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            新技术将二氧化碳变高值化“宝贝”

            admin admin 2019年12月19日

            科学小常识

            [db:标签]方式变废为宝

            新技术让二氧化碳成为高价值的“宝贝”

            把“生命之门”握在自己手

            提到二氧化碳(CO2),人们普遍认为它不仅作为废弃木材毫无用处,而且破坏气候和导致全球变暖的主罪魁祸首之一。到目前为止,研究人员已经想出了许方法来处理它,比如监禁它(固化和密封它),把它放进水牢(钻入海底),等等。然而,在中国科学院过程工程研究所的研究员张湘平看来,CO2是一种的原材料,便宜且容易获。十多年来,在张锁江院士的领导下,她的离子液团队一直在思考如何效地转化和利用二氧化碳,变废为宝。

            与顽固分子打交道,派遣活动家作为“说客”

            二氧化碳利用是一个重大的全球战略问题。欧盟2016年6月的发射计划将二氧化碳利用作为主要研究方向;日本已经制定了二氧化碳利用规划路线图。中国国家发改委和能源局将其列为《行动计划》年的重点研究任务。然而,CO2分子的活化和转化由于活化困难、反应路径复杂、产物选择性低等问题,已经成为国际公认的科学问题之一。

            “二氧化碳是空气中常见的化合物,所以不容易转化和利用。我们知道二氧化碳分子是由两个氧原子和一个碳原子通过稳定的双键连接而成的。很难切断它们之间紧密相连的碳氧双键,并将其还原成氧和碳。”张湘平在接受《科学技术日报》记者采访时说。

            张湘平进一步解释说,CO2能在高温高压下通过破坏键直接活化,如果发现其他活动家是“说客”,如环氧化合物,CO2活化可以被诱导,使其转化更容易。此外,需要添加“介质”,即合适的催化剂,以促进CO2的有效转化。

            在过去的十年中,经过多次实验和探索,研究团队逐渐发现了一种具有——个多活性位点的离子液体催化剂,它不仅能活化CO2的双键,还能使与之反应的环氧乙烷(EO)更有活性,更容易开环,使CO2和EO能够一起反应合成重要的化工原料碳酸乙烯酯。

            张湘平指出,该团队通过化学键链负载成功制备了固定化离子液体催化剂,避免了均相催化剂易流失失活、催化剂回收困难、能耗高、影响产品质量等问题。

            有许多巧妙的方法可以有效利用催化剂来提高其价值。

            高效催化剂已经开发出来,需要与之匹配的反应器来提供合适的反应场所。

            张湘平说:“按照反应-流动-转移的耦合规律,团队优化了反应器内部部件,实现了流场/温度场的均匀分布,创新开发了1万吨固载离子液体气-液-固三相管式反应器。反应过程中迅速释放的热量可以尽快从系统中排出,使反应器不会超温,实现安全运行。”

            在此基础上,研究团队采用醇解反应-变压共沸蒸馏耦合工艺的强化技术,实现整个系统热网络的优化整合,大大降低能耗,显著提高经济性,减少设备投资。

            “从技术上讲,我们仍然需要设计一个将整个反应和分离过程连接起来的全过程,以便从原料中获得最终合格的产品。”张湘平告诉记者,“我们在整个过程中优化整合了材料和能源,大大提高了能耗、效率、经济性和产品质量,满足了企业和市场的需求。”

            据报道,在国家重点研发计划“清洁高效利用煤炭和节能新技术”的支持下,自2018年5月以来,中国科学院工艺工程研究所牵头的“CO2高效合成重要化学品新技术”项目设计合成了CO2羰基化反应中多活性位点的功能性离子液体催化剂,实现了甲烷下CO2的高效转化

            经过多年不懈的努力,通过催化剂的原始创新、反应器结构的优化和系统集成的创新,中国科学院工艺工程研究所离子液体小组开发出了一条由CO2和高能物质环氧乙烷合成碳酸乙烯酯的新路线,然后分别通过醇解生产碳酸二甲酯和乙二醇,从而形成了CO2温和转化为全原子利用的新技术。

            就像把石头变成金子一样,二氧化碳生产的产品是高价值的“珍宝”,应用领域广泛,市场前景可观。它们在使用前面临经济效益差的挑战。

            张湘平表示,在多元化产品中,碳酸二甲酯主要用于合成重要有机化学品的中间体,被誉为21世纪绿色化学的“新基石”。它可广泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化、羰基甲基化、聚碳等有机合成反应。近年来,随着动力锂电池和聚碳酸酯等相关产业的快速发展,对碳酸二甲酯的需求持续快速增长。中国预计2020年需求将达到400万吨,2030年将超过1000万吨。乙二醇是合成聚酯纤维和树脂的原料。中国的年需求量超过1400万吨,而对外国的依赖度超过60%。

            业内人士认为,与CO2直接转化为合成化学品的反应路线相比,该技术具有反应条件温和、原子经济性好、产业化前景广阔等明显优势。该项目的实施将有助于中国抓住二氧化碳利用技术的国际制高点,解决和突破中国煤炭清洁高效利用的瓶颈问题,开辟二氧化碳高价值利用的新途径,具有重要的战略意义。(记者华玲)

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