二氧化碳的影响及综合利用

二氧化碳的影响及综合利用

引言:近十多年来，在涉及地球环境保护的诸多问题中，最令人关注的当属大气环境逐渐变暖，即所谓的温室效应。近年来所发生的许多危害，都或多或少被打上了温室效应的烙印，如：严酷的天气类型，变化的生态系统，物种灭绝及生物多样性的丧失，饮用水的减少，海平面上升造成的陆地减少和平均气温上升等。尽管产生全球气候变化的原因是多方面的，但大量研究表明，产生温室效应的主要原因与温室气体（CHG）的大量排放有直接关系。

当前所谓的温室气体主要有6种，除二氧化碳外，还包括甲烷，氧化氮，氢氟烃，全氟碳和六氟化硫。这些气体能大量吸收地球表面辐射的热量，从而使地表温度升高而产生温室效应。而现在摆在人们面前的不仅仅是如何减少二氧化碳的排放量，更应该去思考如何利用这部分温室气体进行工业生产，来为世界创造更多的价值。

一、概述:

碳循环是碳通过大气圈，生物圈，土壤圈，岩石圈和水圈的变化和传递的总过程。

碳在生物圈的存在形式主要为有机碳；碳在水圈中的存在形式为溶解的有机碳，溶解的无机碳，沉淀的有机碳，沉淀的无机碳和有机碳；碳在岩石圈中的存在形式为有机碳（包括化石燃料）和碳酸盐；碳在土壤圈的存在形式为有机碳；碳在大气圈中的主要存在形式为二氧化碳和甲烷气体。

现在大气中的二氧化碳的浓度为0。000370%。而近年来，人类每年排入大气的二氧化碳为280*10^8t，是植被和土壤呼吸及海表交换排入大气的CO2平均自然流通量（总量约为5500*10^8t）的5%。大气中CO2总量的变化由排放和吸收量之间的净平均差额决定，而不是各流量本身。有数据表明：在过去的42万年中，二氧化碳的含量在过去的250年增长了31%，其中最近几十年更是以指数形式在增长。而化石燃料的使用对CO2排放的贡献占人类活动总排量的70%~90%。

Rising carbon dioxide concentrations in air in the past decades

二、温室效应：

目前，公认的二氧化碳所引起的温室效应对人类生活环境的几大影响主要包括：一是极端气象和气候现象频繁发生；二是冰川融化，海平面上升；三是对动植物种群数目和分布产生影响；四是全球气候变暖导致越来越严重的缺水问题；五是全球全球变暖带来的种种后果将使人类健康问题越来越突出。

1.温室效应的起因

目前在学术界，约有90%的学者认可温室效应主要起因是由于大气内温室气体的增加，其中对温室效应贡献最多的是二氧化碳和水蒸气。燃料的燃烧会产生CO2 和H2O,产生的CO2 可溶解在雨水、江河、湖泊和海洋里,也可以被植物吸收进行光合作用等。产生和消耗的CO2量之间达到平衡,使大气层中CO2 浓度保持一定的范围内。地球大气层中的CO2和水蒸气等允许部分太阳辐射透过并达到地面, 使地球表面温度升高。同时, 由于CO2和H2O分子可以产生分子偶极矩改变的振动, 故能吸收太阳和地球表面发出波长在2000纳米以上的长波辐射,仅让很少的一部分热辐射散失到宇宙空间。由于大气吸收的辐射热量多于散失的, 最终导致地球和外层空间保持某种热量平衡, 使地球维持相对稳定的气温, 这种现象即称为温室效应。

三、治理温室效应的国际国内政策：

温室气体的排放所到来的全球气候上升已经引起了广泛关注。由于意识到治理温室气体的排放仅仅靠个人与企业的力量是远远不够的，因此政府开始扮演越来越重要的角色。1992年6月3日在巴西143个国家签署了《联合国气候变化框架公约》，1997年在日本东京通过的《京都协定书》。《京都协定书》的全称为《联合国气候变化框架公约京都协定书》，其主旨是限制工业二氧化碳及其他温室气体的排放量，从而遏制全球气候变暖的温室效应。《京都协定书》对发达国家规定了明确的减排义务；至2010年，所有发达国家排放的二氧化碳等6种温室气体的数量要比1990年减少5.2%，发展中国家则没有减排义务。《京都协定书》在规定减排义务的同时，也规定了非常

灵活的履行义务，其中最重要的是基于市场运作的“联合履行”，“清洁发展机制（CMD）”和“排放交易”等三种机制。其中“联合履行”机制是针对承担减排义务的国家，而鼓励发达国家与发展中国家开展合作项目的“清洁发展（CMD）”机制，不仅能给发展中国家带来大量资金，还能提供全新的减排技术。而在2009年12月召开的哥本哈根世界气候大会上达成了无约束力协议。但并未达成太多建设性法案和措施。

四、二氧化碳的物理化学性质

二氧化碳俗称碳酸气，又名碳酸酐，分子式为CO2，由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成，在标准状况下，二氧化碳是无色，无臭，略有酸性的气体，密度比空气略大，能溶于水，并生成碳酸。液态二氧化碳蒸发时吸收大量的热而凝成固体二氧化碳，俗称干冰。

表一 Carbon dioxide triple point

表二二氧化碳的主要物理性质

二氧化碳的化学性质：

一、还原反应

1.高温下，二氧化碳可分解为一氧化碳和氧气：

2CO2 «====» 2CO + O2 -283kJ

2.在二氧化碳中燃烧着的镁，铝和钾等活性金属可以继续保持燃

烧，反应生成金属氧化物，析出游离态碳。

CO2 + 2Mg ==== 2Mg + C

3.其他方法还原。常用的还原剂为氢气,在加热和催化剂的作用

下，还可被烃类还原：

CO2 + H2 ==== CO + H2O ；

CO2 + CH4 ===2CO +2H2

二、有机合成反应

1.二氧化碳合成尿素 CO(NH2)2：

CO2 + 2NH3 ==== NH2COONH4 ====CO(NH2)

2.另一种方法：

CaCN2 + H2O + CO2 ==== NH2CN + CaCO3 NH2CN + H2O ====CO(NH2)2

1.二氧化碳合成甲醇：

CO2 + 3H2 ＜====＞ CH3OH + H2O

2.二氧化碳合成甲烷：

CO2 + 4H2 ==== CH4 + 2H2O

3.二氧化碳与苯酚钠的羧化反应：

二氧化碳在有机合成工业中的一个重要反应是

Kolbe-Schmitt反应，如：在反应

温度约为150℃，压力约0.5MPa，苯酚钠的羧基化反应制备水杨酸：

生化反应，二氧化碳在地球的生态环境中起着重要的作用。在植物新陈代谢过程中，在光和叶绿素的催化作用下，空气中的二氧化碳和水反应生成糖等有机物，同时放出O2，即：

6CO2 + 6H2O ==== C6H12O6 + 6O2

而于此同时，动物通过吸收空气中的氧气，在体内发生氧化反应，为动物体提供生存所需的能量，并使大气中的CO2与O2的浓度达到一种平衡的状态。

C6H12O6 + 6O2 ==== 6CO2 + 6H2O

五、二氧化碳的捕集与储存：

二氧化碳的捕集与储存（CCS）是指将来自工业副业或其他相关过程的二氧化碳分离出来，输送到一个储存地点将其储存，使其长期