拓展学习
碳捕捉技术
众所周知,以石油、煤炭和天然气为代表的化石能源,是现代工业的基础,它们都主要是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成的。这些深藏地壳深处、花费成千上万年完成转化的富碳资源,在过去100多年的时间,被人类挖出、提炼、转化、焚烧……驱动人类文明走向物质丰富,也成为二氧化碳的主要来源。
从理论上讲,减少大气中的二氧化碳有两个努力方向:一是减少输入,即在最短时间内转变能源获取方式,不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料,减少人类活动产生的二氧化碳;二是增加去路,即尽最大可能提高环境和人工二氧化碳的固定能力,直接降低大气中的二氧化碳浓度。当前,碳捕捉技术的核心目的,就是将人类活动产生的二氧化碳收集起来,加以储存甚至利用,避免其排放到大气中。主要技术方向是碳捕捉与储存、碳捕捉与能源化利用、碳捕捉与资源化利用。
(1) 碳捕捉与储存。即从人类工业生产或单纯的化石燃料燃烧的尾气中分离出二氧化碳,储存起来使其不进入大气。该过程通过燃烧后技术,或采用低碳的燃烧前技术,直接从烟道气体中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后,再通过管道将其注入一定深度的地下岩层中封存起来。通常的封存地点是废弃油田、气田等。虽然有研究表明,采用高压注水等途径,可以加速二氧化碳以碳酸盐的形式和地壳岩块结合,实现稳定储存。但这些碳终究只是以"打盹"的形式,维持着微妙的平衡存在于地壳之中。一些科学家担心,频繁的地壳活动最终会将这些气体送回地面,其技术安全性还有待提高。
(2) 碳捕捉与能源化利用。这是将二氧化碳捕捉之后,再次用来获取能量的一项技术路径。简单说,就是把二氧化碳变成燃料。常压下,二氧化碳以$-78.5\mathrm{° C}$超低温、固态干冰的形式存在;到了约10个大气压的环境中,又会变成液体流动,便于输送。如果用干冰作为工作介质,就可以吸收环境中的热量,从而受热变成气体。如果这一过程被限制在一个封闭容器中,就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。从理论上讲,这种高压、常温气体,完全可以推动气动机械做功。碳捕捉完成后形成的干冰物质,作为驱动热机运转的燃料,受热变成气体后释放到空气中,之后再次被捕捉回来,从而保持一种人类活动与大气状态之间的平衡。
(3) 碳捕捉与资源化利用。这是把二氧化碳作为工业生产的原料使用。我们当前绝大多数的人造材料、合成制品,都是石油化工的产物。换句话说,就是都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。从理论上讲,以今天人类对物质的认识和改造水平,完全可以将捕捉到的二氧化碳用于制备当前从石油中衍生得到的化学品和材料。目前,基于二氧化碳的产品开发技术已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支。
二氧化碳具有巨大的潜在利用价值,经过碳捕捉后,二氧化碳可用于哪些方面?