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新技術將二氧化碳變高值化“寶貝” 另辟蹊徑 變廢為寶
發布日期:2019/10/11 15:54:59  來源:科技日報  

  提及二氧化碳(CO2),一般人們認為它如同廢柴,不僅沒多大用處,還是破壞氣候、導致全球變暖的罪魁禍首之一。迄今科研人員想了很多辦法對付它,將其囚禁(固化封存)、打進水牢(鉆入海底)等。然而,在中國科學院過程工程研究所研究員張香平眼里,CO2可是上好的原材料,價廉、易得。十幾年來,她所在的離子液體團隊,在張鎖江院士的帶領下,一直琢磨如何高效轉化利用CO2,讓其變廢為寶。 
  對付固執家伙,派活躍分子當“說客” 
  CO2利用是全球重大戰略問題。歐盟2016年6月啟動計劃將CO2利用作為重大研究方向;日本制定了CO2利用規劃路線圖;我國國家發改委、能源局在《行動計劃》中將其列為重點攻關任務。但是,由于CO2分子存在不易活化、反應路徑復雜、產品選擇性低等問題,其活化轉化已成為國際公認的科學難題之一。 
  “CO2是空氣中常見的化合物,將其轉化利用并非易事。我們知道,CO2分子是由兩個氧原子與一個碳原子通過穩固的雙鍵連接而成,要想一下子‘敲’開它們之間緊密鏈接的碳氧雙鍵,將其還原成氧和碳,是相當費勁的。”張香平在接受記者采訪時說。 
  張香平進一步解釋道,CO2直接進行斷鍵活化,需要在高溫、高壓下才能進行,但如果能找到其他的活躍分子去當“說客”,比如環氧化合物,則可以誘導CO2的活化,使其轉化更加容易。除此之外,還需要增加一個“媒介”,即合適的催化劑,促使CO2高效轉化。 
  十年來,經過不知多少次的實驗摸索,研究團隊逐漸找到不辱使命的得力“干將”——多活性位點協同作用的離子液體催化劑,其不僅可活化CO2雙鍵,還可讓與之反應的環氧乙烷(EO)變得活躍而更加容易開環,這樣CO2和EO在一起,即可發生反應合成重要的化工原料碳酸乙烯酯等。 
  張香平指出,進一步通過化學鍵鏈負載,團隊成功地制備出了固載化離子液體催化劑,避免了采用均相催化劑易于流失失活、催化劑回收困難和能耗高、影響產品質量等難題。 
  妙招迭出,為高效利用提升價值 
  既已開發出高效催化劑,還需要與之匹配的反應器,提供適宜發生反應的場所。 
  張香平介紹說:“遵從反應—流動—傳遞耦合規律,團隊優化了反應器內構件,實現流場/溫度場均勻分布,創新開發出萬噸級固載離子液體氣液固三相列管式反應器,而反應期間快速釋放的熱量能盡快從體系排出,使反應器不超溫,實現安全操作。” 
  在此基礎上,研究團隊采取醇解反應—變壓共沸精餾耦合過程強化技術,實現全系統熱網絡優化集成,大幅降低能耗、顯著提高經濟性、減少了設備投資。 
  “在工藝上,還需要設計一個全流程將整個反應和分離過程串起來,才能從原料得到最終的合格產品。”張香平告訴記者,“我們對整個過程進行物質和能量的優化集成,在能耗、效率、經濟性、產品質量等方面都得以大大提升,滿足企業和市場的需求。” 
  據介紹,在國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”重點專項支持下,自2018年5月以來,由中科院過程工程研究所牽頭的“CO2高效合成重要化學品新技術”項目,在CO2羰基化反應中設計合成了具有多活性位點的功能離子液體催化劑,實現溫和條件下CO2的高效轉化,同時,制備了滿足工業需求的羰基化催化劑,建設了連續反應裝置;針對碳酸乙烯酯醇解反應,開發高活性、低成本催化劑,建成10噸/年的醇解連續裝置,建立了萬噸級工業試驗裝置。 
  開辟新路徑,合成多元重要化學品 
  CO2捕集、利用與封存(CCUS)技術,是我國煤炭實現低碳排放的主要途徑之一,而對收集到的CO2進行高值化利用,不僅可減少碳排放、緩解溫室效應,還能產生顯著的社會經濟價值。 
  經過多年不懈地努力,通過催化劑原始創新、反應器結構優化及系統的集成創新,中科院過程工程所離子液體團隊開發出以CO2與高能物質環氧乙烷為原料合成碳酸乙烯酯,再分別經醇解生產碳酸二甲酯聯產乙二醇高值化利用的新路線,形成了CO2溫和轉化的全原子利用新技術。 
  猶如點石成金,由CO2生發的產品可謂個個是高值化的“寶貝”,具有廣泛的應用領域和可觀的市場前景,迎刃之前利用后存在經濟效益差等難題。 
  張香平介紹說,在多元化的產品中,碳酸二甲酯主要用于合成重要有機化工的中間體,被譽為21世紀綠色化學的“新基石”,可廣泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化、聚碳等有機合成反應,近年來,隨著動力鋰電池和聚碳等相關行業的快速發展,對碳酸二甲酯的需求持續快速增長,我國預計2020年需求量400萬噸,2030年超千萬噸;乙二醇是合成聚酯纖維和樹脂的原料,我國年需求量大于1400萬噸,而對外依存度大于60%。 
  業內人士認為,與CO2直接轉化合成化學品的反應路線相比,這項技術具有反應條件溫和、原子經濟性好、產業化前景廣闊等顯著優勢。項目的實施,有利于我國搶占CO2利用技術的國際制高點,解決和突破我國煤炭清潔高效利用的瓶頸問題,為CO2的高值化利用開拓出新路徑,具有重要的戰略意義。(華凌)

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