一、前言

        在2008年全球金融危機(jī)和2009年哥本哈根世界氣候會(huì)議后，建立環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型經(jīng)濟(jì)體系，已進(jìn)一步成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展堅(jiān)定不移的方向。根據(jù)荷蘭環(huán)境評(píng)估局計(jì)算，2007年世界二氧化碳總排放量為276億噸，中國(guó)為67.2億噸，遠(yuǎn)超美國(guó)的59億噸。我國(guó)每年消耗煤炭30億噸左右，大多數(shù)作為電廠燃料。雖然我國(guó)政府制訂了嚴(yán)格的單位GDP能耗下降指標(biāo)，但隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，能源消耗必將繼續(xù)增加，這意味著二氧化碳排放量的繼續(xù)增加?，F(xiàn)有的各種減排技術(shù)和措施無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。

        我們提出的“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”的研究計(jì)劃是以前瞻性的科學(xué)研究和先進(jìn)的技術(shù)手段為基礎(chǔ)，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展尋找出路?！盎诙趸嫉囊惶蓟瘜W(xué)”抓住了碳元素在自然界和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位，解決資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、與可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展這一中心問(wèn)題。這一研究計(jì)劃的實(shí)施有可能減少一半的煤炭、石油、天然氣的消耗，對(duì)節(jié)能、減排、環(huán)保和工農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要意義，提高中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展效益。

        二、什么是一碳化學(xué)？

        一碳化學(xué)的研究對(duì)象是分子中只含一個(gè)碳原子的化合物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷、甲醇等。在以石油、天然氣為基本原料的化學(xué)工業(yè)里，甲烷是一碳化學(xué)的起點(diǎn)。在以煤炭為基本原料的化學(xué)工業(yè)里，一氧化碳是一碳化學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。一碳化學(xué)研究是從這兩種原料出發(fā)，生產(chǎn)其他化工原料和產(chǎn)品的方法。
        鑒于我國(guó)缺油、少氣、富煤的自然環(huán)境，煤炭是化學(xué)工業(yè)的主要原料，故狹義的一碳化學(xué)就是指一氧化碳化學(xué)，或稱合成氣(CO+H2)化學(xué)。利用合成氣能夠生產(chǎn)的化工產(chǎn)品不下30～40種。由于我國(guó)煤炭資源比較豐富，探明儲(chǔ)量為6000億噸，煤炭不僅是我國(guó)主要的能源物質(zhì)，而且是我國(guó)化學(xué)工業(yè)的重要原料?；谝谎趸嫉囊惶蓟瘜W(xué)研究在我國(guó)已有良好基礎(chǔ)。
        本文提出的“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”是研究以二氧化碳為基本原料，生產(chǎn)其他化工原料和產(chǎn)品的方法。

        三、為什么要研究“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”？

        一般認(rèn)為，二氧化碳是燃燒的最終產(chǎn)物，呈化學(xué)惰性，作為廢物排放大氣，從來(lái)沒(méi)有過(guò)工業(yè)化的大規(guī)模利用的先例。21世紀(jì)以來(lái)，由于人類長(zhǎng)期以化石燃料（煤、石油、天然氣）為主要能源，二氧化碳在大氣中的積累造成地球的溫室效應(yīng)嚴(yán)重地影響著全球氣候，導(dǎo)致溫度上升，自然災(zāi)害頻發(fā)。減少二氧化碳的排放、保護(hù)地球環(huán)境已成為全人類的共同呼聲，也是今后中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的唯一方向。
        迄今為止，世界上各種減排措施和技術(shù)中，燃煤電廠的二氧化碳捕捉技術(shù)是最有效，也是最根本的方法?；鹆Πl(fā)電廠排放的二氧化碳占世界排放總量的40%，在我國(guó)占80%以上。目前，各國(guó)的二氧化碳捕捉技術(shù)已接近成熟。下一個(gè)研究課題是：如何處置捕捉到的二氧化碳？當(dāng)前世界上已經(jīng)提出的處置方法是把二氧化碳固化后存放于海洋深處，或注入到廢棄的天然氣井。如此處理不僅使二氧化碳減排成為一個(gè)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而且破壞了碳在自然界中的正常循環(huán)，可能會(huì)帶來(lái)新的環(huán)境問(wèn)題。對(duì)我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家是萬(wàn)萬(wàn)不可行的。
        我們提出的“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”的研究課題就是為捕捉到的數(shù)以億噸、10億噸計(jì)的二氧化碳尋找出路，目標(biāo)是以二氧化碳為基本原料，生產(chǎn)各種基本化工產(chǎn)品、化肥、煤氣、冶金產(chǎn)品。從原理上講，有可能減少一半的化石燃料消耗量。

