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新技术将二氧化碳变高值化“宝贝”

作者:admin      发布日期:2019-10-12   点击:

提及二氧化碳(CO2),一般人们认为它如同废柴,不仅没多大用处,还是破坏气候、导致全球变暖的罪魁祸首之一。迄今科研人员想了很多办法对付它,将其囚禁(固化封存)、打进水牢(钻入海底)等。然而,在中国科学院过程工程研究所研究员张香平眼里,CO2可是上好的原材料,价廉、易得。十几年来,她所在的离子液体团队,在张锁江院士的带领下,一直琢磨如何高效转化利用CO2,让其变废为宝。

对付固执家伙,派活跃分子当“说客”

CO2利用是全球重大战略问题。欧盟2016年6月启动计划将CO2利用作为重大研究方向;日本制定了CO2利用规划路线图;我国国家发改委、能源局在《行动计划》中将其列为重点攻关任务。但是,由于CO2分子存在不易活化、反应路径复杂、产品选择性低等问题,其活化转化已成为国际公认的科学难题之一。

“CO2是空气中常见的化合物,将其转化利用并非易事。我们知道,CO2分子是由两个氧原子与一个碳原子通过稳固的双键连接而成,要想一下子‘敲’开它们之间紧密链接的碳氧双键,将其还原成氧和碳,是相当费劲的。”张香平在接受科技日报记者采访时说。

张香平进一步解释道,CO2直接进行断键活化,需要在高温、高压下才能进行,但如果能找到其他的活跃分子去当“说客”,比如环氧化合物,则可以诱导CO2的活化,使其转化更加容易。除此之外,还需要增加一个“媒介”,即合适的催化剂,促使CO2高效转化。

十年来,经过不知多少次的实验摸索,研究团队逐渐找到不辱使命的得力“干将”——多活性位点协同作用的离子液体催化剂,其不仅可活化CO2双键,还可让与之反应的环氧乙烷(EO)变得活跃而更加容易开环,这样CO2和EO在一起,即可发生反应合成重要的化工原料碳酸乙烯酯等。

张香平指出,进一步通过化学键链负载,团队成功地制备出了固载化离子液体催化剂,避免了采用均相催化剂易于流失失活、催化剂回收困难和能耗高、影响产品质量等难题。

妙招迭出,为高效利用提升价值

既已开发出高效催化剂,还需要与之匹配的反应器,提供适宜发生反应的场所。

张香平介绍说:“遵从反应—流动—传递耦合规律,团队优化了反应器内构件,实现流场/温度场均匀分布,创新开发出万吨级固载离子液体气液固三相列管式反应器,而反应期间快速释放的热量能尽快从体系排出,使反应器不超温,实现安全操作。”

在此基础上,研究团队采取醇解反应—变压共沸精馏耦合过程强化技术,实现全系统热网络优化集成,大幅降低能耗、显著提高经济性、减少了设备投资。

“在工艺上,还需要设计一个全流程将整个反应和分离过程串起来,才能从原料得到最终的合格产品。”张香平告诉记者,“我们对整个过程进行物质和能量的优化集成,在能耗、效率、经济性、产品质量等方面都得以大大提升,满足企业和市场的需求。”

据介绍,在国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项支持下,自2018年5月以来,由中科院过程工程研究所牵头的“CO2高效合成重要化学品新技术”项目,在CO2羰基化反应中设计合成了具有多活性位点的功能离子液体催化剂,实现温和条件下CO2的高效转化,同时,制备了满足工业需求的羰基化催化剂,建设了连续反应装置;针对碳酸乙烯酯醇解反应,开发高活性、低成本催化剂,建成10吨/年的醇解连续装置,建立了万吨级工业试验装置。

开辟新路径,合成多元重要化学品

CO2捕集、利用与封存(CCUS)技术,是我国煤炭实现低碳排放的主要途径之一,而对收集到的CO2进行高值化利用,不仅可减少碳排放、缓解温室效应,还能产生显著的社会经济价值。

经过多年不懈地努力,通过催化剂原始创新、反应器结构优化及系统的集成创新,中科院过程工程所离子液体团队开发出以CO2与高能物质环氧乙烷为原料合成碳酸乙烯酯,再分别经醇解生产碳酸二甲酯联产乙二醇高值化利用的新路线,形成了CO2温和转化的全原子利用新技术。

犹如点石成金,由CO2生发的产品可谓个个是高值化的“宝贝”,具有广泛的应用领域和可观的市场前景,迎刃之前利用后存在经济效益差等难题。

张香平介绍说,在多元化的产品中,碳酸二甲酯主要用于合成重要有机化工的中间体,被誉为21世纪绿色化学的“新基石”,可广泛用于羰基化、甲基化、甲氧基化和羰基甲基化、聚碳等有机合成反应,近年来,随着动力锂电池和聚碳等相关行业的快速发展,对碳酸二甲酯的需求持续快速增长,我国预计2020年需求量400万吨,2030年超千万吨;乙二醇是合成聚酯纤维和树脂的原料,我国年需求量大于1400万吨,而对外依存度大于60%。

业内人士认为,与CO2直接转化合成化学品的反应路线相比,这项技术具有反应条件温和、原子经济性好、产业化前景广阔等显著优势。项目的实施,有利于我国抢占CO2利用技术的国际制高点,解决和突破我国煤炭清洁高效利用的瓶颈问题,为CO2的高值化利用开拓出新路径,具有重要的战略意义。

(责编:乔雪峰、赵竹青)



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