捕捉和封存二氧化碳的化学原理及其应用前景

捕捉和封存二氧化碳的化学原理及其应用前景

摘要二氧化碳的捕捉与封存是实现温室气体减排的重要途径之一，也是未来实现低碳经济转型的重要环节，因此备受发达国家政府的重视和发展中国家的关

注。介绍了“捕捉CO 2”和“封存CO 2”的化学反应原理和二氧化碳的捕捉和封存技术及其应用前景。

关键词二氧化碳捕捉和封存化学原理温室气体低碳经济

1 问题的提出

空气中二氧化碳（CO 2）浓度的持续走高引起人们的高度重视，自2010

年丹麦哥本哈根全球气候峰会以来，低碳经济和低碳生活的研究和舆论逐渐成为全世界的热点和时尚。单纯从技术角度出发，一些科学家认为，人类不仅要努力

减少 CO 2 的排放，还要尽快想办法清除空气中过多的CO 2，这就是二氧

化碳的捕捉和封存（CCS）概念的来由。

2 什么是二氧化碳的捕捉和封存

CO 2的捕捉和封存是指CO 2从工业或相关能源的源头分离出来，输送

到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程。潜在的技术封存方式有：地质封存（在地质构造中，例如石油和天然气田、不可开采的煤田以及深层盐沼池），

海洋封存（直接释放到海洋水体中或储存在海底）以及将CO 2固化成无机碳

酸盐等。

3几种二氧化碳的捕捉和封存技术的化学原理

为了既可以实现减少空气中温室气体的目标，又通过固定和利用CO 2实现有效地利用资源的目的，科学家们设想了一系列“捕捉CO 2”和“封存CO 2”的方法，下面从2010年高考有关试题情境中精选几例进行分类剖析。

3.1 生石灰捕捉和封存二氧化碳法

一些科学家利用太阳能加热的反应器“捕捉”空气中的CO 2，如图1所示

[1]。

图1 生石灰捕捉和封存二氧化碳的示意图

步骤一中的CaO俗称为生石灰，当打开反应器左边的活塞，按一定速度鼓入CO 2含量高的空气时，利用太阳能将反应器加热到400℃，

CaO(s)+ CO 2 (g)400℃CaCO 3(s)，则CaO与CO 2反应形成CaCO 3，从而利用生石灰为原料捕捉了二氧化碳并将其封存在碳酸钙之中。

步骤二中的CaCO 3俗称为石灰石、大理石等，当关闭反应器左边的活塞，

利用太阳能将反应器加热到900℃，CaCO 3(s) 900℃CaO(s)+ CO 2 (g)，

则CaCO 3分解为CaO的同时释放出CO 2，从而获得了步骤一所捕捉和封存

的二氧化碳，利用释放出的高纯度的CO 2进行化工生产，如工业上制备小苏打或苏打等。

虽然上述步骤一的反应物就是步骤二的生成物，步骤一的生成物就是步骤二的反应物，但由于反应温度不一样，前者为400℃、后者为900℃，且前者是空气中的二氧化碳，后者是纯净的二氧化碳，因此步骤一中所发生的化学反应不是步骤二中所发生的化学反应的逆反应，但为了尽量减少成本，在步骤一和步骤二中可以循环利用的物质是CaO。

生石灰捕捉和封存二氧化碳的方法需要利用太阳能，由于不同地域存在可利用太阳能的情况不同，因此该方法容易受到地域的限制。

3.2 烧碱溶液捕捉和封存二氧化碳法

另一些科学家利用NaOH溶液的喷淋“捕捉”空气中的CO 2，如图2所示[1]。

图2 烧碱溶液捕捉和封存二氧化碳的示意图

NaOH俗称为烧碱、火碱，喷雾反应器中发生反应的化学方程式为 CO 2 (g)+ 2NaOH(aq) Na 2CO 3(aq)+H 2O(l)，NaOH溶液喷成雾状的目的是增大气液反应物之间的接触面积、使反应充分发生、提高反应速率、提高CO 2的吸收效率或更好地、更有效地捕捉和封存CO 2，与生石灰捕捉和封

