低碳化工技术进展
青岛科技大学化工学院 董国梁
近年来，由于CO2等温室气体过量排放而造成的气候变暖已成为全球关注的焦点。发展低碳经济成为人们推动
节能减排、应对全球气候变暖的重要措施。低碳经济主要通过以下三方面实现：①源头治理——发展可再生能源开
发；②过程治理——加强生产与消费过程中的节能减排；③末端治理——推动CO2捕集、储存和再利用。我国在节
能减排方面已取得了重大进展，但也存在一些急待解决的问题，大量实践表明，化工科技创新将在其中发挥关键作
用。
1 开发利用可再生能源
目前，国内外化工企业都非常注重节能减排，很多企业已提出许多新工艺方法，替代能耗高污染大的传统工艺。
氢能是一种储量丰富、热值高、无污染的新能源，常见的工业制氢方法有化石燃料制氢工艺、电解水制氢、催化热
分解碳氢化合物制氢、生物制氢等。但是传统方法能耗大，温室气体排放严重，生物法制氢满足环保低碳的要求，
具有非常好的应用前景。
煤化工行业CO2排放量最多，要从工艺源头上实现CO2规模化减排，必须对煤气化技术、工艺和工艺装置进行
优化。中国科学院的研究人员采用Gibbs自由能最小法，对流化床煤与甲烷共转化过程进行了热力学分析。结果表
明，在煤气化体系中增加甲烷进料，能提高冷煤气效率，降低单位有效能氧耗，并且产出合成气的H2/CO比可调。
此外，甲烷可作为部分氢源，降低过程水耗。从热力学角度证明了煤与甲烷共转化方法对于有效利用煤层气的优越
性，所得出的操作线也为该过程的实际操作指出了方向。加大煤气化的深层次研究，有利于发挥煤的最大效能，降
低温室气体的排放量。
2 化工过程强化
化工过程强化强调在生产能力不变的情况下，在生产和加工过程中运用新技术和设备，极大地减小设备体积或
者极大地提高设备的生产能力，显著地提升能量效率。大量地减少废物排放。美、德等发达国家已将化工过程强化
列为当前化学工程优先发展的三大领域之一。微型化工设备具有结构简单、无放大效应、操作条件易于控制和安全
可靠等优点，得到众多研究者的极大关注。微化工器件的一些研究结果表明，在微米尺度下反应的转化率、选择性
均有明显提高，传热系数和传质性能与传统设备相比显著强化，而且可以保证流体流动的均匀性和理想性。因此，
开发设计新型微反应器，不仅可以改善反应条件，更有利于节能减排。
3 加大CO2捕集利用力度
温室气体尤其是CO2的排放已成为严重制约社会经济可持续发展的一个重要因素。除了从源头上减少CO2排放
量外，更重要的是做好CO2的捕集与处理。CO2是一种无毒、不易燃的气体，可以成为制造化学品、燃料、材料等
商品的一种原材料。目前已经有大量的利用CO2制备的化学品，包括尿素、水杨酸以及聚碳酸酯塑料等。CO2还越
来越多地被用作溶剂，例如超临界CO2(31.0℃和7.38 MPa下的状态)在立体化学控制、产品纯化及精细化工产品和
药物合成的环境控制方面发挥了优势。另一些利用CO2的途径包括油、气的回收，以及利用转基因海藻将发电厂产
生的CO2转化成生物柴油等。
由于CO2比较稳定，开发环保高效的催化剂对CO2的化学反应与捕集相当重要。近年来，研究者们对CO2催化
加氢生产烃类、甲醇、甲酸等所用催化剂作了深入研究，开发出一系列性能优异的催化剂，对今后CO2的再利用无
疑具有非常重要的意义。
英国Leeds大学的化学教授Christopher M．Rayner在研究将CO2还原为甲酸的催化工艺。甲酸有可能为发电
设备和机动车的燃料电池提供动力，并成为其他燃料和聚合物等化学商品的前体。与单独使用氢和甲醇相比，甲酸
有很好的发展前景。
新加坡研究人员组成的团队于2009年12月31日宣布，开发出一种工艺过程，可在缓和条件下使CO2催化还原
为CO，使用芳香醛类作还原剂，N-杂环(NHCs)碳烯作有机催化剂。得到的CO可用于通过水气变换反应生产氢气。
该反应也显示出CO2使芳香醛类氧化的新的经济途径，并可望用于医药行业。
来自Cornell大学的Geoffrey W．Coates和他的小组花了10年时间开发介导CO2进入聚合物的催化剂，这些
催化剂促进了不同的环氧化物与CO2的共聚，形成了生物可降解的多聚碳酸酯。这一项目目前已经产业化，所生产
的聚合物具有气密性和可降解性，适用于食品包装、汽车部件包装等，成本低廉，制造工艺更为绿色化，有利于节
能减排。
利用CO2合成高分子材料一直受到学术界和工业界的广泛关注。目前，CO2与环氧丙烷共聚合成的二氧化碳共
聚物(PPC)已经实现了工业化，李国法等采用三元催化剂合成了高分子量的CO2与氧化环己烯共聚物，经过工艺优化，
可以得到性能优良的塑料制品。
2009年末，全球最大的燃煤电厂“碳捕获”(CCS)项目在中国上海进入调试阶段，建成后每年可捕集l0万t高
纯度CO2。实际上，中国发展CCS技术仍面临着技术、资金、政策以及项目执行层面等诸多挑战。英国、澳大利亚
等国已着手建立CCS相关法规和标准，中国这方面尚未起步。
阿尔斯通电力公司和陶氏化学公司前不久签署协议，双方将联合开发先进的CO2捕获技术，并共同推动其商业
化进程。该技术通过胺洗涤工艺，从低压烟道废气中回收CO2，这项技术将是电力工业碳减排的一个重要举措。
四川天一科技股份有限公司自主研发的PTSA吸附精馏法制备食品级CO2技术，从工业废气及其它富含CO2的气
源中提纯得到符合国家标准的食品级CO2，该技术具有能耗低、投资少、运行费用低的优点。
巴西米纳斯吉拉斯州联邦大学的两名化学家与一家企业合作，共同研制了一种陶瓷体。可过滤燃料燃烧后排放
的CO2物质，并将其转化为工业原料。实验显示这种陶瓷体可以捕捉燃料燃烧后排出的40％的CO2物质。下一步，
发明者计划进一步改善这种陶瓷体过滤CO2的能力，以期达到捕捉60％燃料排放物的目的。陶瓷体的显微结构会与
气体结合，实验中重量为l0g的陶瓷球在与气体结合后会达到14g重。当CO2充盈时，可用热量或者化学反应原理
将其从陶瓷体中提取出来，以作为工业原料回收再利用。
4 结束语
节能减排是适应环境发展需要，利国利民的大事。作为碳排放量大户的化工行业，其责任更加重大。虽然目前
国内外已做出许多可喜的成果，对发展绿色清洁化工作了积极贡献，我们也应看到，低碳化工是一项长期而艰巨的
任务，尚有许多技术难题需要解决。既经济而又环境友好地发展化工还需要国家、社会及广大科研工作者有更多的
投入。