大学化学, 2023, 38(7): 12-16 doi: 10.3866/PKU.DXHX202208007

科普

捕碳记

叶鑫1,2, 杨蓉2, 张恒1, 谢钢,1,2

1 西北大学化学与材料科学学院, 西安 710127

2 西北大学榆林碳中和学院, 西安 710069

Carbon Dioxide Capture

Ye Xin1,2, Yang Rong2, Zhang Heng1, Xie Gang,1,2

1 School of Chemistry and Materials Science, Northwest University, Xi'an 710127, China

2 Carbon Neutrality College (Yulin), Northwest University, Xi'an 710069, China

通讯作者: 谢钢, Email: xiegang@nwu.edu.cn

第一联系人:

†2017级本科生

收稿日期: 2022-08-1   接受日期: 2022-09-23  

基金资助: 国家自然科学基金委员会科普专项项目.  22142014
陕西省提升公众科学素质计划项目.  2021PSLK27
西北大学化学国家一流专业建设项目

Received: 2022-08-1   Accepted: 2022-09-23  

Abstract

Carbon dioxide is an indispensable carbon resource in the life activities, however, the excessive emission of carbon dioxide enhances the greenhouse effect which leads to more extreme weather globally. In this paper, a fictional hunting action with a code name of "carbon capture" is anthropomorphically described, in which the CO2 capture technology is vividly introduced. The advantages and disadvantages of individual techniques are summarized, based on which the future prospects of research direction is presented.

Keywords: Carbon dioxide ; Carbon dioxide capture ; Science popularization of chemistry

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叶鑫, 杨蓉, 张恒, 谢钢. 捕碳记. 大学化学[J], 2023, 38(7): 12-16 doi:10.3866/PKU.DXHX202208007

Ye Xin. Carbon Dioxide Capture. University Chemistry[J], 2023, 38(7): 12-16 doi:10.3866/PKU.DXHX202208007

“多国山火蔓延、极地冰川融化……气候变化正严重影响人类的生产和生活。二氧化碳过度排放导致气温上升,其后果是极端天气加剧、生态灾难频发。为积极应对气候变化,2020年9月22日,我国宣布二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标。2021年,我国二氧化碳排放量超过119亿吨,占全球总量的33%,排放量居世界第一。实现碳达峰碳中和是中国高质量发展的内在要求,也是中国对国际社会的庄严承诺,这是一场广泛而深刻的经济社会变革,绝不可能毕其功于一役……”

小椰看着电视荧屏上主持人略带沉重的面容缓缓陷入了沉思,窗外柔风轻抚落叶,沙沙之音与新闻之声渐渐融为一体,他的思绪也随之徜徉……

此刻,微观世界的一处国际作战会议室中气氛凝重,原来不久前,由于监狱方监管疏忽,气体囚犯室中的二氧化碳团伙,代号CO2的犯人们谋划并实施了一场大规模的越狱行动。监狱方经全面搜网排查,最终成功终止越狱行动,但仍有部分CO2团伙已出逃。为此,监狱管理者“沃德”从世界各地紧急调遣了一批身怀绝技的警员,以“捕碳”为行动代号,对在逃CO2团伙展开追捕行动。

“想必大家都已经明确了本次特别行动的目的,希望大家能够齐心协力,各显神通,早日将CO2团伙全部缉拿归案。”望着各显风采的警员们,“沃德”缓缓开口。他转身眺望远方,朝阳渐起,黎明将至,希望就在前方,“希望各位早日凯旋,计划开始。”

1 化学吸收追捕

“此等逃犯,不足为虑!”一个稚气未脱的声音响起,吸引了大家的目光,只见天才少年警员“氨水”从人群中意气风发地走了出来,只身前去实施追捕。

众人在作战监控中紧张地注视着战况,追捕前期,“氨水”仗着身强体健的优势,一度占据了上风,CO2团伙也被他步步紧逼,退路渐消。然而就在追捕进入监控死角,警员们认为大局已定时,“氨水”却垂头丧气地返回了会议室。

“氨水”望着疑惑不解的众人,羞愧地低下了头,“对不起,由于我的急功近利,任务失败了。”

原来,“氨水”中溶解的氨气可与二氧化碳反应生成碳酸铵,不仅性情温和还可作为一种化肥呢。可氨气脾气暴躁,极易挥发,造成泄漏,不仅没能完全缉拿回CO2团伙,反而给环境带来了二次污染[1]。

“沃德”拍了拍“氨水”的肩膀,安慰道:“小伙子没关系,你已经做得很好了,至少让我们清楚了CO2团伙的特点,不必自责。”

说罢“沃德”又看向众人,“还有谁愿意前去追捕?”

