二氧化碳处理技术

1、二氧化碳处理技术王洋 32420132204724自人类进入工业社会以来，煤炭、石油等化石燃料的大量使用造 成了严重的环境问题。其中最为严峻的就是全球气候变暖问题。也叫 做温室效应，目前，人类在能源系统中产生大量二氧化碳并直接排放 是导致该现象的主要原因。同其他环境问题相比，二氧化碳的排放影 响空间大且作用时间长，因此解决起来非常困难。大气中的二氧化碳 含量已由工业革命前的2.80X 10-4（体积分数,下同）上升到目前的3.56 X 10-4。如果不采取措施控制二氧化碳的排放,预计到2020年,大气中 二氧化碳含量将达到6.60X 10-4o 一方面，如何降低二氧化碳排放量， 变废为宝，实现

2、其分离回收与综合利用是摆在广大环境科技工作者面 前的重要课题。另一方面，二氧化碳作为地球上最丰富的碳资源，可转 化为巨大的可再生资源。现阶段，二氧化碳的资源化研究已引起人们的密切关注，且其开发 前景非常广阔。二氧化碳的处理技术一般分可为从大气中分离固定和 从燃放气中分离回收两大类。现阶段，从大气中分离固定二氧化碳技 术主要有生物法,而从燃放气中分离回收二氧化碳技术主要有物理 法、化学法和物理-化学法等。1.1从大气中分离固定二氧化碳如今，大气中的二氧化碳已经达到了较高的浓度，设法将其从大气 中分离出来并加以固定，是当前不容忽视的研究课题。大气中游离的 二氧化碳主要通过陆地、海洋生态环境中的植物

3、、自养微生物等的光 合作用或化能作用来实现分离和固定。固定大气中二氧化碳的生物主 要是植物和自养微生物。人们往往将注意力放在植物的光合作用上。 地球上存在各种各样的生态系统,尤其是在植物不能生长的特殊环境 中,自养微生物固定二氧化碳的优势便发挥出来了,二氧化碳的微生物 固定是一支决不能忽视的力量。二氧化碳是不活泼分子，化学性质较 为稳定，过去人们一直认为它是燃烧过程的最终产物。高效固定二氧 化碳的微生物（生物催化剂），可在温和条件下实现向有机碳的转化，微 生物在固定二氧化碳的同时，可获得许多高营养、高附加值的产品。温室气体二氧化碳的微生物固定在环境、资源及能源等方面将发挥极 其重要的作用。海洋

4、对吸收二氧化碳存在着巨大的潜力。日本有关学 者已筛选出能在很高的二氧化碳含量下繁殖的海藻，并计划在其太平 洋海岸进行大面积人工繁殖试验,旨在吸收该地区工业化后排放的二 氧化碳。美国还利用盐碱地里的盐生植物吸收二氧化碳，并在墨西哥 进行试植。1.2从燃放气中分离处理二氧化碳1.2.1物理法物理法分离处理二氧化碳技术主要有:物理吸收法、膜分离法、 变压（变温）吸附法、海洋深层储存法和陆地蓄水层（或废油、气井）储 存法等。1）物理吸收法:通过交替改变二氧化碳与吸收剂（有机溶剂）之间的操 作压力和操作温度以实现二氧化碳的吸收和解析，从而达到分离处理 二氧化碳的目的。在整个过程中不发生化学反应，因而所需

5、的能量消 耗相对较少。一般讲来，有机溶剂吸收二氧化碳的能力随着压力增加 和温度下降而增大,反之则减小。物理吸收法其关键在于确定优良的吸收剂。对吸收剂的要求是: 对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、化 学性能稳定。常见吸收剂有丙烯酸酯、N-甲基-2-D毗咯烷酮、甲醇、 乙醇、聚乙二醇及噻吩烷等高沸点有机溶剂，以减少溶液损耗和蒸气 外泄。2）膜分离法:膜分离法是利用一些聚合材料，如醋酸纤维和聚酰亚胺等 制成的薄膜对不同气体具有不同的渗透率这一特性来分离气体，其中 包括分离膜和吸收膜两种类型。其推动力是膜两边的压差。工业上用 于二氧化碳分离的膜材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素、巨苯

6、醚及聚 砜等。近些年来，随着材料科学的迅速发展，涌现出不少性能优异的新 型膜质材料,如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含 二胺的聚碳酸酯复合膜及含相对分子质量低的丙烯酸脂的浸膜等，它 们均表现出了良好的二氧化碳渗透性。随着高分子材料的不断发展和 制膜技术的不断完善，膜分离法在从燃放气中分离二氧化碳方面一定 会大有作为3）变压（变温）吸附法:吸附法是利用固态吸附剂（活性炭、天然沸石、分 子筛、活性氧化铝和硅胶等）对原料混合气中的二氧化碳进行有选择 性的可逆吸附作用来分离回收二氧化碳的技术。吸附法主要包括变温吸附法（TSA）和变压吸附法（PSA）。吸附剂在 高温（或高压）条件下吸附二氧

