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向二氧化碳要燃料,二氧化碳循环再使用或将落

2019-09-04 03:43栏目:新闻资讯
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美科学家展示二氧化碳循环器样 向二氧化碳要燃料

二氧化碳循环再利用或将实现

[科学时报 肖洁报道]全球变暖现在是世界各国都在考虑的大问题,很多科学家都在研究如何将二氧化碳封存,以减少其对地球环境的影响。不过,美国桑迪亚国家实验室的科学家们最近成功演示了一台样机,可以利用太阳能,将水和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳。这个“从阳光到汽油”的系统将帮助人们找到一个循环利用二氧化碳的好办法,将发电站和工厂排放的二氧化碳转化为汽油、柴油和航空燃料,其能量转换效率至少达到自然界光合作用效率的两倍。

2009年12月21日

美国麻省理工学院《技术评论》杂志日前报道说,今年秋天,桑迪亚国家实验室的一台手工制造的样机测试获得成功。“这是我们评估的第一台样机。”该机器的发明者——桑迪亚国家实验室的研究人员Rich Diver说。

近日,美国桑迪亚国家实验室的科学家成功实地测试了一台将火电厂排放的二氧化碳转化成喷气式发动机燃料、汽油、柴油等燃料的机器,该机器使用太阳能做为动力。

“目前看来,我们认为这是除封存二氧化碳以外的另一个选择。”桑迪亚先进材料实验室的化学工程师James Miller说。他的解释是,不用将二氧化碳泵入地下永久保存,充足的太阳能可以被用来获得“反向燃烧”,将二氧化碳变回一种燃料。“这一方法可以对煤厂、酿酒厂等集中排放源释放的二氧化碳进行高效利用”。

该机器呈圆柱形,有一个热室和一个冷却室,中间套有14个圆盘型的圆环。圆环的外边缘由氧化铁构成,用太阳能加热到2700℃时,该圆环会释放氧原子。当圆环以每分钟一圈的速度旋转时,会慢慢朝冷却室移动。科学家向冷却室中注入二氧化碳,与炽热的氧化铁反应形成一氧化碳。一氧化碳则被用来制造人工合成的液体燃料。

这个圆柱形的金属机器,被称为反转环接收反应换热器,依靠被聚焦的太阳能来引发一种富铁合成材料的热化学反应。根据设计,该材料在极高温条件下会放弃一个氧分子,而温度降下来时又会重新得到一个氧分子。

该装置由里奇·戴维尔2008年1月发明。但之前它仅限于在实验室中接受测试,真正的成功实地试验这还尚属首次。

该样机每一侧各有一个腔体。一边是热的,另一边凉一些。贯穿中间的是14个飞盘状的环,以每分钟一圈的速度旋转。每个环的外沿都由以锆基为载体的铁氧化合材料组成。科学家们使用一个太阳能聚集器来加热一侧的腔体至1500摄氏度,使得环一侧的铁氧化物放弃氧分子。当这一侧旋转到另一个腔体时,马上开始降温,二氧化碳也被泵入。这种降温过程帮助铁氧化物从二氧化碳中“偷”回氧,留下一氧化碳。这个过程不断重复,使得泵入的二氧化碳不断变成一氧化碳向外输出。

科学家为这台机器取名为“反向旋转圆盘接收反应堆蓄热器”,简称为CR5。因为在这一过程中二氧化碳被强迫与阳光反应,科学家将其称为“强迫式光合作用”。桑迪亚国家实验室的化学工程师詹姆斯·米勒表示,短期来看,该系统是二氧化碳封存的好选择,因为它能实现二氧化碳的循环利用,将从火电厂收集到的二氧化碳用来生产燃料,可谓是一举两得。但同时米勒也指出,该技术的缺陷在于,生成的合成气燃烧后最终产物同样是二氧化碳,所以并未从根本上减少碳排。尽管如此,研究人员还在坚持该技术的改进与推广,并预计在15到20年内能将其推向市场。研究人员希望能将这种强迫式光合作用的阳光利用率能比自然光合作用提高两倍,达到10%,但现在来看,想要达到该目标仍然任重而道远。

Miller说,这一过程也可以用来生产氢气,唯一的不同在于,往第二个容器内添加的不是二氧化碳,而是水。这两个过程分别得到的气体——氢气和二氧化碳混合后成为合成气,合成气可以被当做传统燃料的“简易替换元件”。

同时,研究人员列出了一些特别适合应用该技术的火电厂,它们都是美国目前碳排量最为严重的大型火电厂,包括位于乔治亚州、年碳排2530万吨的Scherer火电厂。

Diver最初设计这一机器时,脑子里想的是氢经济。他的想法是避免电解的低效率,建造一个太阳能热机,直接生产氢气和氧气,去掉电这个“中间人”。目前,日本、法国和德国的一些科学家还在继续沿着这一研究思路努力。

桑迪亚国家实验室该项目经理艾伦·斯德克尔说:“人类很早以前就已经知道,通过技术手段实现二氧化碳循环利用是可能的。但直到现在,还有很大一部分人认为从经济上看这不太现实。但同时,二氧化碳循环利用的前景却是十分诱人的,因为通过强迫式光合作用生产的液态烃燃料可与现有的汽油、石油基础设施很好兼容,并能被普通汽油发动机使用。鉴于这样的优点,我们不会放弃对它的研究。”来源:《中国能源报》

但是,桑迪亚国家实验室的科学家们很快意识到,相同的过程可以将二氧化碳变为一氧化碳。即使氢经济无法实现,他们仍然有办法制造出我们现在所依赖的传统燃料,而且这一办法还可以减少因煤和天然气的燃烧所带来的环境影响。

Diver说,目前他们面临的挑战是如何提高该系统的效率。如果桑迪亚实验室的研究团队可以实现更高的效率,“那将是非常重要的一步。”加拿大女王大学的Vladimir Krstic说。他是该校高级陶瓷和纳米材料制造中心的主任。

研究者指出,该技术大约还需要15到20年才能真正推向市场。在这期间他们的目标是每三年推出新一代的样机,不断提高能量转化效率以及降低成本。这也许可以寄希望于新的陶瓷合成材料的发展,这样的材料在较低一些的温度就会释放氧分子,使得更多的太阳能被转换成氢气或一氧化碳。

“我们的短期目标是将效率提高几个百分点。”Miller说,“它看起来可能只是很小的一个数字,但我们可以将它与光合作用相比较,光合作用在利用太阳能方面其实效率是非常低下的。”

据Miller介绍,光合作用的理论最高效率大约为5%,但实际上只能达到约1%。他相信,从太阳能到燃料的转换效率最终能够接近10%。“不过我们目前距离这一目标还很远。”Miller说。

《科学时报》 (2009-11-26 A3 技术产业)

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