用二氧化碳取代原油

作者:Dominik Stephan,本文作者系PROCESS德文版编辑。 文章来源:PROCESS《流程工业》 发布时间:2016-09-26
未来将如何利用二氧化碳——二氧化碳这种造成温室效应的废气也能成为化工原料吗?全球的科研人员都在孜孜不倦地研究如何更好地利用这种气候杀手。现在,第一台利用二氧化碳作为原料的工业级生产设备已经诞生。

非常柔软、重量轻且有着多种用途的泡沫材料常常出现在我们的生活中。能生产这一材料,并不是科思创(Covestro)公司新装置投产引起轰动的原因。如果您去了德国勒沃库森,您将发现塑料化工正在迎来一个全新的时代。

在这里,出尽风头的原料是常常出现在负面头条新闻中的二氧化碳。在德国科隆附近的Dormagen,科思创开设了生产新型泡沫原料的工厂,而这种原料有20%是由二氧化碳制成的。较之传统的以石油为基础的原材料而言,这一全新的生产工艺大大节约了石油使用的比重,科思创相信这一新技术将为可持续发展提供了巨大潜力。

在德国Dormagen,科思创的新型泡沫原料厂生产出一种特殊的“聚醚多元醇”,其中有1/5来自二氧化碳。二氧化碳先是变成多元醇,然后化合成为聚氨酯泡沫,进而制造各种塑料。有了这项技术,就可以减少化石原料的用量。二氧化碳制造出的聚氨酯材料,最终被装在床垫和家具上。未来,它还会用于轿车、跑鞋、冷链和临时住房。有趣的是,科思创透露,二氧化碳制成的超轻聚氨酯泡沫保温材料,已被用在环球航行的“阳光动力号”飞机上,为驾驶员座舱提供所需强度,并隔绝外界的极端温度。

长期以来,“从烟尘里获得化学产品”一直被认为是一种科学幻想,但科思创公司致力于通过“梦想制造”计划将幻想变为现实。

早在科思创公司还隶属于拜耳集团时,他们就开始了二氧化碳利用的研究并积累了一定的经验。经过成功的测试后,科思创公司于2014年在多马根投资了1 500万欧元,建造了年产能5 000 t的生产设备。所使用的二氧化碳是来自相邻化学公司的工业废料。

二氧化碳利用的下一步

2016年6月,科思创开始了工业级规模的多元醇合成,利用二氧化碳中的“碳”制造一种新型的多元醇。这些多元醇是聚氨酯泡沫的核心构成部分,聚氨酯泡沫是一种在世界范围内众多行业广泛使用的多用途材料,也会在日常生活中经常遇到。通过化学反应,二氧化碳被结合到这种材料里。这一全新的、基于二氧化碳的多元醇化合物已初步设计为用于生产床垫和软垫家具所使用的软质聚氨酯泡沫。就质量而言,它至少达到了与只使用石化原料(即原油)的传统材料所制造出的产品同样高的标准。

“我们必须改变对二氧化碳的看法,我们也将做出改变。对这个时代面临的一些重大挑战而言,用二氧化碳作为原材料代替现有资源是一种解决方案。找到新的资源来代替有限的化石资源如石油和天然气等,实现资源环闭合。鉴于我们的创新工艺和Dormagen新工厂的正式生产运营,我们视自己为这一领域的先行者,这恰恰忠于我们‘开创精彩世界’的愿景。”科思创首席执行官唐佩德在工厂开幕式上表示。

该装置的关键设备是一台革命性的催化器:它把二氧化碳分子和环氧丙烷(PO)直接催化成烃链。项目负责人Carsten Malsch博士表示,为了使这两种物质能够在反应釜中进行反应,需要很高的压力和温度。二氧化碳在室温下呈气态,而环氧丙烷PO则在34℃时就已经沸腾。一旦开始了反应过程,则环氧丙烷的键合能足以保持反应继续下去,无需辅助添加热能。

