二氧化碳變?nèi)剂希?/h1>
2009-05-31 09:47:38高育紅
發(fā)明與創(chuàng)新·大科技 2009年5期
高育紅
研究人員正在開發(fā)一種技術(shù)：回收大氣中的二氧化碳。他們利用二氧化碳的碳原子合成碳?xì)浠衔?，也就是我們熟知的烴。這些烴可以用作汽車燃料，還可以替代原油成為制造塑料和其他材料的原材料。這種變廢為寶的舉措將有可能為緩解能源危機(jī)帶來一線希望。
想法很簡單，分兩步走。第一步：從二氧化碳分子中移走一個(gè)氧原子，得到一氧化碳。第二步，將一氧化碳與氫氣混合，在催化劑的作用下，得到液態(tài)烴燃料。后一步反應(yīng)被稱為費(fèi)一托法，發(fā)明于20世紀(jì)20年代，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。早在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，當(dāng)原油供應(yīng)緊張時(shí)，德國人曾經(jīng)利用這種方法制造汽油。
困難在于第一步反應(yīng)，如何才能既省錢又高效地從二氧化碳中獲取一氧化碳。最簡單的途徑是在2400攝氏度高溫下加熱二氧化碳。在這個(gè)溫度下，二氧化碳自動(dòng)裂解成一氧化碳和氧氣。問題是用什么方法來達(dá)到這個(gè)反應(yīng)所需的高溫。
顯然，太陽能是最佳選擇。目前，研究人員已經(jīng)建成了一個(gè)小規(guī)模的原型反應(yīng)器，看其能否利用太陽能從二氧化碳中獲取一氧化碳。這個(gè)反應(yīng)器包括兩個(gè)裝置：一個(gè)是拋物面鏡，用于聚焦太陽光；一個(gè)是反應(yīng)室，用于吸收太陽能，并產(chǎn)生一氧化碳。
具體來說，將反應(yīng)室安裝在拋物面鏡的上方，使它的進(jìn)光口對(duì)準(zhǔn)拋物面鏡的焦點(diǎn)。焦點(diǎn)上的太陽光通過進(jìn)光口照射在反應(yīng)室的陶瓷棒上，陶瓷棒吸收太陽能。加熱注入反應(yīng)室的二氧化碳，使二氧化碳的溫度上升到2400攝氏度，將其分解為一氧化碳和氧氣。
不過，這個(gè)反應(yīng)器存在一個(gè)缺陷。操作溫度過高會(huì)損失大量熱能，這樣就會(huì)降低能源利用率。盡管太陽能是免費(fèi)的，但是建造和維護(hù)這些設(shè)備是昂貴的。所以，如果想降低成本，就需要提高反應(yīng)效率。研究人員設(shè)想將該反應(yīng)器與發(fā)電設(shè)備聯(lián)合使用。這樣，發(fā)電設(shè)備能夠利用反應(yīng)器散發(fā)的熱能發(fā)電，提高太陽能的利用率。
研究人員又開發(fā)了一種新式反應(yīng)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的操作溫度稍低，它也有一個(gè)用于聚焦太陽光的拋物面鏡。不同的是，反應(yīng)室有兩個(gè)凹槽，由14個(gè)鈷鐵氧陶瓷環(huán)吸收太陽能，這種陶瓷在加熱時(shí)能夠釋放氧原子，但是不會(huì)破壞它的完整性。
聚焦的太陽光透過窗戶照射在反應(yīng)室的一個(gè)凹槽(這個(gè)凹槽溫度較高)上，加熱凹槽里的陶瓷環(huán)，使陶瓷環(huán)的溫度上升到1500攝氏度。此時(shí)，陶瓷釋放氧原子，隨著環(huán)的旋轉(zhuǎn)，環(huán)上加熱的部分移到反應(yīng)室的另一個(gè)凹槽(這個(gè)凹槽溫度較低)。在這里，起初加熱部分的溫度降低到1100攝氏度。在這個(gè)溫度下，脫氧的陶瓷能夠從注入的二氧化碳?xì)怏w中奪取一個(gè)氧原子，這樣就得到了一氧化碳。環(huán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，剛剛被氧化的陶瓷又回到溫度較高的凹槽，再次被加熱至1500攝氏度。如此周而復(fù)始。
在這個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)里兩個(gè)溫度非常關(guān)鍵。陶瓷要被加熱到合適的溫度才能釋放氧原子，又需要降低到合適的溫度才能與二氧化碳反應(yīng)。為了保證產(chǎn)生合適的溫度，相鄰的陶瓷環(huán)向著相反的方向旋轉(zhuǎn)。也就是說，每個(gè)陶瓷環(huán)被加熱的部分在向溫度較低的凹槽旋轉(zhuǎn)時(shí)，相鄰的陶瓷環(huán)會(huì)幫助它降低溫度。
