“加滿”,如今已經成為有車一族的奢望,在加油站喊出這句話,就是最大的“凡爾賽”,不過本月4日的一則消息,卻讓很多人重新看到了希望,它的主角就是“二氧化碳制取汽油項目”。
據中國日報報道,中科院大連化物所物理所以及廣東珠海一家能源公司合作的項目,已經實現了年產能千萬噸。這一項目采用二氧化碳+氫制備汽油,生產出了符合國家標準的汽油,還在山東鄒城順利試開。
沒錯,二氧化碳此前也以這般驚世駭俗的姿態上過新聞,不過它們合成的是淀粉。用二氧化碳合成淀粉和汽油,在人類歷史上都是首次,它們真的能改變世界嗎?就“合成淀粉”來看,商業化的道路還很漫長,目前還只能停留在實驗室階段。
但“合成汽油”與“合成淀粉”還是不同的,中科院公布的信息中明確表示,它已經實現了年產千萬噸的量產。換而言之,“合成汽油”已經走出了實驗室,大規模推廣也并非不可能。那么,這項技術的具體細節是什么呢?它距離真正的大規模商用還有多久?
其實,對“二氧化碳”上心的并非只有中國科學家,日本和歐美的團隊都有不少自己的陳果。
日本和美國早就開始了“二氧化碳汽油”
準確地說,折騰二氧化碳最早的應當是日本科學家,德島工業技術中心的研究員山崎,早在2002年就提出了自己的思路。
碳、氧和氫元素是汽油中重要的組成部分,其主要是C5到C12烴類物質組成的混合物,此外還含有少量的硫等其他的化合物。山崎的想法十分簡單,那就是將二氧化碳作為主要原料,以鹽酸作為氫源,在鐵的催化作用下制備烴類物質。
他公布的反應條件為300攝氏度的高溫,以及100Mpa的壓強,鐵作為催化劑使得二氧化碳與鹽酸反應。不過,山崎在多次試驗后并未成功制備出烷烴類物質,他只得到了簡單的甲烷、乙烷、以及丙烷和丁烷等簡單的化合物。
雖然這幾種簡單的烷類物質的確與汽油有關,但它與組成汽油的烷烴還是存在巨大差異的。而且,山崎的實驗成本很高,要想推廣可謂是天方夜譚。但5年之后,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的兩位科學家,卻提出了全新的思路。
第一,利用濃碳酸鉀溶液將空氣中的二氧化碳吸收;
第二,用電解法將溶液中的二氧化碳析出,同時將水電解為氫氣與氧氣;
第三,將二氧化碳與氫氣合成更為高級的化合物。
就這種思路而言,的確是相當綠色環保的,日本和美國也投入了不少精力去研發。到了2016年的時候,喬治·歐拉團隊將這一思路付諸現實,并且榮獲了諾貝爾化學獎。
催化劑成為重中之重
二氧化碳是一種非常穩定的化合物,對于這種不活潑的物質,尋找催化劑無疑是重中之重,在歐拉·喬治團隊之前,日本的山崎通過二氧化碳與氫源進行反應,制備出了甲烷等結構簡單的物質,從打開了許多科學家的思路。
而美國的兩位科學家,又以全新的思路解決了氫源純度的問題,氫氣畢竟要比鹽酸更為合適。
由此催化劑就成為了大家的焦點所在,而喬治團隊將“二氧化碳變汽油推進了一大步”。
他們采用了催化劑用,成功地將二氧化碳反應成了甲醇燃料,轉化率達到了驚人的79%。也就是說,洛斯阿拉莫斯國家實驗室的思路是可行的,將二氧化碳反應為復雜化合物甚至汽油并非天方夜譚。喬治團隊正是憑此成果,榮獲了諾貝爾化學獎。
歐美和日本的團隊不斷地進行試驗,希望能夠提高生成物的純度,以此達到大規模商用的目的。
不過,這一問題始終困擾著外國團隊,因此“二氧化碳制備汽油”也只能待在實驗室中,這也是為什么,美日等國不斷地發布相關的消息,卻從未安置工業化設備進行投產。
而2017年,大連物化所與北京靈神星能源科技有限公司正式簽約,這算是該工藝邁向商業的第一步。該團隊使用了新型的Na-Fe3O4/HZSM-5多功能復合催化劑,其催化效果達到了驚人的進步。
首先,二氧化碳會在四氧化三鐵上被還原為一氧化碳,然后它再由碳化鐵轉化為阿爾法-烯烴。烯烴進入到酸性位置之后生成汽油的各種組成物質,最后再進行反應就能變成人工汽油了,這種方法極大地提高了反應效率。
不過,將二氧化碳制備成為汽油到底能不能大規模量產,目前只能說我國邁出了一大步。
人工汽油邁出量產第一步
雖然大連物化所與珠海的公司進行合作,而且還實現了年產量過千萬噸,但距離真正的商業化還有很大的距離。
按照當下的工藝,二氧化碳的分離成本、催化劑的成本以及氫氣制備的成本,都是商用化考量的第一指標。畢竟,如果人工汽油生產出來成本過高,想要大規模推廣根本是不可能的。
以標準化工藝的理想情況去計算,各項成本加在一起,一噸人工汽油的出廠價就超過8000元,而這遠遠大于傳統煉油廠生產出來的汽油。即便是油價持續上漲,也沒有達到如此高的價格,這顯然是很難讓大眾消費者接受的。
而且,鎘在混合催化劑中起到的作用也十分重要,它是整個工藝的核心所在。而這種金屬在自然界十分稀有,想要實現大規模運用難比登天,除非我們能找到替代物或者是實現人工合成。但就目前來看,世界上還沒有任何機構擁有這樣的能力。
由此來看,大連物化所取得的成就并非“劃時代”,它是站在日本和美國科學家的基礎之上的。我們目前最大的優勢就是實現了初步量產,而真正商業化還面臨很大的挑戰,成本和催化劑都是大問題。
“95加滿”,要想靠人工汽油來實現還不現實,傳統煉油仍舊是世界能源的主力,不過科技總是日新月異的,基本的原理掌握之后,商業化的瓶頸得到突破只是時間問題,如果這項技術真的成熟發展的話,那對人類的貢獻是不可估量的