiàn)不大。目前，可行的二氧化碳儲(chǔ)存或處置方式有四種：包括地質(zhì)（地下）儲(chǔ)存，海洋儲(chǔ)存，礦石碳化和森林與陸地生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存。其中，地質(zhì)儲(chǔ)存又可分為石油天然氣儲(chǔ)層儲(chǔ)存，深鹽沼池構(gòu)造儲(chǔ)存和不可開采的煤層儲(chǔ)存三種。深鹽沼池儲(chǔ)存又可分為礦坑或巖洞儲(chǔ)存，含水層儲(chǔ)存。在不可開采的煤層儲(chǔ)存二氧化碳還可以提高煤層甲烷回收率，從而取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。六、二氧化碳的綜合利用：（1）物理利用二氧化碳的物理利用是指在應(yīng)用過程中，不改變二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)，僅僅作為一種工作介質(zhì)或助劑，如用做啤酒，碳酸飲料的添加劑，用做油氣田助采劑；作為惰性氣體用于氣體保護(hù)焊接；利用液體，固體二氧化碳的冷量用于食品和果蔬的冷藏，儲(chǔ)運(yùn)，以及利用二氧化碳在超臨界狀態(tài)下的特殊性能進(jìn)行萃取，分析等提高石油采收率：據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2004年，世界石油產(chǎn)量的3%是由注氣提高采收率而獲得的。其中，加拿大的注氣增產(chǎn)量為其石油總產(chǎn)量的20%，美國(guó)為10%二氧化碳驅(qū)用于油田，能夠提高石油采收率，主要是因?yàn)槎趸汲司哂幸话銡怛?qū)所共有的驅(qū)替機(jī)理外，還有其特殊的驅(qū)替機(jī)理，如二氧化碳在地層溶于水后，可使水的黏度增加20%~30%，運(yùn)移性能提高2~3倍；二氧化碳溶于油后，使原油體積膨脹，黏度降低30%~80%，油水界面力降低，有利于增加采油速度和增加洗油效率。二氧化碳驅(qū)的缺點(diǎn)：不同溫度條件下，二氧化碳的溶解濃度不同；二氧化碳溶于油，會(huì)產(chǎn)生石蠟及瀝青的沉積，二氧化碳會(huì)從生產(chǎn)井中泄露；造成油井及井田設(shè)備的腐蝕；油田附近缺乏相應(yīng)的資源，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸存在多方面問題以及使用成本高等問題。正是由于以上不足之處，限制了該方法在大多數(shù)油田的推廣。（2）化學(xué)利用；以二氧化碳為原料可生產(chǎn)許多無機(jī)和有機(jī)化工產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有1.1*10八8噸的二氧化碳用于化學(xué)合成。其規(guī)模利用二氧化碳的主要是生產(chǎn)尿素，純堿和碳酸氫銨，有機(jī)碳酸酯以及作為調(diào)節(jié)合成氣中CO與H2比例的添加劑等。1、C1化工原料C1華工主要包括了：天然氣化工，合成氣化工，甲醇化工和二氧化碳化工等。如何更有效地減少大氣中的二氧化碳，并能同時(shí)創(chuàng)造出豐厚的利潤(rùn)，一直是人們所真實(shí)追求的。由于，石油等化石燃料的稀缺性，使得人們不得不去尋找其替代資源，而以二氧化碳為主要原料的化工原料便受到了人們的格外關(guān)注。化學(xué)方程式：C02 +3H2======CH30H+H20AH=-49kJ/molAG=3kJ/molCH4中C原子處于最低還原態(tài)，而二氧化碳則處于最髙氧化態(tài)。而二氧化碳催化加氫反應(yīng)要獲得成功，廉價(jià)的氫源和高選擇性催化劑的獲得是兩個(gè)關(guān)鍵的年個(gè)因素。目前，可通過水蒸氣轉(zhuǎn)化煤，天然氣或石油可制得氫，將來可通過太陽能電解水來獲得廉價(jià)的氫。而在催化劑方面最活躍的是銅基催化劑。在各種催化劑中，銅基催化劑研究得最多，綜合性能最好。除金屬氧化物自身性質(zhì)外，其催化活性還與分散度，助劑以及載體類型有很大關(guān)系。通過各種金屬氧化物載體對(duì)Cu催化劑活性影響的研究發(fā)現(xiàn)，Cu-Zn系催化劑是合成甲醇的髙效催化劑，而不同載體上的甲醇收率大小的關(guān)系為：Cu-ZnO(Al2O3,SiO2,TiO2)>Cu-ZnO/(ZrO2,Cr2O3)>Cu-ZnO/CeO2。而隨著世界能源的轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護(hù)的需要，進(jìn)入21世紀(jì)后，C1化學(xué)技術(shù)，特別是天然氣和二氧化碳的化工利用將會(huì)有突破性進(jìn)展。三其他可能的化學(xué)利用二氧化碳的化學(xué)利用除了以上已較為成熟的利用途徑和技術(shù)之外，還有許多研究工作正在積極地進(jìn)行著，如正在研究如何使二氧化碳與水反應(yīng)合成烴，醇燃料。二氧化碳與水是自然界最廉價(jià)易得的物質(zhì)，該技術(shù)若能取得成功，將獲得巨大的經(jīng)濟(jì)利益。目前，對(duì)該方法的研究有兩種途徑，即催化轉(zhuǎn)化法和微波—等離子還原法。此外，由丙烷—二氧化碳重整制氫也是一個(gè)較新的研究方向。其中氫可再生，且燃燒只生成水，而二氧化碳更是廉價(jià)而又豐富。關(guān)鍵的問題是氫氣能否充分開發(fā)利用，極