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《中国新闻周刊》:二氧化碳或将成为有价值资源

  (声明:刊用《中国新闻周刊》稿件务经书面授权)

  或许在未来,二氧化碳这种毁坏地球环境的气体也能帮助我们戒掉对石油的依赖

  二氧化碳(CO2)早已被戴上了邪恶分子的头衔。它们源源不断地从汽车排气管和发电站烟囱喷出,是全球变暖的最大原因。
因此,人们普遍将它当作一种坏东西。

  可是,一组先驱研究人员却愿意让人们看到CO2作为一种有价值资源的另一面。他们研究出一种收集技术,可以回收那些可能污染大气的CO2,利用其中的碳原子合成碳氢化合物(烃),这些烃可用作汽车燃料,以及制造塑料的原料或其他化工原料——目前这些原料都是从原油中提取的。

  这个想法其实很简单。找到一种去掉CO2分子中一个氧原子的办法,即可得到一氧化碳(CO)分子,不过,这仅仅是变成烃财富的一小步,下一步还要将CO与氢气混合,再将这种混合气体通过一种催化剂催化,才能变成液体的烃燃料。这种化学反应,叫做费-托法过程,是在上世纪20年代发明的。早在第二次世界大战期间,当原油供应短缺的时候,德国人就曾经用汽化煤制造过汽油。在种族隔离的年代,当南非被制裁封锁原油进口时,也曾这样制造过液体燃料。

  捕捉太阳能

  要变有害的CO2为有用的CO,第一步的难处在于:找到一种价格上和能源上同时有效率的办法。最简单的途径就是在2400℃左右加热CO2,在这个温度,CO2会自动地裂解为CO和氧气。不过,困难的就是寻找到能够做到这一点的能源。

  很显然,太阳光是最合适做这种能源的候选者。在美国新墨西哥州的帕瓦奇,有一家叫做劳斯阿拉莫斯可再生能源(LARE)的公司,该公司已经建成了一个以CO2提供能源的小型原型反应器。在这个反应器中,CO2被投放到一个密闭在反应室中,反应室被固定在聚集太阳光的一个镜面碟片的焦点上,聚集的太阳光通过反应室的小窗到达安装在反应室内部一个用来收集热量的陶瓷棒上。随着进入气体接触到温度升高为2400℃左右的陶瓷棒,二氧化碳分解为一氧化碳和氧气。里德·詹森是LARE的主管,他透露,他们的一个更大的原型反应器即将在一年的时间内投入实验,但是他没有说明这个反应器到底有多大,能产生多少的一氧化碳。

  美国新墨西哥州阿布奎基的圣地亚国家实验室的内森·西格说:这种方法的缺点是操作温度太高。圣地亚国家实验室有一个竞争的研究小组也在从事这个方向的研究。高温会导致很严重的热损失,因此会减低效率。虽然太阳能是免费的,但建造这些产生和耐受高温的设备是很昂贵的。所以,要想让整个生产过程更经济,就需要效率更高的操作。

  正因为牢记住这一点,圣地亚小组正在开发一个与LARE抗衡的系统,叫做反向旋转环状接受反应蓄热器(CR5),这个系统的操作温度没有那么高。与LARE反应器一样,这个系统也有聚集太阳光的聚能器碟,不过,高温是在一组14个钴铁氧陶瓷环的一端产生的。这种陶瓷在加热时,会从其分子晶格中释放出氧,但不会破坏晶格的完整性。阳光通过一个窗子聚焦在反应室较热的一侧,将环加热到1500℃,导致陶瓷的晶格释放出氧原子。随着环的旋转,热的部分渐渐转到反应室的后面,这里温度降到1100℃左右,在这个温度下,当室内充满CO2时,失去氧的陶瓷就会和CO2分子发生反应,为的是将其分子晶格中丢失的氧原子再夺回来,这样一来,CO分子就产生了。随着环的继续旋转,再氧化的部分又回到了反应室较热的一端,于是,循环再次开始。

  CR5最初是为了制氢而研究出的一种方法,不过,制氢利用的是冷却室里的蒸汽而不是CO2,但是,这种方法的发明者里奇·戴弗估计,裂解CO2将需要一个更有效率的捕捉太阳能方式。想要燃烧利用在太阳能反应器中形成的一氧化碳,至少需要给出10%的能量来生产它。所以,在今年4月,戴弗和他的同事要用一个原型反应器来试验他们的预测。他们已经计算出,这个装置每小时能产生100吨的CO。

  改良燃料电池

  意大利墨西拿大学化工和材料工程系的加布里耶勒·山悌将这种用太阳能来转化二氧化碳为碳基燃料的想法进一步发展了。不过,他不是制备CO,而是做出了更有用的东西——一种能够产生像壬烷和乙烯等(目前多是从石油中提取的、制造塑料的重要化学原材料)烃分子的电化学电池。

  山悌的电池可算是那种靠氢或甲醇和氧发生反应产生电力的燃料电池的远亲,不过,其化学反应是可逆的。在电池的一端有一种二氧化钛作为催化剂,会促使接受光子的水分子裂解,产生氢离子和氧气。当氢离子通过质子交换膜迁徙到装有包含铂纳米管催化剂的电池另一端时,催化剂促使二氧化碳发生产生烃的化学反应。

  目前,这些烃燃料电池所产生的能量尚不超过它们所接收到太阳能的1%。山悌说,这可能不算太高,但比植物通过光合作用获得的能量转化率高,而且人们还有改进催化剂的空间。

  埃伦·斯泰切尔是圣地亚燃料能源转化部门的经理,她估计,要让足够量的CR5工厂给一亿辆家用汽车提供合成汽油,则需要大约有5800平方公里的土地。她说:“这个数字实际上并不是很大。”最近在美国西南部7个州所做的调查显示,大约有135000平方公里的适用地都可以加以利用。斯泰切尔说:“这些土地别无他用。”

  相反地,生物燃料却要和粮食作物竞争土地资源。此外,斯泰切尔还称,生物燃料中实际可获得的太阳能比例更是少得惊人,如果你算上灌溉、收获、运输和加工等耗能过程,其太阳能的利用率只有0.1%。

  为了充分利用可利用的土地,詹森建议将LARE的碳捕捉器与发电站联合起来,这样就能用上反应器本身的热损耗。他估计这种联合的装置能将48%的太阳能转化为可利用的能量。

  随着原油和天然气越来越昂贵和短缺,石油化学公司对寻找可替换石油的新原材料的兴趣越来越大。假如在价格上有竞争优势,有一天,由工业废气二氧化碳制造的烃,也有可能用作生产塑料或其他产品。那么,这些碳将不再直接排放到大气中,而是将在材料中固定若干年。到那个时候,二氧化碳分子的恶名也就被拨乱反正了。文/吕静
(责任编辑:romp)

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