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    企業資訊

    變溫室氣體為有用之“材”

    文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2016-1-22     瀏覽次數:    

    將二氧化碳轉化為材料的想法,源自于對溫室氣體處理的不同觀點。

    2008年左右,主流觀點認為應該將二氧化碳注入地下封存起來。來自德國亞琛工大的研究人員托馬斯米勒則在美國化學協會年會上提出可以將二氧化碳轉化為聚碳酸酯塑料,并用于生產塑料瓶、DVD光碟等有用的制品。因為二氧化碳含碳元素,意味著它不僅是溫室效應的“禍首”,同樣是很好的碳資源。

    進入工業化時代,化石燃料大量燃燒,向大氣中排放二氧化碳等大量溫室氣體,引起全球變暖,冰川融化,海平面上升,成為一個全球性難題。工業化帶來的負面影響或許也能通過工業手段解決。

    在剛過去的巴黎氣候峰會上,一個名為歐盟“氣候變化減緩與適應”的知識與創新團體(Climate-KIC)展示了工業、科學等領域與氣候變化減緩適應相關的項目。該團體以全球大的聚合物生產商之一——科思創的“enCO2re”示范項目為基礎,希望借此推動二氧化碳代替日益稀缺的石油來生產塑料。而據科思創披露,今年相關技術就將投入工業化生產。

    除了德國,美國、日本 、中國等國家在探索如何將二氧化碳轉化為碳基聚合物,并且試圖令其生產成本與普通塑料一樣低。更有科學家在嘗試將二氧化碳轉化為燃料。

    可以預見,隨著技術的進步以及對于回收廢氣問題的重視,溫室氣體將真正成為有用之“材”。

    二氧化碳代替石油造塑料

    除了通過談判達成框架性協議約束各個國家的溫室氣體排放,探索二氧化碳的全新用途也成為聯合國氣候變化大會的一大主題。在巴黎峰會召開期間,歐盟“氣候變化減緩與適應”知識與創新團體(Climate-KIC)在巴黎大皇宮展示了包括示范項目在內的多個項目。該團體以“enCO2re”示范項目為基礎, 支持各種技術創新,目前該項目正在為一種使用二氧化碳來生產橡膠與合成纖維的技術提供支持。

    將二氧化碳轉化為材料的想法,源自于對溫室氣體處理的不同觀點。2008年左右,主流觀點認為應該將二氧化碳注入地下封存起來。來自德國亞琛工大的研究人員托馬斯米勒則在美國化學協會年會上提出可以將二氧化碳轉化為聚碳酸酯塑料,并用于生產塑料瓶、DVD光碟等有用的制品。因為二氧化碳含碳元素,意味著它不僅是溫室效應的“禍首”,同樣是很好的碳資源。

    托馬斯米勒選擇了與德國拜耳化學公司(科思創即原拜耳材料科技)合作,并建造了一個催化劑實驗室。2010年左右,有消息稱德國聯邦教育研究部投入450多萬歐元,支持當時的拜耳材料科技及其合作伙伴從事二氧化碳轉化聚醚等多元醇碳酸酯的研究。

    歷經8年,已經成為獨立公司并更名的科思創終于宣布,將二氧化碳作為生產優良泡沫塑料原材料的研發已經進入后期階段,預計于2016年將這一技術投入工業化生產。

    “我們未來的努力目標就是充分利用二氧化碳,閉合碳循環鏈?!必撠焺撔碌目扑紕摱聲蓡T馬庫斯 ·施樂文博士表示,“看到各國政府意識到二氧化碳具有巨大的開發潛能,并系統性地推動商業和科學領域的相關研發活動,我們非常興奮。例如,德國已經在這個方面做出了很長時間的努力,現在歐盟也開始行動。憑借科思創在生產工藝和催化研發的專業知識,我們能夠推動二氧化碳的資源化利用?!边@標志著利用二氧化碳生產聚合物或將進入規?;A段。

    多國尋求二氧化碳基材料商業化

    二氧化碳基聚合物被公認為是一種環境友好型原料??梢酝ㄟ^回收利用、焚燒和填埋等多種方式處理??梢韵衿胀ㄋ芰弦粯踊厥蘸筮M行再利用,焚燒處理時生成二氧化碳和水,不會產生煙霧。填埋則能在數月內降解。另一方面,目前的塑料制品基本為石油基產品。若采用從廢氣中回收的二氧化碳,同時減少對石油的使用,將達到數重環保的目的。