一道低沉有力的声音从人群中传来,“或…许…可…以…让…我…试…一…试…。”

众人循声看去,发现说话之人正是以魁梧著称的警员“碳酸钾”。“碳酸钾”警员的优势在于他沉稳的性格和特殊的能力,他在追捕CO2团伙时仅需消耗很少量的能量,且自身稳定性较高,没有后顾之忧。并且捕获CO2团伙后他还可以变身为“碳酸氢钾”,将CO2团伙牢牢地禁锢其中,只有经高温长时间加热后才会恢复原身,将CO2团伙释放出来,可以算得上是非常强力且可靠的禁锢手段[2]。

然而,“碳酸钾”虽不会因急躁而丧失时机,但他的笨重迟缓却也极为出名,变身过程太过漫长,还必须携带哌嗪等促进剂武器协同追捕,这样的速度能否追上CO2团伙,众人不禁有些怀疑。果然,在灵活的CO2团伙面前,“碳酸钾”也只能怅然而归。

两员大将接连失利,“沃德”的面色微沉,“难道我们这么多身怀奇技的警员,竟没有一位能缉捕回CO2团伙吗?”

言至于此,众人的目光逐渐锁定在“离子液体”身上。

“大家现在看的那个人是谁呀?”实习警员小氢见状,戳了戳身边同为实习警员的小氧低声问道。

小氧一脸神秘地回答:“这你就有所不知了吧,那位叫‘离子液体’,是近几年立功无数的特警队长。他沉着冷静,热稳定性高、蒸汽压低,且为人随和,善与人交际,有着优良的催化性能并带有功能基团,展现出了巨大的捕碳潜能[3]。”

“这么厉害啊,那追捕CO2团伙就有希望了。”小氢看向“离子液体”的眼神瞬间多了几分崇拜。

但小氧又皱起眉头道:“不过听说他每次行动的经费都特别高,也不知道此次追捕行动的预算是否够用,让我们先看看‘离子液体’是如何进行追捕的吧。”

“离子液体”沉吟片刻,缓缓地抬起头看向“沃德”道:“愿意一试。”

“沃德”听闻此言,面色有所改善,眼神中带着肯定鼓励道:“快去快回,相信你一定能不负众望。”

最终,“离子液体”大展拳脚,迅速将一大批CO2团伙成员缉拿归案。尽管他的行动已经非常迅速,但行动经费消耗巨大,迫于资金压力,“沃德”不得不遗憾地将其中途召回。

“大家别急,让我来试试吧。”正在大家愁眉不展时,从交警大队特别征调的“醇胺”开口道:“我虽没有‘离子液体’队长那般良好的催化性能和功能基团,但我的行动经费较低,且我的机动性更强,负载量也比较大,相信能成功地抓捕回CO2团伙[4]。”

“话虽如此,可你的行动经费绝大部分都花费在解析CO2的行动上,相比于其他人来说,着实不太划算……”小氧出言质疑道。

“无妨。”“沃德”拍板道:“不试试怎么知道效果?先让‘醇胺’去试一试。”

“大家等我的好消息。”“醇胺”起身骑上自己的摩托飞驰而去。只见,“醇胺”抓捕到CO2后,让自身的氨基与CO2反应转化成新的两性离子,再与自身反应变身成氨基甲酸盐,最终使CO2失去反抗能力。

“醇胺”最终缉捕了不少CO2团伙成员,算得上是权衡之下最合适人选了。

2 吸附追捕

会议室中,众人依旧激烈地讨论着追捕方法,决心将CO2团伙成员全部抓回。

这时小氢灵机一动,说出了自己的想法:“我们可以去找后勤部门的固体吸附剂们帮忙,让他们对藏在混合气体中的CO2进行选择性吸附,然后在特定的条件下去解析CO2,并加以浓缩,这样就能将他们一网打尽。”

“方法很不错,不过我们要找的是哪些固体吸附剂呢?”众人提出疑问。

小氢回答道:“活性炭、沸石分子筛、硅胶和活性氧化铝这些后勤的兄弟都可以[5],他们各有优点和缺点,在行动中可以根据具体的抓捕情况择优选择。”

“哦,详细地讲讲这些兄弟的情况,让我看看计划是否可行。”“沃德”很感兴趣地说道。

小氢见计划有实施的可能,立刻对众人讲道:“‘活性炭’兄弟的表面具有很多的微孔结构和很高的比表面积,能够对CO2进行很好的捕集,且捕集所需的经费低,吸附热小,但是‘活性炭’兄和CO2同属于酸性,这就导致其吸附效率较小[6];‘沸石分子筛’是一位极性兄弟,由于CO2中氧原子孤电子对和碳氧键的存在,使得‘分子筛’兄弟与CO2的较量更为激烈,从而实现对CO2高效、高量的吸附。与‘活性炭’兄弟相比,‘分子筛’兄弟的吸附量会更加庞大,但仍无法实现对CO2的大规模追捕[7]。”

小氧也提出了自己的见解:“或许我们可以通过改变追捕条件,使环境压强改变,从而优化吸附量和回收率。”