        四、“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”的基本原理和可行性分析

        二氧化碳在大氣中的比例僅為0.035%，世界上沒(méi)有像煤炭和石油、天然氣那樣集中的天然二氧化碳資源。我們提出的“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”是建立在二氧化碳捕捉的基礎(chǔ)上，它把能源工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、化肥工業(yè)等聯(lián)合起來(lái)，形成一個(gè)資源節(jié)約、環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展的體系。“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”與“二氧化碳捕捉技術(shù)”的實(shí)施是互為因果、密不可分的。沒(méi)有“二氧化碳捕捉技術(shù)”，“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”就沒(méi)有了存在的基礎(chǔ)；沒(méi)有“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”，“二氧化碳捕捉技術(shù)”就是賠本的買賣?！盎诙趸嫉囊惶蓟瘜W(xué)”可以分為兩個(gè)基本分支，一是二氧化碳的直接利用，二是二氧化碳的間接利用。
        4.1 二氧化碳的直接利用
        可以直接應(yīng)用二氧化碳的工業(yè)部門有：
        ● 化肥工業(yè)，生產(chǎn)尿素和碳酸氫銨；
        ● 純堿工業(yè)，生產(chǎn)Na2CO3和NaHCO3；
        ● 甲醇工業(yè)，生產(chǎn)H3COH；
        ● 甲酸生產(chǎn)，生產(chǎn)HCOOH。
        我國(guó)年產(chǎn)2000萬(wàn)噸以上的化肥，生產(chǎn)的大部分是氮肥，可以大量利用捕捉到的二氧化碳。但以上工業(yè)部門最多只能利用數(shù)千萬(wàn)噸的二氧化碳，無(wú)法消化數(shù)以10億噸計(jì)的二氧化碳。
        4.2 二氧化碳的間接利用
        二氧化碳的間接利用是指把二氧化碳CO2轉(zhuǎn)化成一氧化碳CO，再用于生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品。它是“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”的核心內(nèi)容。已經(jīng)提出的二氧化碳轉(zhuǎn)化方法有兩種。第一種是在光源的作用下，把二氧化碳直接分解為一氧化碳和氧氣，用化學(xué)方程式表示為

        該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的完全循環(huán)利用，缺點(diǎn)是技術(shù)上比較困難。美國(guó)核安全局的桑迪亞(Sandia)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的奇•戴佛發(fā)明的CR5裝置以聚焦太陽(yáng)光源的方法實(shí)現(xiàn)了以上反應(yīng)。但這一方法的實(shí)施，估計(jì)還需要10到15年。
        第二種轉(zhuǎn)化方法是把二氧化碳吹到炙熱的碳上，轉(zhuǎn)化為一氧化碳，簡(jiǎn)單表示為

        該方法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)上簡(jiǎn)單可行，但需要補(bǔ)充熱量和碳源。一種簡(jiǎn)單有效、不用煤炭加熱的辦法是用聚集太陽(yáng)光的熱量來(lái)促使以上反應(yīng)發(fā)生。如何經(jīng)濟(jì)、有效地實(shí)現(xiàn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化，是“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”成敗的關(guān)鍵所在。
        由于一氧化碳是基于煤炭的一碳化學(xué)的基本出發(fā)點(diǎn)，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳后，已有的各種一碳化學(xué)的研究成果都可以轉(zhuǎn)化到“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”中，涉及到40多種化工產(chǎn)品。通過(guò)二氧化碳捕捉技術(shù)捕捉到的二氧化碳可能數(shù)以10億噸計(jì)，轉(zhuǎn)化的一氧化碳量十分巨大，不僅可以用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，而且可以用于冶金、發(fā)電、民用煤氣和汽車燃料等。從原理上講可以降低煤炭、石油、天然氣消耗量的一半。
        4.3 “基于二氧化碳的一碳化學(xué)”在可循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的地位
        已有的基于煤炭和甲烷的一碳化學(xué)僅限于化學(xué)工業(yè)部門，而“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”大大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍，把能源工業(yè)與化學(xué)工業(yè)聯(lián)合在一起，并與冶金、化肥、民用煤氣、汽車燃料工業(yè)有密切聯(lián)系，形成了一個(gè)巨大的，可循環(huán)的工業(yè)體系。“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”在這一體系中占據(jù)核心地位。
        與“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”有關(guān)的工業(yè)部門和相互的關(guān)系如上頁(yè)圖中所示。在圖中表達(dá)的體系里，“發(fā)電廠→二氧化碳捕捉→二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳→發(fā)電廠”，形成一個(gè)循環(huán)。在該循環(huán)里，僅在發(fā)電廠燃煤和二氧化碳轉(zhuǎn)化這兩個(gè)步驟需要補(bǔ)充部分煤炭燃料。“基于二氧化碳的一碳化學(xué)”在生產(chǎn)出各種化工產(chǎn)品、化肥、冶金產(chǎn)品、民用煤氣、汽車燃料的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了碳元素的循環(huán)利用，是一個(gè)資源節(jié)約、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的體系（見(jiàn)圖1）。

        五、結(jié)論

        “基于二氧化碳的一碳化學(xué)”是一個(gè)前瞻性很強(qiáng)的研究，在資源節(jié)約、環(huán)境友好、可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展體系中占據(jù)核心地位，關(guān)系到整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系的改革。該方法可以降低一半的碳資源消耗，解決了二氧化碳排放問(wèn)題，提高了經(jīng)濟(jì)體系的整體效益。希望有關(guān)部門認(rèn)清形勢(shì)，高瞻遠(yuǎn)矚，提早規(guī)劃，搶占先機(jī)。                             

責(zé)編/龐貝