二氧化碳处理技术王洋

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2.80×10-4(体积分数,下同)上升到目前的3.56×10-4。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6.60×10-4。一方面,如何降低二氧化碳排放量,变废为宝,实现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、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吡咯烷酮、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。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(Carsol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