這個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)最初是為了制氫而研制的。制氫時(shí)在溫度較低的凹槽里注入的是水蒸氣而不是二氧化碳。研究人員稱，裂解二氧化碳時(shí)的太陽能利用率要高于制氫。他們估算，這個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)每個(gè)小時(shí)能夠產(chǎn)生100升的一氧化碳。
隨著原油和天然氣越來越昂貴，越來越稀缺，投資人員正在積極尋找可以替代原油的新型原材料。如果這項(xiàng)利用二氧化碳合成燃料的技術(shù)成熟，并且價(jià)格上占據(jù)競爭優(yōu)勢(shì)，那么二氧化碳將不再從汽車排氣管排出，也不再從發(fā)電站煙囪里噴出，而是源源不斷地輸入到反應(yīng)器里產(chǎn)生一氧化碳。然后，一氧化碳再被加工成烴燃料，用于生產(chǎn)塑料或其他產(chǎn)品。到那時(shí)，二氧化碳不但能為自己挽回面子，它的惡名也將得到“平反”。
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想法很簡單，分兩步走。第一步：從二氧化碳分子中移走一個(gè)氧原子，得到一氧化碳。第二步，將一氧化碳與氫氣混合，在催化劑的作用下，得到液態(tài)烴燃料。后一步反應(yīng)被稱為費(fèi)一托法，發(fā)明于20世紀(jì)20年代，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。早在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，當(dāng)原油供應(yīng)緊張時(shí)，德國人曾經(jīng)利用這種方法制造汽油。
困難在于第一步反應(yīng)，如何才能既省錢又高效地從二氧化碳中獲取一氧化碳。最簡單的途徑是在2400攝氏度高溫下加熱二氧化碳。在這個(gè)溫度下，二氧化碳自動(dòng)裂解成一氧化碳和氧氣。問題是用什么方法來達(dá)到這個(gè)反應(yīng)所需的高溫。
顯然，太陽能是最佳選擇。目前，研究人員已經(jīng)建成了一個(gè)小規(guī)模的原型反應(yīng)器，看其能否利用太陽能從二氧化碳中獲取一氧化碳。這個(gè)反應(yīng)器包括兩個(gè)裝置：一個(gè)是拋物面鏡，用于聚焦太陽光；一個(gè)是反應(yīng)室，用于吸收太陽能，并產(chǎn)生一氧化碳。
具體來說，將反應(yīng)室安裝在拋物面鏡的上方，使它的進(jìn)光口對(duì)準(zhǔn)拋物面鏡的焦點(diǎn)。焦點(diǎn)上的太陽光通過進(jìn)光口照射在反應(yīng)室的陶瓷棒上，陶瓷棒吸收太陽能。加熱注入反應(yīng)室的二氧化碳，使二氧化碳的溫度上升到2400攝氏度，將其分解為一氧化碳和氧氣。
不過，這個(gè)反應(yīng)器存在一個(gè)缺陷。操作溫度過高會(huì)損失大量熱能，這樣就會(huì)降低能源利用率。盡管太陽能是免費(fèi)的，但是建造和維護(hù)這些設(shè)備是昂貴的。所以，如果想降低成本，就需要提高反應(yīng)效率。研究人員設(shè)想將該反應(yīng)器與發(fā)電設(shè)備聯(lián)合使用。這樣，發(fā)電設(shè)備能夠利用反應(yīng)器散發(fā)的熱能發(fā)電，提高太陽能的利用率。
研究人員又開發(fā)了一種新式反應(yīng)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的操作溫度稍低，它也有一個(gè)用于聚焦太陽光的拋物面鏡。不同的是，反應(yīng)室有兩個(gè)凹槽，由14個(gè)鈷鐵氧陶瓷環(huán)吸收太陽能，這種陶瓷在加熱時(shí)能夠釋放氧原子，但是不會(huì)破壞它的完整性。
聚焦的太陽光透過窗戶照射在反應(yīng)室的一個(gè)凹槽(這個(gè)凹槽溫度較高)上，加熱凹槽里的陶瓷環(huán)，使陶瓷環(huán)的溫度上升到1500攝氏度。此時(shí)，陶瓷釋放氧原子，隨著環(huán)的旋轉(zhuǎn)，環(huán)上加熱的部分移到反應(yīng)室的另一個(gè)凹槽(這個(gè)凹槽溫度較低)。在這里，起初加熱部分的溫度降低到1100攝氏度。在這個(gè)溫度下，脫氧的陶瓷能夠從注入的二氧化碳?xì)怏w中奪取一個(gè)氧原子，這樣就得到了一氧化碳。環(huán)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，剛剛被氧化的陶瓷又回到溫度較高的凹槽，再次被加熱至1500攝氏度。如此周而復(fù)始。
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