發(fā)表評論 (聲明：刊用《中國新聞周刊》稿件務(wù)經(jīng)書(shū)面授權)
或許在未來(lái)，二氧化碳這種毀壞地球環(huán)境的氣體也能幫助我們戒掉對石油的依賴(lài)
二氧化碳(CO2)早已被戴上了邪惡分子的頭銜。它們源源不斷地從汽車(chē)排氣管和發(fā)電站煙囪噴出，是全球變暖的最大原因。因此，人們普遍將它當作一種壞東西。
可是，一組先驅研究人員卻愿意讓人們看到CO2作為一種有價(jià)值資源的另一面。他們研究出一種收集技術(shù)，可以回收那些可能污染大氣的CO2，利用其中的碳原子合成碳氫化合物(烴)，這些烴可用作汽車(chē)燃料，以及制造塑料的原料或其他化工原料——目前這些原料都是從原油中提取的。
這個(gè)想法其實(shí)很簡(jiǎn)單。找到一種去掉CO2分子中一個(gè)氧原子的辦法，即可得到一氧化碳(CO)分子，不過(guò)，這僅僅是變成烴財富的一小步，下一步還要將CO與氫氣混合，再將這種混合氣體通過(guò)一種催化劑催化，才能變成液體的烴燃料。這種化學(xué)反應，叫做費-托法過(guò)程，是在上世紀20年代發(fā)明的。早在第二次世界大戰期間，當原油供應短缺的時(shí)候，德國人就曾經(jīng)用汽化煤制造過(guò)汽油。在種族隔離的年代，當南非被制裁封鎖原油進(jìn)口時(shí)，也曾這樣制造過(guò)液體燃料。
捕捉太陽(yáng)能
要變有害的CO2為有用的CO，第一步的難處在于：找到一種價(jià)格上和能源上同時(shí)有效率的辦法。最簡(jiǎn)單的途徑就是在2400℃左右加熱CO2，在這個(gè)溫度，CO2會(huì )自動(dòng)地裂解為CO和氧氣。不過(guò)，困難的就是尋找到能夠做到這一點(diǎn)的能源。
很顯然, 太陽(yáng)光是最合適做這種能源的候選者。在美國新墨西哥州的帕瓦奇，有一家叫做勞斯阿拉莫斯可再生能源(LARE)的公司，該公司已經(jīng)建成了一個(gè)以CO2提供能源的小型原型反應器。在這個(gè)反應器中，CO2被投放到一個(gè)密閉在反應室中，反應室被固定在聚集太陽(yáng)光的一個(gè)鏡面碟片的焦點(diǎn)上，聚集的太陽(yáng)光通過(guò)反應室的小窗到達安裝在反應室內部一個(gè)用來(lái)收集熱量的陶瓷棒上。隨著(zhù)進(jìn)入氣體接觸到溫度升高為2400℃左右的陶瓷棒，二氧化碳分解為一氧化碳和氧氣。里德·詹森是LARE的主管，他透露，他們的一個(gè)更大的原型反應器即將在一年的時(shí)間內投入實(shí)驗，但是他沒(méi)有說(shuō)明這個(gè)反應器到底有多大，能產(chǎn)生多少的一氧化碳。
美國新墨西哥州阿布奎基的圣地亞國家實(shí)驗室的內森·西格說(shuō)：這種方法的缺點(diǎn)是操作溫度太高。圣地亞國家實(shí)驗室有一個(gè)競爭的研究小組也在從事這個(gè)方向的研究。高溫會(huì )導致很?chē)乐氐臒釗p失，因此會(huì )減低效率。雖然太陽(yáng)能是免費的，但建造這些產(chǎn)生和耐受高溫的設備是很昂貴的。所以，要想讓整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程更經(jīng)濟，就需要效率更高的操作。
正因為牢記住這一點(diǎn)，圣地亞小組正在開(kāi)發(fā)一個(gè)與LARE抗衡的系統，叫做反向旋轉環(huán)狀接受反應蓄熱器(CR5)，這個(gè)系統的操作溫度沒(méi)有那么高。與LARE反應器一樣，這個(gè)系統也有聚集太陽(yáng)光的聚能器碟，不過(guò)，高溫是在一組14個(gè)鈷鐵氧陶瓷環(huán)的一端產(chǎn)生的。這種陶瓷在加熱時(shí)，會(huì )從其分子晶格中釋放出氧，但不會(huì )破壞晶格的完整性。陽(yáng)光通過(guò)一個(gè)窗子聚焦在反應室較熱的一側，將環(huán)加熱到1500℃，導致陶瓷的晶格釋放出氧原子。隨著(zhù)環(huán)的旋轉，熱的部分漸漸轉到反應室的后面，這里溫度降到1100℃左右，在這個(gè)溫度下，當室內充滿(mǎn)CO2時(shí)，失去氧的陶瓷就會(huì )和CO2分子發(fā)生反應，為的是將其分子晶格中丟失的氧原子再奪回來(lái)，這樣一來(lái)，CO分子就產(chǎn)生了。隨著(zhù)環(huán)的繼續旋轉，再氧化的部分又回到了反應室較熱的一端，于是，循環(huán)再次開(kāi)始。
