二氧化碳可以成为各种工业的通用化学原料——我们只需要捕获并激活它

气候变化可能是人类在21世纪面临的最严重的环境危机,需要跨学科、政府间和国际解决方案。尽管有多项旨在限制排放的举措,但二氧化碳水平在过去几十年里一直在稳步上升,2017年估计增长了2%。

全球变暖确实是一场全球性危机。中国和印度等新兴工业国家用化石燃料为其工业化提供动力。因此,它们正迅速成为与其他发达国家和工业国家并列的最大二氧化碳排放国。1世界卫生组织曾估计,在2030年至2050年之间,气候变化的影响将导致大约新增死亡25万人因为营养不良,疟疾和高温。

因此,这种威胁需要全球解决方案。挑战在于找到一个能得到多个国家、行业和学术界单方面同意的协议。这三个物体构成了一台机器的基本齿轮,可以帮助产生减少大气中二氧化碳总量的解决方案。CO2Chem是一个学者网络,由来自谢菲尔德大学化学系.它的目标是利用政府资金研究可持续的解决方案,工业可以使用这些解决方案来实现低碳的未来。

温室气体

现在大气中存在大量的二氧化碳,以及包括水蒸气在内的其他气体,造成了温室效应。这种现象是指从地表辐射出来的热量被限制在大气中,导致全球气温上升。此外,破坏性和意外天气的升级被归因于全球变暖。为了达到将全球气温上升限制在2°C的全球目标,据报道CO2到2050年,排放量必须减少至少50%。2

《巴黎气候协定》

来源:COP PARIS/Flickr(公共领域)

2015年,官员们庆祝巴黎气候协议

二氧化碳的增加现在被广泛认为是导致全球变暖的主要因素。因此,许多国家已经采取了初步措施,承诺在未来几年减少二氧化碳排放。的缔约方会议(COP)《联合国气候变化框架公约》于1995年开始生效,旨在审查、实施和评估气候变化进展,并确立签约国具有法律约束力的义务。第21次缔约方会议达成了《巴黎气候协定》,3.该协议于2015年签署,指示各国发起行动,将全球气温上升幅度控制在比工业化前水平高2摄氏度以内,同时努力将气温上升幅度限制在1.5摄氏度以内。不幸的是,在美国总统唐纳德·特朗普决定取消tpp后,这一协议最近受到了负面报道退出协议.他的决定使美国成为世界上唯一的国家协议之外

然而,简单地消除所有产生二氧化碳的过程是一项不可能的任务。现代工业社会过于依赖产生二氧化碳的过程所产生的产品。它的释放也可能是一种自然现象,例如在森林火灾和火山活动期间,但人们普遍认为人类活动是主要的贡献者:以汽油为动力的车辆和燃烧石油、天然气和煤炭等化石燃料的废气。事实上,据报道,40%的二氧化碳排放来自化石燃料发电厂。4鉴于工业过程的本质,消除这些排放源是不可能的。因此,必须寻求其他解决办法。

光伏组件

来源:©王安琪/ iStock / Getty Images Plus

中国光伏组件

对于二氧化碳的过量产生,有各种各样的解决方案,工业界和学术界都在寻求多种研究途径。近几十年来,工业界、学术界和政府都对可再生能源产生了极大的兴趣。太阳能电池和风力发电场现在在全球范围内很普遍,中国在这方面投入了大量资金清洁能源技术.在2017年4月至6月期间,可再生能源占了近1%英国三分之一的电力

虽然近年来可再生能源的使用有所增加,但它还没有完全取代化石燃料产生的能源,二氧化碳仍然通过其他方式排放,如汽车。在这种情况下,可再生动力的混合动力和电动汽车肯定会越来越多,目的是解决机动车的二氧化碳排放问题。然而,我们的大气中仍然存在大量过量的二氧化碳,需要处理。

碳捕获、封存和利用

两种被广泛考虑的替代方案涉及在碳排放到大气之前捕获碳。这些通常被称为碳捕集和地质储存(CCS)和碳捕集和利用(CCU),它们也被归类为碳捕集封存和利用(CCSU)。

这些方法依赖于在碳排放之前在发电厂或工业过程中应用碳捕获技术。捕获技术可以大致分为三种类型。5转换后捕获,将废二氧化碳从气流中分离出来。转换前捕获,在此过程中,它已作为不受欢迎的中间副产物产生,必须去除。在转换前和转换后,可以使用各种吸收和吸附方法捕获二氧化碳,例如通过化学溶剂吸收或吸附到多孔有机框架上。最后一种是含氧燃料燃烧捕获,燃料与纯氧一起燃烧,产生不含氮化合物的高纯度二氧化碳排放。

