二氧化碳气体的捕集

华中科技大学，徐长发，2017.11.10

二氧化碳是导致全球气候变暖的温室气体的主要成分之一，目前全世界每年向大气中排放的二氧化碳总量达到近300亿吨，对温室效应的贡献达到55%。

人们也知道二氧化碳不仅是燃料资源而且也有很多工业应用，但是直到目前，二氧化碳的利用量太少了，仅为1亿吨左右，远不到排放总量的百分之一。其主要原因是捕集二氧化碳的成本太高，因此，寻求低成本的捕集方法，寻求把二氧化碳变为燃料的低成本的方法，是全世界科学家们都感兴趣的研究课题。

本文主要介绍捕集二氧化碳的方法和存在的问题。

一．二氧化碳有哪些用途

二氧化碳在常温常压下是无色、无臭、无味的气体，比重为1.53，比空气重。

二氧化碳可注入饮料中，增加饮用时的口感，像汽水、啤酒均为此类的例子。

二氧化碳的重量比空气重，不助燃，因此许多灭火器都是利用二氧化碳灭火。

二氧化碳可用作焊接时的保护气体，其保护效果虽不如氩气，但价格相对便宜许多。

二氧化碳可用来保护酿酒发酵，用它创造一个缺氧的环境，可防止那些不利于发酵的细菌的生长。

二氧化碳可用于制碱工业和制糖工业。

二氧化碳可用于塑料行业的发泡剂。

干冰可以用于急速冷冻食品；人造雨；干冰可以用于汽车、轮船、航空、太空与电子工业。

二氧化碳在温度高于临界温度31℃、压力高于临界压力3MPa的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有很强的溶解能力，用它可溶解多种物质。当压力降低时，二氧化碳从液态变为气态，溶质就被分离了，这是一种非常有效的物理提取物质的方法，这种方法还可提取许多用化学方法都无法提取的物质，而且廉价、无毒、安全、高效。它适用于化工、医药、食品等工业。

特别地，用二氧化碳和水可以生产出燃料，例如氢、氧、一氧化碳、乙醇、甲烷、石油等。

二氧化碳是一种宝贵的碳、氧资源，它在地球的储量比天然气、石油和煤的总和还多数倍。二氧化碳的用途很多。可惜的是，人们对它的捕集和利用都非常缺乏。

二．捕集二氧化碳的吸附技术

人类排放二氧化碳最严重的是那些地方？是工业生产过程。例如，石化厂、火电厂、钢铁厂、石灰窑、水泥厂、合成氨制造厂都集中产生了大量的二氧化碳气体。

火力发电厂是排放二氧化碳的最大行业，它排放的二氧化碳大约占全球人类活动排放二氧化碳的24%。因此，燃煤电厂成为最具潜力实施二氧化碳捕集的行业。

目前适用于燃煤电站，成熟的二氧化碳捕集技术是化学吸附法脱碳技术。采用该技术的电站，例如，美国某电站，装机容量18万千瓦，用吸附法生产二氧化碳150吨/天；美国另一个电站，装机容量32万千瓦，生产二氧化碳 200吨/天；日本某电站，装机容量100万千瓦 ，生产二氧化碳10吨/天。

我国，用吸附法捕集二氧化碳的起步晚，不过，我国承诺，到2020年建成上海石洞口第二电厂二期扩建工程，同步建设世界上火电行业最大的二氧化碳捕集装置，将生产二氧化碳10万吨/年。

二氧化碳吸附捕集技术原理是什么？

有一种化学吸附方法，用碳酸钾加活化剂的溶液喷洒烟气，会吸收二氧化碳气体，生成碳酸氢钾，再将碳酸氢钾溶液加热，二氧化碳气体排出回收，碳酸钾溶液再循环利用。

复合醇胺加活化剂的溶液能够有效快速的吸收二氧化碳气体，反应生成氨基甲酸盐，加热后二氧化碳气体分离并回收，复合胺溶液再循环利用。

还有一些其它的化学吸附方法。

采用吸附法捕集技术需要增设设备。

要增加烟气预处理系统、填料吸收塔、填料再生塔、排气洗涤系统、溶液系统、产品气处理系统（包括冷凝、气液分离、压缩）、循环水冷却系统、辅助蒸汽系统和水平衡维持系统。精处理捕集到的二氧化碳气体需要增设：二氧化碳的储存系统、压缩系统、提纯系统、制冷系统和储运系统。

