進入21世紀以后, 現代工業飛速發展, 隨之而來的全球變暖、資源危機、水資源短缺和環境污染已經成為人類生存面臨的幾大首要問題[1]。其中全球變暖帶來的海嘯、暴風雪及低溫雨雪冰凍災害性事件在世界頻發, 冰川消融, 海岸線上漲, 可供人類和其他生物居住的地方越來越小, 全球變暖已經對人類甚至于整個地球生態系統造成了不可忽視的影響。人們認為全球變暖主要是由于人類對于森林, 草原等植被的破壞以及在生產生活中大量使用化石原料造成的[2]。植被遭到破壞使得大地過多地吸收了從太陽照射過來的能量, 導致氣溫升高;另一方面, 人類活動使得自然界的碳循環失衡, 化石燃料燃燒產生的CO2大量積累, 而CO2是最主要的溫室氣體, 這是氣候變暖的最主要原因[3]。
煤炭是我國的能源主體[4], 且在未找到合適的替代能源之前, 煤炭將在較長一段時間內繼續作為中國這個有著13億人口的國家的主要能量來源。煤炭在解決了能源問題的同時, 其燃燒產生的CO2也成為了我們目前需要解決的首要問題[5]。節能減排、綠色出行是現代生活的主題, CO2的捕集與再利用也成了科學家研究的熱門問題。
1 CO2捕集研究現狀
目前對CO2的研究主要集中在CO2分子的捕集、封存與釋放這幾個方面。其中對CO2捕集與封存的研究最為重要, CO2的捕集主要包括物理吸附法, 化學吸收法及生物捕集法。
(a) 物理吸收法
物理吸收法指用利用一些對CO2溶解度較大的溶劑在高壓低溫的條件下對CO2進行溶解吸收的方法。在吸收過程中不會發生化學反應, 在低壓高溫的條件下將CO2釋放出來進行再利用。
(b) 化學吸收法
化學吸收法是利用含堿或堿性溶液來吸收工業廢氣中的CO2, 將CO2分子轉化成CO32-, 再在高溫條件下將CO2釋放出來的方法。堿性溶液可以反復使用, 該溶液應對CO2具有較強的選擇性且不易揮發、毒性小和不易燃燒等特點。
(c) 生物捕集法
生物捕集法指在微藻等生物生長過程中將CO2作為唯一碳源, 使其在生長過程中將CO2捕集, 固定。藻類生物可以利用CO2快速生長并合成有機物, 受到國內外很多研究學者的關注[6]。利用微藻吸收CO2可固定大量工業廢氣中的CO2, 然后利用微藻產生的有機物來制備化工原料。這對于CO2減排、水資源與能源危機全球性問題的解決具有重要的潛在應用價值。
3 CO2在農業方面的應用
在解放初期之前, 人們一般認為CO2是一種利用價值較低的氣體。但是隨著經濟的不斷發展, 人口基數的不斷增大, 人們生活水平的提高, 同時國家科研力度的整體上升, 對CO2的利用也有了相當明顯的改善, CO2利用的年增長率為5%~8%, 體現在各個行業中, 工業中的CO2保護焊接, 制冷劑以及用于生產各類化工產品;農業中的殺毒劑, 植物的光合作用的利用等等, 大大的改善了人們的生活, 同時也體現了低碳環保循環利用的理念。下面我們將主要從CO2在農業經濟方面所帶來的好處入手剖析。
(a) 促進植物的生長
中國是一個農業大國, 從數量上來說, 中國擁有近8億的農民, 但是中國用占世界7%的土地養活了世界20%的人口。其次, 從歷史上來說, 中國至今就是一個重視農業的國家, 農業貫穿著中國整個歷史, 如何提高農作物產量一直是我們研究的話題。植物可通過其本身所含有的葉綠素進行光合作用, 進而將CO2轉變成碳水化合物, 提高植物的產量?，F如今我國的大棚蔬菜技術的推廣也已經證明, 在塑料大棚中注入一定濃度的CO2氣體, 可以加快植物的光合作用, 進而縮短植物的生長周期, 同時在產率方面提高10~20個百分點。據調查, 1t CO2氣體可以供應3.33hm2地的大棚使用25d左右[7]。
(b) 消毒殺蟲的作用
在CO2的環境中具有抗氧化作用和滅菌殺毒的作用, 尤其體現在可以完全抑制發霉。所以說CO2在蔬菜, 果品以及糧食儲存運輸中可以起到很好的保鮮保質作用。以前我們儲存糧食通常使用熏蒸劑, 而通過后期的研究我們發現CO2在儲存方面所體現的效果更加優良。美國的艾爾科大米公司進行的工業規模的實驗表明, CO2可以穿透裝有500t大米的儲存庫, 在通過注入CO224h之后發現, 進行實驗的大米中的成蟲死掉了99%[8]?，F如今世界各地廣泛使用CO2來代替熏蒸劑來儲存糧食, 這不僅體現了低碳環保的理念, 同時也在降低溫室氣體的排放方面體現了應有的價值。
4 CO2利用的農業經濟價值及前沿成果