对工业来说,将二氧化碳回收到我们的化学品中将成为一个更有吸引力的选择

一旦被捕获,二氧化碳就会被压缩并准备运输,然后再被储存或使用。最常见的储存地点是在地质水库内。然而,在CCS被认为是全球危机的解决方案之前,还有一系列的挑战必须解决,包括存储方法和将二氧化碳注入基岩的成本。主要的经济障碍之一是很少有财政激励措施来封存气体,这使得CCS的开发和部署缓慢。

储存二氧化碳的一种可行的替代方法是将碳用作所谓的碳1原料,以创造各种有用的产品,包括石油化工。CCU使用与CCS类似的捕获技术,但一旦捕获,二氧化碳将被用作化学反应中的碳源。

在它们的核心,大多数有机合成依赖于碳碳键的形成。有机化学家有各种各样的工具可供他们使用,从维蒂格和格氏反应,到诺贝尔奖得主交叉耦合而且烯烃复分解反应.与传统存储选择相比,利用这些方法的优势在于,企业采用这些方法可以获得财务激励。通过使用二氧化碳作为一种可持续的化学原料,可以生产有用的石油化工产品或商业化学产品,同时还可以去除和利用巨大的二氧化碳库。随着从环境中获取原材料变得越来越困难,将二氧化碳回收到我们的化学品中将成为工业上一个更有吸引力的选择。

使用二氧化碳

在讨论二氧化碳的一些用途之前,必须解决房间里的大象:它的稳定性。这就是为什么它在我们的环境和大气中如此持久。它的化学活性很低,这就阻止了它进行许多化学反应。然而,二氧化碳可以被激活,使其具有活性,并受到今天所使用的许多有用反应的影响。实现活化的最常用方法之一是通过催化。6但二氧化碳潜在的热力学稳定性意味着,即使是催化方法也需要外部能量输入。因此,为了减轻产生更多二氧化碳来激活它的永久循环,现在人们普遍认为必须使用可再生能源来为这一激活步骤提供动力。

一旦被激活,二氧化碳是一种多功能的化学原料,在各种行业中已被证明是实用的。它直接用于食品和饮料工业,作为碳酸剂,防腐剂和包装气体。7在石油化工工业中,它也被用作一种潜在的化学试剂;例如,在甲醇的合成中,甲醇是一种重要的工业化学中间体,越来越多地用作运输燃料。8因此,这项技术基本上是将空气中的气体转化为有用的燃料。9此外,二氧化碳可以进行各种反应,如羧基化,以生成碳酸盐,丙烯酸酯和聚合物产品。

涉及二氧化碳的潜在反应

资料来源:谢菲尔德大学

涉及二氧化碳的潜在反应。参考文献10采用的图表

但二氧化碳活化的能量成本必须与合成任何石化产品的价值相权衡。这一成本可能会削弱这些反应的工业可行性。此外,典型的石油化工产品寿命相对较短,导致产品在焚烧或失效时排放二氧化碳。因此,人们开始寻求寿命更长的产品。

矿物碳酸化就是这样一种化学过程,在消耗二氧化碳的同时也生产有用的商业产品。钙和镁存在于世界各地的许多天然硅酸盐矿物中,如蛇纹石和橄榄石。碳酸盐的形成是有利的,也是放热的,因为它们与二氧化碳相比具有较低的能态。10但大自然往往不那么宽容。橄榄石和蛇纹石必须在碳酸盐形成之前首先制备。这可以是一个单步骤的过程,例如在蛇纹石碳酸化(Mg3.如果2O5(哦)4),生成碳酸镁、二氧化硅和水。11

碳酸盐岩的形成还不具备工业规模,因为能源成本太高

然而,碳酸盐的形成也可能是一个多步骤的反应,通常包括金属从矿物基质中分离。这通常是一个艰苦的过程,但最终产生高度稳定的长期可储存的碳酸盐产品。碳酸盐材料也适用于各种行业,从化妆品、制药到耐火砖。12但仍有许多工业上的挑战需要克服:碳酸盐岩的形成还不具备工业规模,因为能源成本太高。随着进一步的研究,这将成为一个更可行的选择,以隔离二氧化碳。

能否经得住时间的考验的解决方案

CCU、CCS和可再生能源是解决由过量二氧化碳排放导致的日益严重的环境危机的三个可行解决方案。通过与全球的工业伙伴、政府和独立游说者合作,任何解决方案都能影响更广泛的世界,解决我们十年来最大的环境问题。谢菲尔德大学正在继续推进旨在应对未来环境挑战的研究。碳捕获、利用和储存的过程将从根本上得到改善,从而使二氧化碳不再是气候变化的驱动因素,而是一种有助于制造有用的商业化学产品的化学原料。通过正面解决这些环境关键问题,可以制定解决方案,最终实现更绿色、更可持续的全球未来。

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