存二氧化碳法的步骤一的原理类似。

在图2中的过滤环节，加入的CaO与H 2O发生化合反应生成Ca(OH) 2：

CaO(s)+H 2O(l) Ca(OH) 2(aq)，来自于喷雾反应器的Na 2CO 3溶液与

Ca(OH) 2发生复分解反应：Na 2CO 3(aq)+Ca(OH) 2(aq)

CaCO 3(s)+2NaOH(aq)，CaCO 3 难溶于水，NaOH易溶于水，因此过滤

所得滤渣的主要成分为CaCO 3，也就是说二氧化碳被封存在CaCO 3中，滤

液的主要成分为NaOH或NaOH和Ca(OH) 2。

在900℃的反应炉中，CaCO 3(s) 900℃CaO(s)+ CO 2 (g)，CaCO 3

分解为CaO的同时释放出CO 2，既能制备过滤步骤所需要的捕捉和封存二氧

化碳的原料，又能利用释放的高纯度的CO 2生产化工产品。

为了尽量减少成本，在整个流程中，循环利用的物质有CaO和NaOH。与生石灰捕获和封存二氧化碳法相比，烧碱溶液捕捉和封存二氧化碳法的缺点是能耗太大，优点是不容易受到地域的限制。

3.3 饱和苏打溶液捕捉和封存二氧化碳法

还有一些科学家利用Na 2CO 3溶液的喷淋“捕捉”空气中的CO 2，如图3所示。

Na 2CO 3俗称为苏打，由于H 2CO 3 H + +HCO - 3、HCO - 3 H + +CO 2- 3，喷雾反应器中发生反应： CO 2 (g)+H 2O(l) +Na 2CO 3 (aq) 2NaHCO 3(s)，Na 2CO 3溶液

喷成雾状的目的是增大气液反应物之间的接触面积使反应充分发生或提高反应速率，与烧碱溶液捕捉和封存二氧化碳法的步骤一类似。

图3 饱和苏打溶液捕捉和封存二氧化碳的示意图

在500℃的反应炉中，2NaHCO 3(s) 500℃ CO 2 (g)+H 2O(g)

+Na 2CO 3 (s)，NaHCO 3分解为Na 2CO 3的同时释放出CO 2，既能制备喷雾反应器中所需要的捕捉和封存二氧化碳的原料，又能利用释放的高纯度的CO 2生产化工产品。

为了尽量减少成本，在整个流程中，循环利用的物质有Na 2CO 3和NaHCO 3。与生石灰捕捉和封存二氧化碳法相比，饱和苏打溶液捕获和封存二氧化碳法的能耗大，但不容易受到地域的限制。

3.4 某些有机物捕捉和封存二氧化碳法

一些科学家利用某些有机物“捕捉”空气中的CO 2，如图4所示。CO 2

与化合物I反应生成化合物II，与化合物III反应生成化合物IV，如图4中反应①和②所示（其他试剂、产物及反应条件均省略）。在一定条件下，化合物V能

与CO 2发生类似反应②的反应，生成2种化合物（互为同分异构体）[2]。

图4 某些有机物捕捉和封存二氧化碳的示意图

图4中I的名称为苯乙烯，化工上常以 CH 2CH 2Br为原料通过消去反应制备，其化学方程式为： CH 2CH 2Br+NaOH醇△ CH 2=CH 2+NaBr+H 2O

反应①为苯乙烯在一定条件下将CO 2气体固定为化合物II，由于含有2个羧基的化合物II具有二元羧酸的性质，与过量乙醇发生酯化反应可以生成二元酯和水，生成的二元酯的结构简式为： CH COOC 2H 5 CH 2 COOC 2H 5 ，从而利用CO 2制备二元羧酸、二元酯，实现二氧化碳捕捉和封存的目的。

反应②为苯基环氧乙烷在一定条件下将CO 2气体固定为化合物IV，如图5所示。每个CO 2分子中1个C=O键断裂产生带部分正电荷的碳原子和带部分负电荷的氧原子，反应物III中的C—O键断裂，产生带部分正电荷的碳原子