平均三个环氧丙烷PO分子与一个二氧化碳分子相互键合。在生产出来的多元醇中加入生产泡沫塑料所需的异氰酸酯。多元醇链越长,聚氨酯泡沫就越软。虽然新研发的分子能够毫无问题地生产出PUR聚氨酯产品,但与石油化工原材料生产的聚氨酯产品相比,属于较硬的聚氨酯。

“我们用了40年的时间开发最合适的催化剂。与亚琛工业大学的密切合作使我们最终找到了合适的催化剂。”Malsch博士说道。科思创的科学家与来自亚琛CAT催化中心(与亚琛工业大学共同运营的一家研究机构)的专家携手合作,寻找能够促成二氧化碳发生化学反应的合适催化剂。亚琛工业大学校长Ernst Schmachtenberg教授补充说道:“有效地利用惰性二氧化碳分子是一项真正的科学和技术挑战。我们将以应用为中心的基础研究与基于研究的工业实践相结合,取得了突破性的进展。”

在所完成的各项试验中,研发人员对过渡金属元素,例如钴、锌、铬或者铝作为催化剂在二氧化碳聚合应用中的适用性进行了检验。由于在塑料工业企业中必须交替地使用长链碳氢化合物,避免形成环状的化合物,因此氯化锌催化剂在选择性和经济性方面具有优势。

Schmachtenberg教授认为,科研需要解决的是全球性的问题,并能针对这些问题给出答案。可持续发展是一个“破旧立新”的理念,让原材料“活”在一个连续的循环过程之中。年产5 000 t多元醇仅仅只是一个开始,如果基于二氧化碳的产品如预期一样在市场上炙手可热,科思创显著扩大生产将是可预见的未来。除了软质泡沫外,公司还致力于运用二氧化碳生产其他品类的塑料。科思创的愿景是希望有一天能最大程度上避免使用原油资源来生产塑料制品。

研究仍在继续

遍布各地的实验室也在进行着相关试验:2016年4月,生物技术公司Brain und Südzucker对外宣布利用二氧化碳为原材料的羧酸微生物合成技术已经取得了进展。该研究已经过实验室规模的初步尝试,正计划在FP战略联盟范围内的生物乙醇工厂中进行零碳水化合物的第二阶段试验。在这一阶段试验中,从二氧化碳中产生的中间产品,例如单羧酸或者二羧酸将被用于聚合物和塑料的生产。

甲酸也作为一种目标分子有着广泛的需求,因为它有着相对比较温和的反应条件(约30 bar,25℃)。目前,斯图加特大学和德国航空航天中心的科学家们以及Plinke公司的科研人员正在从事这一领域的研究。在这一项目中,科研人员把催化的微生物反应作为重点,目前已经能够利用每平方米电极完成1.5 kg/h二氧化碳的转换。

化工巨头巴斯夫公司也把自己的目光投向了有害气体利用。目前,这家集团公司在Acer项目的框架内致力于从二氧化碳中提取丙烯酸钠的工艺研发,以便从二氧化碳和环氧丙烷中生产出PPC聚丙烯。为了让这种产品更快进入市场,巴斯夫与工业企业和科研机构密切合作,开发出了PPC聚丙烯、PHB聚丁酸和聚乳酸的新工艺和新方案。

这些工艺技术有多“绿”?

现在的工业生产是碳中性的吗?不全是。虽然借助于二氧化碳的利用可以帮助我们少用一些石油,但要完全放弃使用化石燃料是不可能的。那么,面对德国化工企业每年从烟囱中排出的总量约7 000万t的二氧化碳,绿色工业又能做些什么呢?

亚琛鲁尔工业大学的计算得出了积极的结果,在整个寿命周期内,“梦想制造”生产过程中所消耗的能源比传统的石油生产过程更加环保。得益于催化剂和其剩余的石化原料所含的巨大能量,不需要消耗额外的能量,就能使具有低反应性的二氧化碳发生化学反应。年产5 000 t并不是较多的产量,但它却是前进道路上最重要的一步。

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