三.从海水中提取二氧化碳

依根据人类排放二氧化碳总量和大气成分的变化记录可以分析估计，人类活动产生的二氧化碳，大约50％滞留在大气中，30％左右被海洋吸收，15％左右被沙漠吸收。海水中二氧化碳总量是空气中的14倍。

海水吸收二氧化碳的方式有以下几个方面， 一是水可以吸收二氧化碳，和二氧化碳反应,生成碳酸。二是海水中的部分化合物会和碳酸反应,生成碳酸盐。三是海水中存在着大量的绿色单细胞或多细胞的植物,他们的光合作用会消耗二氧化碳。

海水也是一种碳资源储存库，所以，从海水中提取二氧化碳并加以利用，有着重大的价值。如果从海水中低成本提取二氧化碳，那么人们不仅可以获得更多的新的能量资源，而且可以减少大气中的二氧化碳含量，降低温室效应。

研究低成本方法，从海水中提取二氧化碳，非常有意义也非常有价值。目前已经有了一些成功的方法。

例如，作者的科普文章“二氧化碳变燃料”一文中，介绍了纳米催化剂和弱电流分解水加二氧化碳的技术，因为海水中含有二氧化碳，所以此技术用于分解海水可得到一氧化碳、氢气和氧；不同的催化剂又可以催化二氧化碳和海水直接生成了乙醇和其它液体燃料；把这些液体燃料燃烧发电，可产生二氧化碳；捕集这些二氧化碳，又可以循环利用。也就是说，这些技术能从海水中提取二氧化碳并加以循环利用。我国已经有人申请专利，内容是，中低温海水催化二氧化碳发电工艺。该专利用海水和二氧化碳做原料，把低温海水加入二氧化碳和氢，送入低温催化装置，产生可燃气体和液体燃料，这些气体和燃料用于发电，发电产生的二氧化碳被集中捕集，再循环利用。该专利也可以把二氧化碳和海水加热为中温（300-600℃）蒸汽，送入中温等离子体炬催化装置，产生可燃气体和液体燃料，发电，捕集二氧化碳，再循环利用。

例如，作者的科普文章“氨碱厂的碱渣安全利用技术”一文中，介绍了一种“电析法”去除氯根，其关键是使用了离子膜技术。用这种离子膜技术，还可以生产纯碱；也可以用这种离子膜技术在海水中提取二氧化碳和氢。

上述电催化技术和离子膜技术在海水中提取二氧化碳的实验都已经取得了成功，这是非常有前景的，人们只等着这些技术的实用化。

四．捕集二氧化碳存在的一些问题

捕集二氧化碳并加以循环利用，目前还存在不少困难。

1.用吸附法捕集二氧化碳技术是比较成熟的，可是要增加一堆相应的设备，要投入不少资金；还有，用化学吸附法需要加热才能回收二氧化碳气体，还要提纯加压储存，所以要获得可以利用的二氧化碳，要花费额外的能量（例如火力发电厂回收二氧化碳就要多花费1/5的发电量），这就增加了生产成本。正是由于资金和成本问题，我国到目前只有很少的地方采取了捕集措施，绝大部分严重排放二氧化碳的企业还没有采取捕集措施。

2.二氧化碳再利用技术发展迟后，特别是电催化二氧化碳变为氢和一氧化碳的技术目前仍停留在实验室中，还不能实用化，所以在这种情况下，努力捕集二氧化碳却消耗不了，有什么用呢？

3.沙漠土壤比普通土壤吸收多15%至28%的二氧化碳；沙漠地下咸水层溶解了大量的二氧化碳，比海水中的溶度高很多；沙漠也是一个汇碳的海洋，储存在沙漠地下咸水中的碳总量可达1000亿吨；或许这些二氧化碳将变成碳酸钙永远藏于地质结构中。这些结论是最近才发现的。但是至今，还没有人研究如何捕集沙漠二氧化碳并加以再利用的方法。

总之，新的科学技术发展了，经济能力也提高了，二氧化碳的低成本捕集技术才会跟进发展，从而二氧化碳的捕集和再利用技术也会跟进发展。现在，世界正处于科技发展的爆发阶段，关于充分利用太阳带给地球的能量资源的研究，关于绿色能源的研究，也正处于爆发进展的阶段。新科技将会改变世界，新科技将会为人类带来新的生活方式。

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