CR5最初是為了制氫而研究出的一種方法，不過(guò)，制氫利用的是冷卻室里的蒸汽而不是CO2，但是，這種方法的發(fā)明者里奇·戴弗估計，裂解CO2將需要一個(gè)更有效率的捕捉太陽(yáng)能方式。想要燃燒利用在太陽(yáng)能反應器中形成的一氧化碳，至少需要給出10%的能量來(lái)生產(chǎn)它。所以，在今年4月，戴弗和他的同事要用一個(gè)原型反應器來(lái)試驗他們的預測。他們已經(jīng)計算出，這個(gè)裝置每小時(shí)能產(chǎn)生100噸的CO。
改良燃料電池
意大利墨西拿大學(xué)化工和材料工程系的加布里耶勒·山悌將這種用太陽(yáng)能來(lái)轉化二氧化碳為碳基燃料的想法進(jìn)一步發(fā)展了。不過(guò)，他不是制備CO，而是做出了更有用的東西——一種能夠產(chǎn)生像壬烷和乙烯等(目前多是從石油中提取的、制造塑料的重要化學(xué)原材料)烴分子的電化學(xué)電池。
山悌的電池可算是那種靠氫或甲醇和氧發(fā)生反應產(chǎn)生電力的燃料電池的遠親，不過(guò)，其化學(xué)反應是可逆的。在電池的一端有一種二氧化鈦作為催化劑，會(huì )促使接受光子的水分子裂解，產(chǎn)生氫離子和氧氣。當氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜遷徙到裝有包含鉑納米管催化劑的電池另一端時(shí)，催化劑促使二氧化碳發(fā)生產(chǎn)生烴的化學(xué)反應。
目前，這些烴燃料電池所產(chǎn)生的能量尚不超過(guò)它們所接收到太陽(yáng)能的1%。山悌說(shuō)，這可能不算太高，但比植物通過(guò)光合作用獲得的能量轉化率高，而且人們還有改進(jìn)催化劑的空間。
埃倫·斯泰切爾是圣地亞燃料能源轉化部門(mén)的經(jīng)理，她估計，要讓足夠量的CR5工廠(chǎng)給一億輛家用汽車(chē)提供合成汽油，則需要大約有5800平方公里的土地。她說(shuō)：“這個(gè)數字實(shí)際上并不是很大�！弊罱诿绹髂喜�7個(gè)州所做的調查顯示，大約有135000平方公里的適用地都可以加以利用。斯泰切爾說(shuō)：“這些土地別無(wú)他用�！�
相反地，生物燃料卻要和糧食作物競爭土地資源。此外，斯泰切爾還稱(chēng)，生物燃料中實(shí)際可獲得的太陽(yáng)能比例更是少得驚人，如果你算上灌溉、收獲、運輸和加工等耗能過(guò)程，其太陽(yáng)能的利用率只有0.1%。
為了充分利用可利用的土地，詹森建議將LARE的碳捕捉器與發(fā)電站聯(lián)合起來(lái)，這樣就能用上反應器本身的熱損耗。他估計這種聯(lián)合的裝置能將48%的太陽(yáng)能轉化為可利用的能量。
隨著(zhù)原油和天然氣越來(lái)越昂貴和短缺，石油化學(xué)公司對尋找可替換石油的新原材料的興趣越來(lái)越大。假如在價(jià)格上有競爭優(yōu)勢，有一天，由工業(yè)廢氣二氧化碳制造的烴，也有可能用作生產(chǎn)塑料或其他產(chǎn)品。那么，這些碳將不再直接排放到大氣中，而是將在材料中固定若干年。到那個(gè)時(shí)候，二氧化碳分子的惡名也就被撥亂反正了。 文/呂靜 ★
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