    故而,利用二氧化碳制造材料很早就為化學家們所關注。上世紀60年代,日本油封公司井上祥平等人就發現了二氧化碳和環氧丙烷在催化劑作用下可得到全降解塑料。然而化學反應引起的副反應會生成不穩定的低分子量共聚物,使得該研究成果未能推向商業化。此后,其他國家也陸續投入將二氧化碳轉化為可降解材料的研究,但由于二氧化碳性質不活潑,很難與其他化合物尤其是有機物聚合,以及理想的催化劑難尋等原因,該項研究一直沒有明顯的進展。直到1994年左右,美國Air products and chemicals Inc公司購買了井上祥平等人的專利并進行催化劑改進,生產出二氧化碳可降解共聚物并進行以噸級量的商品出售。

    近5年來,美國、日本、中國等在二氧化碳基材料研發和中小規模生產方面進展開始加速。

    2010年左右,美國Novomer公司開發了一個技術平臺,從廢二氧化碳中生產有價值的、高性能聚合物,獲得環境效益獎以及近1800余萬美元的政府獎金。Novomer公司基于一個創新的催化劑體系,以二氧化碳為主要原料生產各種聚合物,二氧化碳質量分數在43%-50%之間。Novomer公司還稱,該公司利用小型反應器進行中型規模生產聚丙烯碳酸酯(PPC)樹脂,比標準的塑料使用化石燃料要少50%??蓱糜谕苛?、表面活性劑、軟包裝和纖維等。

    2015年,有消息稱日本旭化成計劃在倉敷水島的制造基地建立一個新的工廠用于生產新研發出的碳酸二苯酯。具體是用自主研發的催化劑從二氧化碳以及酒精中提取二烴基碳酸酯,然后從DRC和苯酚中得到DPC。還有文獻稱,日本有計劃建立以二氧化碳為化工原料的獨立工業體系。

    我國從上世紀80年代末開始研究二氧化碳基材料,目前的研發和生產水平均處于世界前列。2015年,大連理工大學精細化工國家重點實驗室“小分子活化與仿生催化”教育部創新團隊在《自然通訊》上發表通訊,稱探索出化學固定二氧化碳新方法,成功設計出結晶狀化合物——結晶梯度聚碳酸酯,其熔點溫度可在一定范圍內調節,大大拓展了二氧化碳的使用范圍,還獲得了各種結晶性的二氧化碳共聚物。此前,中科院廣州化學公司、中科院長春應化所等單位在二氧化碳共聚物產業化研究方面也屢屢獲得突破。

    陶氏化學、巴斯夫等全球知名化工企業也曾從事過二氧化碳基材料或相關催化劑的研發工作。

    值得注意的是,近期石油價格大跌對于仍在攻克技術難關的二氧化碳基材料來說是一個相當糟糕的消息。目前生產二氧化碳基材料所采用的催化劑均為鋅、鉻、稀土、納米催化劑,價格高昂。原本二氧化碳基材料的成本價已是石油基產品的1.5-2倍。石油價格節節下挫,更是拉大了二氧化碳基塑料與石油基塑料的生產成本差距,或令已進行試驗生產的廠商難以為繼。但相比石油基產品,二氧化碳基材料可降解,有助于減少溫室氣體,具有環保優勢。絕大多數觀點認為,仍有必要繼續推進二氧化碳基材料研究和生產。

    中國工業氣體工業協會二氧化碳專委會副秘書長薛定撰文稱,要重視CO2資源的綜合利用,尤其是要加快以CO2為原料合成各類無機、有機及高分子產品的研究開發工作,并呼吁“十三五”期間,國家有關部門提供政策支持促進我國二氧化碳的回收利用。

    除卻政策鼓勵和財政支持,若能利用二氧化碳制造出附加值更高的材料,利用二氧化碳制造材料或將迎來更大的前景。2015年,來自喬治華盛頓大學的研究人員宣布發現了一種利用大氣中富集的二氧化碳生產碳納米纖維的方法。這種纖維可制成強大的碳碳復合材料,用于制造民航客機等高端領域。

    研究人員首先在高達750℃的碳酸鋰熔液中插入兩根分別由鎳和鋼制成的電極,通過鎳和鋼電極的熱及直流電使二氧化碳溶解,碳納米纖維可以在鋼電極形成并可與之分離。太陽能為這一化學反應提供動力,實驗過程中只產生碳納米纖維和氧氣,而不會產生其他有害物質。其運行成本只有產出價值的數百分之一。團隊研究帶頭人Stuart Licht博士稱這是一項兩全其美的偉大發明,既可以有效分解空氣中的二氧化碳,還能以低的成本制備出大量的碳納米纖維,據估算,如果運用該項技術在相當于撒哈拉沙漠1/10的區域內對二氧化碳進行分解轉化,那么在10年之內便可將該區域的二氧化碳濃度水平降低至工業文明之前。

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