國外研制太陽熱能電化學(xué)生產(chǎn)水泥工藝
雖然人為溫室氣體排放的最大來源是電力行業(yè)，但是，第二大來源就是常常被忽視的水泥行業(yè)，它占所有人為二氧化碳排放量的5-6%。每生產(chǎn)10公斤的水泥，水泥行業(yè)就會釋放9公斤的二氧化碳。世界每年消耗約3萬億公斤水泥，因此，這個(gè)行業(yè)最有可能減少二氧化碳排放量。盡管有些工藝正在進(jìn)行探索，可以封存水泥生產(chǎn)中的二氧化碳，但是，到目前為止，沒有工藝可以完全消除它。
傳統(tǒng)上生產(chǎn)石灰要采用石灰石，燃燒化石燃料，在脫碳過程中會產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)品。采用太陽熱能電化學(xué)生產(chǎn)工藝，太陽熱能用來加熱石灰石，促進(jìn)電解，可誘發(fā)不同的化學(xué)反應(yīng)，不會產(chǎn)生二氧化碳副產(chǎn)品。
要抓住這個(gè)機(jī)會，進(jìn)行改進(jìn)，有一個(gè)研究小組，來自弗吉尼亞州（Virginia）阿西布恩（Ashburn）喬治·華盛頓大學(xué)（George Washington University），他們已經(jīng)開發(fā)出一種方法，可生產(chǎn)水泥，沒有二氧化碳排放。此外，科學(xué)家們估計(jì)，這種新的生產(chǎn)工藝更便宜，勝過水泥行業(yè)現(xiàn)在使用的工藝。
他們的研究發(fā)表在最近一期的《化學(xué)通訊》（Chemical Communications）上，科學(xué)家們描述這種工藝，稱為“太陽熱能電化學(xué)生產(chǎn)”（STEP ：Solar Thermal Electrochemical Production）水泥，或斯太普（STEP）水泥。這個(gè)小組以前曾使用類似的斯太普工藝，進(jìn)行碳捕獲，有望減少大氣中的二氧化碳含量，使降低到工業(yè)化前的水平。
科學(xué)家解釋說，水泥生產(chǎn)過程中，60-70%的二氧化碳排放量的產(chǎn)生，是因?yàn)榘咽沂D(zhuǎn)換成石灰。這種轉(zhuǎn)換需要脫碳，或者說去除石灰石（碳酸鈣：CaCO3）中的碳原子和兩個(gè)氧原子，獲得石灰（CaO）和二氧化碳副產(chǎn)品。其余的排放來自燃燒化石燃料，比如用煤加熱干燥爐反應(yīng)器，產(chǎn)生脫碳過程所需的熱量。
這種太陽熱能電化學(xué)生產(chǎn)工藝解決了這兩個(gè)問題，首先是取代化石燃料熱源，采用太陽熱能。太陽熱能不僅直接用來融化石灰石，而且也提供熱量，促進(jìn)石灰石電解。在電解中，電流施加到石灰石上，會改變化學(xué)反應(yīng)，這樣，石灰石不是分解為石灰和二氧化碳，而是分解成石灰和其他一些混合的碳原子和氧原子，這取決于反應(yīng)溫度。當(dāng)電解低于800攝氏度時(shí)，熔化的石灰石會形成石灰和氧氣。當(dāng)電解高于800攝氏度時(shí)，產(chǎn)品是石灰、一氧化碳和氧氣。
“電解可改變反應(yīng)的產(chǎn)品，因?yàn)槭沂D(zhuǎn)換為石灰，”合著者斯圖爾特·利希特（Stuart Licht）說，他是喬治·華盛頓大學(xué)化學(xué)教授?！安皇钱a(chǎn)生二氧化碳，而是減少二氧化碳（增加電子），產(chǎn)物只有氧和石墨（可以直接存儲為固體碳）或一氧化碳燃料，塑料或藥品。這一成果，能耗低，產(chǎn)量高?！?/FONT>
分解后，碳原子和氧原子不再對大氣構(gòu)成威脅，這不同于二氧化碳。里希特解釋說，在更高溫度的反應(yīng)中，一氧化碳副產(chǎn)品可用于其他行業(yè)，如生產(chǎn)燃料、凈化鎳（nickel），生成塑料和其他碳?xì)浠衔铮╤ydrocarbons）。此外，一氧化碳的生產(chǎn)顯著低于市場價(jià)值，因?yàn)槭遣捎眠@種太陽能熱電解工藝。主要產(chǎn)品是石灰，不與其他副產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)，而是形成泥漿，就在容器底部，很容易移除。