CO2利用不好是溫室氣體, 利用恰當就是氣體肥料。植物在生長過程中吸收水和CO2, 并且通過光合作用將CO2中的碳轉化為葡萄糖, 這是世界上生命存在的基礎。植物進行光合作用的原料碳原子主要有兩個來源, 一是通過吸收空氣中的CO2, 二是通過根部吸收土壤中的碳酸氫根陰離子, 其中CO2的吸收占主要部分。我省是碳排放大省, 如何利用好CO2來造福農業是迫在眉睫的大事。據報道, 當溫室大棚內CO2濃度大于大氣中的2~3倍時, 大部分的蔬菜產量可以提高1倍[9]。利用CO2來發展富碳農業, 設施蔬菜產量可以大幅增加, 可以為全省帶來上千億元的經濟效益[10]。在當前我國大力發展綠色經濟的基調下, 利用CO2作為氣體肥料可以得到相關政策的大力支持。
因此, 要想利用好CO2必須得從CO2的吸附入手, 吸收工藝的水平直接影響到后續整個工程的成本和效果。目前對CO2吸附的研究層出不窮, 主要是通過固態胺的吸附。工業吸附劑必須具備以下5點要求:內表面積足夠大;具有良好的選擇性吸附作用;具有足夠大的吸附容量;具有良好的機械強度、熱穩定性及化學穩定性;來源廣泛, 價格低廉, 以適應對吸附劑的日益增長的需要。其中以乙醇胺 (MEA) 對CO2的吸收最為廣泛和深入[11]。在已知的研究進展中, 滿足以上五點要求的吸附劑少之甚少, 每一種有機胺都有自身的局限性, 如MEA解吸附的速率較慢, 對一些材料具有很強的腐蝕性, MDEA吸附速率較低等, 目前已知的單一胺吸附劑很難同時解決吸附速率和解吸附速率這兩個問題, 研究面較窄。但是對于混合胺溶液, 研究方向和體系就非常的廣泛了, 主要有MEA/MDEA混合胺溶液體系、MEA/DETA混合胺溶液體系等, 在MEA/DETA體系中, 對CO2的吸收率甚至高達72%, 并且解吸附的效果也很不錯。在未來有機胺吸附劑將主要集中在對混合胺溶液的研究上, 因此這種混合體系具有吸收量大, 吸附速率和解吸附速率高、能耗較低等優點。
近些年來實踐證明, 不管是在環境保護方面還是提升農業經濟效益方面, 施用CO2氣體肥料都發揮著越來越大的作用。它是一項投資少、效益高、原料廣、操作簡單的新技術, 目前在國內許多地方已經推廣使用開[12]。另外排放CO2較多的工業企業也可以使用CO2吸附技術, 捕集CO2所產生的成本將被向下游銷售氣體肥料的收入抵消, 同時也延伸了產業, 將企業減排的壓力化為經濟動力, 也大大地減輕了環境負擔。
摘要：隨著工業社會的發展, CO2的排放量不斷升高, 導致大氣中CO2的含量也隨之提升, 不管對經濟還是生態都造成了巨大的損失。近些年來科技發展日新月異, 導致我們對CO2也有了全新的認識, 特別是在農業方面的應用使得CO2變廢為寶, 由溫室氣體變成一種“氣體肥料”。要想利用CO2, 第一步也是最重要的一步便是對CO2的吸附, 目前對CO2的吸附方法有很多種, 主流還是用化學吸附方法, 即利用有機胺對CO2進行吸收。本文通過查詢大量文獻和研究, 系統地闡述了CO2的捕集技術及其給農業帶來的經濟效益。
關鍵詞：CO2,CO2捕集技術,農業經濟
注釋
1[1]IPCC Fourth Assessment Report:Climate Change.2007.
2[2]IEA (International Energy Agency) .How the energy sector can deliver on a climate agreement in Copenhagen.Special early expert of the World Energy Outlook 2009 for the Bangkok UNFCCC meeting.Oct, 2009.
3[3]吳兌.溫室氣體與溫室效應.北京:氣象出版社, 2003.
4[4]中國電力企業聯合會統計信息部.全國電力工業統計快報 (2008年) .2009.
5[5]白冰, 李小春, 劉延鋒, 等.中國CO2集中排放源調查及其分布特征[J].巖石力學與工程學報, 2006, 25 (S1) :2918-2923.
6[6]Mascarelli A L.Gold rush for algae.Nature, 2009, 461:460-461.
7[7]郭寶林.開發利用CO2資源提高企業經濟效益[J].燕山油化, 1984, (02) :142-146.
8[8]國外化工消息, CO2能使米蟲致死, 第24期 (1982)
9[9]程國媛.吃掉CO2農業大發展[N].山西日報, 2016-01-28 (C03) .
10[10]中國科學家建議回收CO2作肥料發展低碳農業[J].種業導刊, 2010, (02) :40.
11[11]史建公, 劉志堅, 趙良英, 張毅, 張敏宏.CO2有機胺吸收劑研究進展[J].中外能源, 2014, (09) :16-25.
12[12]王興才, 卜蕓華, 朱壽齡, 陳新建, 董樹貴, 王善芝.氣肥CO2的應用與經濟效益的研究[J].百泉農專學報, 1983, (02) :18-23.