二氧化碳的影响及综合利用讲解

1、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

2、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。U-:I-I5t=u%:?u0u WCU现在大气中的二氧化碳的浓度为 0。000370%而近

3、年来，人类 每年排入大气的二氧化碳为280*10八8t，是植被和土壤呼吸及海表交 换排入大气的CO平均自然流通量（总量约为5500*10八8t）的5%大 气中CO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CO排放的贡献占人类活动总排量的70%90%Risi ng carb on dioxide concen trati ons 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

4、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C02和H20产生的C02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CO和水蒸气等允许

5、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CO和H2毋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

6、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（CM）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

7、展中国家开展 合作项目的“清洁发展（CM）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 CQ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。20020020203003003S03S04040 C Ctemperaturetemperature K) CH

8、30H + H202. 二氧化碳合成甲烷：CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O3.二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150C,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 02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

9、 C02与 02的浓度达到 一种平衡的状态。C6H1206 + 602 = 6C02 + 6H20五、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 与大气隔离。CCS是减排大气温室气体浓度的一种有效措施。二氧化碳的捕集主要用于较大的二氧化碳点源， 包括大型化石燃 料或生物能源设施，主要二氧化碳排放工业企业，天然气生产，合成 燃料工厂以及基于化石燃料的制氢工厂。目前潜在的可用于储存二氧化碳的技术有： 地质储存，海洋储存， 森林和陆地生态系统储存以及将二氧化碳固化成无机碳酸盐。 通过森 林和陆地生态

10、系统捕集和储存二氧化碳可导致大气中二氧化碳的净 清除，达到真正的“负排放” 。此外，将二氧化碳应用于工业生产中 也是二氧化碳储存的一种途径，但就目前来看，由于技术水平有限， 使得储存量少，对二氧化碳的减排的贡献不大。目前，可行的二氧化碳储存或处置方式有四种： 包括地质（地下） 储存，海洋储存，矿石碳化和森林与陆地生态系统储存。其中，地质 储存又可分为石油天然气储层储存， 深盐沼池构造储存和不可开采的 煤层储存三种。深盐沼池储存又可分为矿坑或岩洞储存， 含水层储存。 在不可开采的煤层储存二氧化碳还可以提高煤层甲烷回收率， 从而取 得一定的经济效益。六、二氧化碳的综合利用 ：（ 1）物理利用二氧化

11、碳的物理利用是指在应用过程中， 不改变二氧化碳的化学 性质，仅仅作为一种工作介质或助剂，如用做啤酒，碳酸饮料的添加 剂，用做油气田助采剂； 作为惰性气体用于气体保护焊接； 利用液体， 固体二氧化碳的冷量用于食品和果蔬的冷藏， 储运，以及利用二氧化碳在超临界状态下的特殊性能进行萃取，分析等提高石油采收率 ：据统计，到 2004 年，世界石油产量的 3%是由注气提高采收率而 获得的。其中，加拿大的注气增产量为其石油总产量的 20%，美国为 10%二氧化碳驱用于油田， 能够提高石油采收率， 主要是因为二氧化 碳除了具有一般气驱所共有的驱替机理外，还有其特殊的驱替机理， 如二氧化碳在地层内溶于水后，可

12、使水的黏度增加 20%30%，运移性 能提高 23 倍；二氧化碳溶于油后，使原油体积膨胀，黏度降低 30%80%，油水界面张力降低， 有利于增加采油速度和增加洗油效率。二氧化碳驱的缺点： 不同温度条件下，二氧化碳的溶解浓度不同； 二氧化碳溶于油， 会产生石蜡及沥青的沉积， 二氧化碳会从生产井中 泄露；造成油井及井田设备的腐蚀；油田附近缺乏相应的资源，远距 离运输存在多方面问题以及使用成本高等问题。 正是由于以上不足之 处，限制了该方法在大多数油田的推广。（2）化学利用；以二氧化碳为原料可生产许多无机和有机化工产品。 据统计，全球每年约有1.1*10八8吨的二氧化碳用于化学合成。其中大规模利用

13、二氧化碳的主要是生产尿素， 纯碱和碳酸氢铵， 有机碳酸酯以及作为 调节合成气中CO与 H2比例的添加剂等。1 、 C1 化工原料C1 华工主要包括了：天然气化工，合成气化工，甲醇化工和二氧化碳化工等。 如何更有效地减少大气中的二氧化碳， 并能同时创造 出丰厚的利润，一直是人们所真实追求的。由于，石油等化石燃料的 稀缺性，使得人们不得不去寻找其替代资源， 而以二氧化碳为主要原 料的化工原料便受到了人们的格外关注。化学方程式：C02 + 3 H2=CH30f+ H20 H=-49kJ/mol G=3kJ/molCH4中C原子处于最低还原态，而二氧化碳则处于最高氧化态。 而二氧化碳催化加氢反应要获得

14、成功， 廉价的氢源和高选择性催化剂 的获得是两个关键的年个因素。目前，可通过水蒸气转化煤，天然气 或石油可制得氢，将来可通过太阳能电解水来获得廉价的氢。而在催化剂方面最活跃的是铜基催化剂。 在各种催化剂中， 铜基 催化剂研究得最多，综合性能最好。除金属氧化物自身性质外，其催 化活性还与分散度， 助剂以及载体类型有很大关系。 通过各种金属氧 化物载体对Cu催化剂活性影响的研究发现，Cu-Zn系催化剂是合成 甲醇的高效催化剂，而不同载体上的甲醇收率大小的关系为：Cu-ZnO (Al2O3 , SiO2 , TiO2) Cu-ZnO / ( ZrO2 , Cr2O3 ) Cu-ZnO/CeO2。而随

15、着世界能源的转换和环境保护的需要，进入 21 世纪后， C1 化学技术，特别是天然气和二氧化碳的化工利用将会有突破性进展。三 其他可能的化学利用 二氧化碳的化学利用除了以上已较为成熟的利用途径和技术之外，还有许多研究工作正在积极地进行着， 如正在研究如何使二氧化 碳与水反应合成烃， 醇燃料。 二氧化碳与水是自然界最廉价易得的物 质，该技术若能取得成功，将获得巨大的经济利益。目前，对该方法 的研究有两种途径，即催化转化法和微波等离子还原法。此外，由丙烷二氧化碳重整制氢也是一个较新的研究方向。 其 中氢可再生，且燃烧只生成水，而二氧化碳更是廉价而又丰富。关键 的问题是氢气能否充分开发利用， 极大程度上取决于能否制出廉价的 氢源。四 减少二氧化碳排放的途径（1） 优化能源消