“這項(xiàng)研究提出了一種低能耗的全新合成方法，可制成石灰，沒有任何二氧化碳排放，而且依靠的是熔鹽意想不到的溶解度屬性，”利希特說。“這種合成的完成，也可以不用太陽能，也不用我們的斯太普工藝，但是，特別有吸引力的地方，就是可以結(jié)合這項(xiàng)新的太陽能工藝。另外，這項(xiàng)新的合成技術(shù)可以用于工業(yè)中，生產(chǎn)水泥可以使用任何非太陽能的可再生能源或核能，沒有任何二氧化碳排放，或者說可以大大減少二氧化碳，只需使用化石燃料，促進(jìn)新的水泥生產(chǎn)（在后一種，也就是最壞的情況下，產(chǎn)品是石灰、石墨和氧氣；仍然沒有二氧化碳產(chǎn)品，但是，二氧化碳可用作能源，以促進(jìn)這一進(jìn)程）?！?/FONT>
據(jù)研究人員介紹，這一斯太普工藝可以實(shí)施，預(yù)計(jì)成本低于水泥行業(yè)現(xiàn)有的工藝。事實(shí)上，在計(jì)算一氧化碳副產(chǎn)品的價(jià)值時(shí)，石灰生產(chǎn)成本實(shí)際上是負(fù)數(shù)。研究人員的粗略分析表明，總成本中的石灰石材料、太陽熱能和電力，是每噸石灰173美元，再加上0.786噸一氧化碳（每噸石灰產(chǎn)生0.786 噸一氧化碳）。一氧化碳的市場價(jià)值是每噸600美元，或每0.786噸471美元。所以，售出一氧化碳后，石灰生產(chǎn)成本是 173 美元－471美元 =每噸－298美元。相比之下，傳統(tǒng)的方式生產(chǎn)石灰，成本是每噸70美元左右。研究人員強(qiáng)調(diào)，這樣分析是不全面的，但它表明了斯太普水泥的成本效益，這甚至還沒有考慮，很有價(jià)值的是消除了二氧化碳排放。
科學(xué)家補(bǔ)充說，這種斯太普工藝可以擴(kuò)展，超越水泥生產(chǎn)，進(jìn)行其他應(yīng)用，除把石灰石轉(zhuǎn)化成石灰以外，還可以凈化鐵和鋁；生產(chǎn)玻璃，造紙，制糖，用于農(nóng)業(yè)；清潔煙囪；軟化水；消除污水中的磷酸鹽。
研究人員的下一步挑戰(zhàn)，是升級這項(xiàng)工藝，進(jìn)行商業(yè)化。他們指出，蓋馬太陽能公司（Gemasolar）這家大型太陽能熱電廠已在運(yùn)作。其他太陽能熱發(fā)電廠也在跟進(jìn)，預(yù)計(jì)會減少用電成本。要保持穩(wěn)定運(yùn)營，熔鹽儲存熱能，可以使生產(chǎn)繼續(xù)進(jìn)行，就是在波動(dòng)的日照下和夜間也可以。另一個(gè)問題是找到足夠的碳酸鋰（lithium carbonate），用作電解質(zhì)，但是，這種金屬在斯太普工藝中并不消耗，因此也不是一項(xiàng)經(jīng)常性的成本。
“我們計(jì)劃升級戶外斯太普水泥原型，這一般需要增加各種有益的化學(xué)品，也都是我們新的太陽能工藝產(chǎn)生的，”利希特說?！澳繕?biāo)是取代今天的化石燃料經(jīng)濟(jì)，采用可再生的化學(xué)品經(jīng)濟(jì)。升級是一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然這個(gè)工藝是全新的，但是，個(gè)別組件（太陽能塔，24/7運(yùn)行熔鹽存儲太陽能）已經(jīng)到位。太陽能可以用來有效制備各種產(chǎn)品，不產(chǎn)生二氧化碳，而且太陽能效率高于光伏產(chǎn)品。”
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