浅谈二氧化碳的捕集和资源化利用

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全球变暖是一个人类目前面临的严峻的环境问题，由此导致的极端天气及海平面上升严重威胁到了人类的正常生产和生活。二氧化碳是一种主要的温室气体，近年来，随着工业的快速发展，越来越多的化石燃料消耗导致大气中二氧化碳含量逐年增加。为了降低二氧化碳对气候的影响，一方面要通过大力推广节能减排技术，从源头上减少二氧化碳的排放；另一方面要加强二氧化碳资源化利用，变废为宝。本文就二氧化碳的捕集方法和综合利用进行简单介绍。

一、二氧化碳的捕集

二氧化碳的捕集方法主要有吸收法、吸附法、膜分离法等。

工业上常用的吸收法分为物理吸收法和化学吸收法[1]。物理吸收法是指采用水、甲醇等作为吸收剂，利用二氧化碳在这些溶剂中的溶解度随压力而变化的原理来吸收的方法。其关键在于吸收剂的选择，要求具有对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性质稳定的特点。

化学吸收法是利用二氧化碳的酸性气体的性质与弱碱性物质发生化学反应，然后加热生成物，分解得到二氧化碳。该方法的关键是控制好吸收和解吸的条件。吸收剂应对二氧化碳具有选择性、不易挥发、腐蚀性小、粘度低、毒性小、不易燃。常用的吸收剂有醇胺、碳酸盐等的水溶液，吸收剂浓度通常不超过50%。

吸附法是一种利用固态吸附剂（活性炭、天然沸石、分子筛、活性氧化铝和硅胶等）对原料气中的二氧化碳进行有选择性的可逆吸附来分离回收二氧化碳。吸附剂在低温（或高压）条件下吸附二氧化碳，升温（或降压）后将二氧化碳解吸出来。一般需要多座吸附塔并联使用以保证整个过程中能连续的输入原料气，连续地取出二氧化碳气及未吸附气体。其关键是吸附剂的载荷能力，主要决定因素是温差（或压差）。

膜分离法是利用某些聚合材料，如醋酸纤维、聚酰亚胺、聚砜等制成的薄膜，利用其对不同气体的不同渗透率来分离。膜分离的驱动力是压差，当膜两边存在压差时，渗透率高的气体组分以很高的速率透过薄膜，形成渗透气流，渗透率低的气体则绝大部分在薄膜进气侧形成残留气流，两股气流分别引出，从而达到分离的目的。

上述各种方法均有各自的优、缺点，可以单独使用，也可以结合起来使用，例如物理化学吸收法、膜分离-吸收联合法。在实际生产中需根据原料气的组成、处理量及对二氧化碳产品纯度的要求来选择合适的方法。

二、二氧化碳的资源化利用

二氧化碳不仅广泛应用在石油开采、冶金、焊接、低温冷媒、机械制造、人工降雨、消防、化工、造纸、农业、食品业、医疗卫生等传统领域，还可应用于超临界溶剂、生物工程、激光技术、核工业等高科技领域。近年来，二氧化碳在棚菜气肥、蔬菜（肉类）保鲜、生产可降解塑料等领域也展现良好的发展前景。根据二氧化碳的利用方式不同，可将其应用分为物理利用、化学利用和生物利用三个方面[2]。

二氧化碳的物理利用主要有以下方面：（1）作为惰性气体用于焊接保护气、烟丝膨化剂、灭菌气体；（2）作为冷却剂用于原子能反应堆的冷却和食品工业中的冷却及冷冻等。（3）作为压力剂用于粉末灭火剂的压出剂、喷枪喷射剂、碳酸饮料、鲜啤酒压出剂、混凝土破碎。（4）用作清洗剂，超临界二氧化碳对有机物有极好的溶解性，可用于光学零件、电子器件、精密机械零件进行清洗。（5）用于原油开采，超临界二氧化碳可以与原油混溶，降低其粘度从而提高老油井石油采出率。

二氧化碳的化学应用较广泛，可以被用于生产种类繁多的有机、无机化工产品[3]。利用二氧化碳与焦炭在高温下反应制得一氧化碳气体，继而进行羰基合成可生产醋酸、甲酸等产品。与氨作用合成尿素是二氧化碳最大规模固定和利用方式，以尿素为基础还可以生产出碳酸二甲酯等重要化学品。二氧化碳通过催化氢化生成甲醇是一种很有发展前途的化工利用方法。甲醇不仅是重要的化工原料，而且由于它易于储存和运输而被用于替代化石燃料。早在2003年，中国有关部门已将甲醇燃料列入国家替代油源发展计划。甲醇是含氧化合物，辛烷值高，燃烧充分，燃烧排放有害物质明显低于石油燃料。以二氧化碳和环氧化物共聚物为代表的二氧化碳基塑料已经成为一个研发的热点。这类塑料可降解，有助于解决塑料“白色污染”问题，是发展最快的塑料品种之一。最近，东京大学的野崎京子教授等发明了一种用丁二烯和二氧化碳共聚合成高性能塑料的高效利用二氧化碳的方法，塑料中二氧化碳的重量百分数可高达29%[4]。

就地球的整体碳循环过程而言，通过生物的方法固定并转化二氧化碳是地球上最符合自然规律的利用方式，因此二氧化碳的生物利用也越来越受到重视。二氧化碳可以用来养殖生长周期短的植物或藻类以生产生物燃料。其中利用微藻固定二氧化碳技术极具开发和应用潜力，这主要是由于微藻固定二氧化碳的能力及其通过光合作用合成生物燃料的速度远高于传统作物。另外，由于微藻能够利用生活及工农业废水作为氮、磷和其它营养物的来源，因此可以实现废水处理、二氧化碳固定和生物燃料合成三种过程的耦合，从而使过程的经济效益和环境效益最大。

三、 结束语

二氧化碳排放及与之相关的气候变化问题已经成为一个目前迫切需要解决的重大国际问题，通过合理的途径实现二氧化碳的资源化利用是解决这一问题的最佳途径之一。通过化学、生物等方法将二氧化碳转化成为更具附加值的能源、化工原料和精细化学品就成为了研究工作的热点方向。开展二氧化碳资源化利用需要企业和科研机构的通力协作，同时政府应进行相应的政策引导，从而促进技术突破及推广应用。

参考文献：

[1] 李晓斌.二氧化碳的捕集分离技术的研究进展[J].广东化工，2014， 41（5）： 115-116

[2] 王文珍，张生琦，倪炳华，等， CO2的绿色利用技术研究进展[J]，化工进展，2013，32（6）： 415-1422

[3] 杨文书，吕建宁，叶鑫 等，煤化工二氧化碳减排与化学利用研究进展，化工进展，2009，28（10）： 1728-1733

[4] Copolymerization of carbon dioxide and butadiene via a lactone intermediate， Nature Chemistry， 2014， 6（4）： 325-331