7、化碳，降温（或降压）后将二氧化碳解吸出 来，通过周期性的温度（或压力）变化，实现二氧化碳与其他气体的分 离。采用吸附法时，一般需要多座吸附塔并联使用，以保证整个过程中 能连续地输入原料气，连续地取出二氧化碳气及未吸附气体现阶段，变压吸附法发展较为迅速，大型工业化吸附装置已投入使 用，其二氧化碳分离效率可达99%以上。在化肥、石化等工业中的应 用极其广泛。在国内,西南化工研究院技术力量雄厚，在变压吸附研究、 开发、设计、安装方面，处于领先地位。4）海洋处理法:基本构想是本着对海洋生态系统影响最小的原则，将工 业燃放气中的二氧化碳分离回收，液化后送到海上，在指定海域将二氧 化碳送入一定深度的海洋中

8、。目前，可考虑的方法主要有海洋中层稀 释放流法和深海储流法。国外在这方面研究较多。最近的一些研 究表明，可将二氧化碳以笼形包合物的形式储存在海底,这样就增加了 长期储存的安全性，而不使储存于深海中的二氧化碳重返大气,造成大 气中二氧化碳增加。深层海洋中的二氧化碳含量0.1kg m3,而其溶解 度为40kg m3。1990年，联合国政府间气候变化委员会估计海洋中无 机碳总量为38亿吨，人类活动释放的二氧化碳为60亿吨年。事实上，海洋储存二氧化碳的潜力是很大的。计算表明,尽管地下蓄水 层、废油气井对二氧化碳有很大的储存容量（分别为870亿吨、1 250亿吨）并增加回收原油40亿吨，但与海洋的20千

9、亿吨相比是微不足道 的。当前，上述两种二氧化碳处理法距离实际应用尚远,存在一系列的 技术性问题。然而，它不失为一条21世纪解决大气“温室效应”的有 效途径。5）地下处理法：地下处理法其基本设想是将从燃放气中分离出的二氧 化碳压入枯竭的油田、天然气田或是带水层，从而达到与大气隔离的 目的。估算表明，地下蓄水层储存二氧化碳的容量为870亿吨,而废油 气田的储存容量为1 250亿吨。在荷兰进行的可行性研究包括:选择适 宜的地下蓄水层，估算二氧化碳的储存容量和进行环境风险评价。其 潜在的问题包括酸化对炭石造成的侵蚀、地下水污染及对地壳造成的 不稳定性。1.2.2化学法化学法分离处理二氧化碳主要包括化学

10、吸收法及碳氢化合物转 化法等。1）化学吸收法:化学吸收法是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化 学反应,二氧化碳进入溶剂形成富液，富液进入脱吸塔加热分解出二氧 化碳,吸收与脱吸交替进行，从而实现二氧化碳的分离回收。其关键是 控制好吸收塔和脱吸塔的操作温度和操作压力化学吸收法所用化学 溶剂一般为K2CO3水溶液或乙醇胺类的水溶液。热K2CO3法包括 苯非尔德法（吸收溶剂中K2CO3质量分数为25%30%,二乙醇胺 1%6%,加适量 V2O5作催化剂和防腐剂）、砷减法（VetroCokes 法,K2CO3质量分数23%,As2O312%，或用氨基乙酸和 V2O5代替 As2O3）、卡苏尔法（Cars

11、ol 法,K2CO3、胺、V2O5）和改良热碳酸钾法 （Cata Carb法,K2CO3、乙醇胺盐、V2O5）。以乙醇胺类作吸收剂的方 法有MEA法（一乙醇胺）、DEA法（二乙醇胺）及MDEA法（甲基二乙醇 胺）等16。2）碳氢化合物转化法:碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将二氧化 碳转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。 日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使二氧化碳与氢按1 ：4 （体积 比）的比例，在一定的温度与压力下混合，生成甲烷。日本东芝公司采用 一种工程上更为可行的原料配合，直接用燃放气与以氢为基底的乙炔 混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和一氧化碳，一

12、氧化碳作为 原料,可进一步合成甲醇。碳氢化合物转化法还处于实验室研究阶段，距离工业大规模实用 阶段尚远。二氧化碳作为一种潜在的巨大的资源，已引起世界众多国 家有关科技人员的关注。1.2.3物理-化学法目前，物理-化学法主要有二氧化碳分解法。该法是借助高能射线 或电子射线等放射线，对排出的含有大量二氧化碳的燃放气进行辐射, 使其中的二氧化碳分解为一氧化碳和氧气，一氧化碳在经过高能辐射, 转而生成C3O2和O2,其反应方程式为:一次辐射:CO2洪。+1 2O2;二 次辐射:3C。洪C3O2+1 2O2和3CO2淤C3O2+2O2。这种方法,尚处于 基础研究阶段，要实现工业化，还有大量技术问题需要解决。结束语当前，各国的科技工作者在防止大气“温室效应”、综