CO2的化工利用技术展望-2017年11月.docVIP

摘 要 本文通过分析比较了CO2化工利用的主要途径，发现在这些化工利用途径中从CO2出发含羧基等高含氧化合物的技术路线，在能量利用和经济性的角度，目前是最有发展前景的。并简单介绍了CO2在化工利用中具体生成的相关物质及其合成方法，同样详细讨论了集中具有市场应用前景的CO2化工利用技术及其发展的趋势。 CO2是存在于大气层中的一种温室气体。温室气体有一种特殊的作用，能让短波辐射自由通过，吸收长波辐射。太阳能量通过短波辐射的方式达到地球，而地球以长波辐射形式向外散发热量，温室气体使太阳短波辐射达到地球表面，而地球放出的长波辐射不能透过。CO2在大气中浓度不断增加，将会加剧温室效应，使地球温度不断上升，从而可能导致地球温度升高、冰山融化、海平面上升、极端气候的出现以及农作物的生长受到影响和病虫害的扩散等不利影响[1-4]。近代CO2浓度的增加主要是人类活动造成的［5］，尤其是石化燃料的大量使用以及人类对森林的大肆砍伐。 统计材料装明，公元1000年至1800年的1800年间，大气中CO2的浓度年均增速仅0.01×10-6/a，自从1800年以来的200年间，CO2浓度已经增加了90×10-6，相当于全球增加了4800亿tCO2，最近大气中CO2浓度更是以每年1.5×10-6（相当于80亿ｔ/a）的速度增加。到2008年，大气中CO2浓度已经达到389×10-6。 随着现代工业的发展，我国CO2的排放量也在逐步上升。据荷兰某环境评估机构（NEAA）发布的报告称，从2007年开始，中国已经成为全球CO2排放量最多的国家[7]。中国的单位GDP排放的CO2量远远大于全球平均值[8]，居于世界各国的前列。中国的CO2减排目标是在2020年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降40％到45％。因此CO2减排已经成为了我国的紧迫任务。 如何有效降低CO2排放已经成为了世界各国重要的政治经济议题。美国、英国和德国都研究制定了CO2排放制度[9]日本则加快了CO2综合利用方面的研究，计划用10年时间建立起以CO2为化工原料的独立工业体系。目前来看CO2减排能够采取的措施一方面是减排和控制增量：包括调整能源结构，使用低碳能源，大力发展核能、氢能、风能等清洁能源，提高能源的利用效率，发展节能技术以及改变人类的消费习惯，尽可能减少石化燃料的使用。另一方面则是加大CO2的处置和利用，这包括捕集和封存技术，进行油气开采，微藻利用以及化工利用等。在CO2利用方面，经济和风险评估[11]表明CO2的有机化工利用是一个值得大力发展的方面。 石化产业万元产值CO2排放量为1.56t[12]，按照减排20％以上的要求，到2020应降到1.30t/万元产值以下。石化行业面临严重的碳减排压力。CO2减排是压力，也是极好的机遇。CO2作为一种化工原料，是石化行业拥有的重要资源，资源相对集中，可直接作为原料进行化工利用。 目前CO2的化工利用规模还很小，统计数据表明2006年全球生产尿素1亿t，相当于消耗CO27000万t，无机碳酸盐和颜料消耗CO23000万t，其他有机化合物仅消耗少量CO2。因此加快CO2的化工利用研究已显得日益必要和迫切。尤其是在石化行业，应将CO2的产品链与石油产业链相结合，在实现节能减排目标的同时提高现有化工过程的经济效益。 CO2为原料制造有机化合物，必须对CO2的结构和活化方式有充分的认识。自由态的CO2为线性分子，中心碳原子为SP型杂化轨道，C—O键长等于1.16A，稍微小于SP2杂化轨道的C=O键长（1.20A）。由于碳氧的电性差异形成带负电的氧和带正电的碳，因出CO2分子既可以作为路易斯碱，以氧负离子与金属离子配位；同时又可以作为路易斯酸，以碳原子与富电子的金属离子配位。此外，CO2具有两个大∏键，还可以通过∏键形成∏配合物。因为CO2是碳的最高氧化状态，因此也是能量最低状态，以其作为原料制备有机化合物时，必须有大量的能量输入。一般条件下CO2的化工利用途径主要有两条：一条路径是与氢气、不饱和化合物的反应，另一条是合成碳酸酯等碳酸根的化合物。 以CO2为原料制备的有机化合物的种类很丰富，CO2可以制成各种碳酸盐、尿素、加氢化学品、氨基甲酸酯、聚碳酸酯、内酯、碳酸酯和羧酸，CO2作为氧化剂还可以进行烷烃耦合脱氢，CO2和CH4反应制合成气，并进一步反应生产甲醇、乙醇等碳一化学产品。其中尿素、碳酸亚乙酯、水杨酸和脂肪族聚碳酸酯以及碳酸钠等碳酸盐已经实现了工业化生产。 CO2的化工利用应该是有选择的，从能量利用或者说经济性的角度，CO2生产有的有机化合物更有利，是值得大力研究的；而生产有的有机化合物，如生产甲烷等是不合适的。一般的情况下，在能量的转化过程中，高品味能量向低品位能量转化时其能量的利用效率最高，最高可达95％，如把化学能转化为