“是个不错的想法,”“沃德”肯定地点了点头,“只是这样一来耗能就比较大,同时对设备要求极为严格,成本太高了,我们的经费恐怕不足以支持。”

3 膜分离追捕

“我还有一个想法,”实习警员小氮举起手示意,“也许可以试试技术部新研制出来的膜分离技术,利用分离膜两侧的溶解度或扩散率的差异捕获CO2[8]。”

看到众人纷纷开始思考可行性,小碳起身继续说道:“问题关键是这个方法必须有合适的‘吸收’和‘分离’技术员[9]。可目前,我们‘无机膜’吸收技术员虽化学稳定性较好,耐高温耐腐蚀且不易被生物降解,但柔韧性低且制作成本较高,无法满足大规模抓捕作业。而另一名分离技术员‘有机膜’渗透性、选择性良好,可以实现CO2的精准分离捕捉,但他耐热性较差的缺点一直未能克服,也无法满足工作温度要求[10]……”

“沃德”沉声说道:“无论有无这次行动,研究部门的同事们一直在致力于研究新的装备,使技术员能够克服自身的不足,以实现提高效率、降低行动经费的目的。”

“有的同事还提出同时调动警员和技术员,这样可结合两者优势力量,既增加CO2的抓捕效率,又能解决警员追捕时再生能耗高的问题。”“沃德”继续说道:“比如,我们调动特警队长‘离子液体’和技术员‘有机膜’,不仅能提高CO2的捕集能力,降低黏度,还能优化膜分离的耐热性[11]。”

“这些方案虽然仍在实验阶段,但未来可期呀。”“沃德”肯定地说道。

4 低温分离追捕

“试试低温分离如何?”小氧提议道,“CO2之所以灵活,主要在于他是气态的,但他和烟气中其他气体的挥发性存在一定的差异,我们可以直接收集烟气进行重复压缩和冷凝,使环境达到CO2的临界值,逼迫CO2不得不从气态变身成液态,这样我们就能实施精准抓捕了[4]。”

“沃德”无奈地摇了摇头道:“虽然听上去可行,但是冷凝压缩这个过程本身就需要很高的额外能量,工艺设备更是耗资巨大,还是得想办法改进才行……”

“可以试试这个方法……”

“你们听我说……”

会议室里,声音嘈杂,气氛火热,讨论仍在继续,代号为“捕碳”的追捕行动也仍在继续。相信在这么多身怀绝技的警员的努力下,在逃CO2团伙一定会被全员缉拿归案。

5 大结局

“我没有你们所说的那么穷凶极恶,你们只会审视我的罪行,却没有看到我做出的贡献。”审讯室里被捕获的CO2无奈地摇着头。

CO2高声为自己辩驳道:“没有我,就没有光合作用,就没有人类的生存和发展。植物利用自身的光合色素吸收太阳光能,把我CO2转化成有机化合物并释放出氧气。因此,人类生存所需的粮食、油料、纤维和木材等营养和生活物资,无不来自同化我生成的糖类;同时,你们也应该注意到光合作用维持了大气中的氧含量,为人类和动物有氧呼吸提供了必要条件。”

见“沃德”和其他警员震惊不语,CO2又继续说道:“为了提高人类生活质量,我还做了好多工作,高纯度的我在电子工业和医疗领域作用极大,我能进行临床诊断和治疗,CO2激光器就是我的杰作,利用光热作用,对患者治疗部位的皮肤损伤小、副作用小且恢复快。”

“我……”“沃德”刚要开口就被CO2打断了。

“听我说完!”CO2情绪更加激动,“气态的我可以制作碳酸饮料、啤酒,我能控制水处理工艺的pH,我是焊接气体,也是化学和食品加工过程的惰性保护,食品保存需要我;固态的我可以冷藏、冷冻食品,也可作为许多工业加工过程中的冷冻剂,同时我还是CO2灭火器的核心人物。”

“我不求功大于过,但是你们不能否定我的功劳,我绝不是你们口中穷凶极恶的罪犯。”CO2坚定地看向“沃德”。

小氢质疑道:“尽管如此,可他仍是温室效应的罪魁祸首呀!”

小氧语重心长地说道:“凡事都有利弊两面,我们要辩证地看待问题,如果没有大气层的温室效应,地表的平均温度将从15 ℃降到−18 ℃,会使冻土延伸并覆盖大部分地表,绝大部分生命体都不能诞生于地球上。”

“我们一定会更客观地考量你的功与过!”“沃德”沉思片刻,“你的快速增长造成冰川融化、海平面升高,极端天气频发确实已经直接威胁到了人类的生存和发展。下面我们急需做的事情是采取各种技术手段合理控制你在大气中的浓度,定会让你的弊端无限缩小,优势无限放大。”

风依旧吹过,轻云片片,低垂碧空,小椰的思绪渐渐回溯。捕碳之行,其源在碳,固源束流,两者共行,才能将碳真正地“捕捉”,人人低碳,方为捕碳。

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