另辟蹊徑 變廢為寶
新技術(shù)將二氧化碳變高值化“寶貝”
把“命門”掌握在自己手中
提及二氧化碳(CO2),一般人們認(rèn)為它如同廢柴,不僅沒多大用處,還是破壞氣候、導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍?zhǔn)字弧F窨蒲腥藛T想了很多辦法對付它,將其囚禁(固化封存)、打進(jìn)水牢(鉆入海底)等。然而,在中國科學(xué)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(jià)廉、易得。十幾年來,她所在的離子液體團(tuán)隊(duì),在張鎖江院士的帶領(lǐng)下,一直琢磨如何高效轉(zhuǎn)化利用CO2,讓其變廢為寶。
對付固執(zhí)家伙,派活躍分子當(dāng)“說客”
CO2利用是全球重大戰(zhàn)略問題。歐盟2016年6月啟動計(jì)劃將CO2利用作為重大研究方向;日本制定了CO2利用規(guī)劃路線圖;我國國家發(fā)改委、能源局在《行動計(jì)劃》中將其列為重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)。但是,由于CO2分子存在不易活化、反應(yīng)路徑復(fù)雜、產(chǎn)品選擇性低等問題,其活化轉(zhuǎn)化已成為國際公認(rèn)的科學(xué)難題之一。
“CO2是空氣中常見的化合物,將其轉(zhuǎn)化利用并非易事。我們知道,CO2分子是由兩個(gè)氧原子與一個(gè)碳原子通過穩(wěn)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(dāng)費(fèi)勁的?!睆埾闫皆诮邮芸萍既請?bào)記者采訪時(shí)說。
張香平進(jìn)一步解釋道,CO2直接進(jìn)行斷鍵活化,需要在高溫、高壓下才能進(jìn)行,但如果能找到其他的活躍分子去當(dāng)“說客”,比如環(huán)氧化合物,則可以誘導(dǎo)CO2的活化,使其轉(zhuǎn)化更加容易。除此之外,還需要增加一個(gè)“媒介”,即合適的催化劑,促使CO2高效轉(zhuǎn)化。
十年來,經(jīng)過不知多少次的實(shí)驗(yàn)摸索,研究團(tuán)隊(duì)逐漸找到不辱使命的得力“干將”——多活性位點(diǎn)協(xié)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(yīng)的環(huán)氧乙烷(EO)變得活躍而更加容易開環(huán),這樣CO2和EO在一起,即可發(fā)生反應(yīng)合成重要的化工原料碳酸乙烯酯等。
張香平指出,進(jìn)一步通過化學(xué)鍵鏈負(fù)載,團(tuán)隊(duì)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(chǎn)品質(zhì)量等難題。
妙招迭出,為高效利用提升價(jià)值
既已開發(fā)出高效催化劑,還需要與之匹配的反應(yīng)器,提供適宜發(fā)生反應(yīng)的場所。
張香平介紹說:“遵從反應(yīng)—流動—傳遞耦合規(guī)律,團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)流場/溫度場均勻分布,創(chuàng)新開發(fā)出萬噸級固載離子液體氣液固三相列管式反應(yīng)器,而反應(yīng)期間快速釋放的熱量能盡快從體系排出,使反應(yīng)器不超溫,實(shí)現(xiàn)安全操作。”
在此基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)采取醇解反應(yīng)—變壓共沸精餾耦合過程強(qiáng)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化集成,大幅降低能耗、顯著提高經(jīng)濟(jì)性、減少了設(shè)備投資。
“在工藝上,還需要設(shè)計(jì)一個(gè)全流程將整個(gè)反應(yīng)和分離過程串起來,才能從原料得到最終的合格產(chǎn)品。”張香平告訴記者,“我們對整個(gè)過程進(jìn)行物質(zhì)和能量的優(yōu)化集成,在能耗、效率、經(jīng)濟(jì)性、產(chǎn)品質(zhì)量等方面都得以大大提升,滿足企業(yè)和市場的需求?!?/p>
據(jù)介紹,在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)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(xué)品新技術(shù)”項(xiàng)目,在CO2羰基化反應(yīng)中設(shè)計(jì)合成了具有多活性位點(diǎn)的功能離子液體催化劑,實(shí)現(xiàn)溫和條件下CO2的高效轉(zhuǎn)化,同時(shí),制備了滿足工業(yè)需求的羰基化催化劑,建設(shè)了連續(xù)反應(yīng)裝置;針對碳酸乙烯酯醇解反應(yīng),開發(fā)高活性、低成本催化劑,建成10噸/年的醇解連續(xù)裝置,建立了萬噸級工業(yè)試驗(yàn)裝置。
開辟新路徑,合成多元重要化學(xué)品
CO2捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù),是我國煤炭實(shí)現(xiàn)低碳排放的主要途徑之一,而對收集到的CO2進(jìn)行高值化利用,不僅可減少碳排放、緩解溫室效應(yīng),還能產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
經(jīng)過多年不懈地努力,通過催化劑原始創(chuàng)新、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及系統(tǒng)的集成創(chuàng)新,中科院過程工程所離子液體團(tuán)隊(duì)開發(fā)出以CO2與高能物質(zhì)環(huán)氧乙烷為原料合成碳酸乙烯酯,再分別經(jīng)醇解生產(chǎn)碳酸二甲酯聯(lián)產(chǎn)乙二醇高值化利用的新路線,形成了CO2溫和轉(zhuǎn)化的全原子利用新技術(shù)。
猶如點(diǎn)石成金,由CO2生發(fā)的產(chǎn)品可謂個(gè)個(gè)是高值化的“寶貝”,具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和可觀的市場前景,迎刃之前利用后存在經(jīng)濟(jì)效益差等難題。
張香平介紹說,在多元化的產(chǎn)品中,碳酸二甲酯主要用于合成重要有機(jī)化工的中間體,被譽(yù)為21世紀(jì)綠色化學(xué)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(jī)合成反應(yīng),近年來,隨著動力鋰電池和聚碳等相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展,對碳酸二甲酯的需求持續(xù)快速增長,我國預(yù)計(jì)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(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,與CO2直接轉(zhuǎn)化合成化學(xué)品的反應(yīng)路線相比,這項(xiàng)技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、原子經(jīng)濟(jì)性好、產(chǎn)業(yè)化前景廣闊等顯著優(yōu)勢。項(xiàng)目的實(shí)施,有利于我國搶占CO2利用技術(shù)的國際制高點(diǎn),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(zhàn)略意義。(記者 華 凌)
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