同济大学金放鸣小组：化二氧化碳为“汽油”

水热反应：模拟自然过程 实现资源人造

利用水热反应技术，可以将二氧化碳转化为有机物，作为化工原料或为汽车提供燃料;也可将工厂废水中的高浓度难降解有机物转化成低级脂肪酸、煤炭等资源。这个想法听起来就让人十分向往，在国家自然科学基金和上海市科委“浦江人才计划”的支持下，同济大学碳资源循环技术研究所所长金放鸣正在努力将这些设想转变为现实。

把二氧化碳转化为“汽油”

“我的解决思路是让人们生产、生活中排放出来的二氧化碳循环起来，把它转化成人们可利用的资源。”金放鸣对《科学时报》记者说：“二氧化碳一直被视为引起地球温室效应的罪魁祸首，大家都想方设法节能减排，但节能减排做得再好，也不过比原来排放得少些，最终还是要排出二氧化碳的。我们现在所进行的研究，就是想找到一些成本较低、转化效率更高的新方法，将二氧化碳转化为可直接利用的有机物。”

金放鸣说，人类大规模使用矿物能源前，地球上的碳资源是和谐循环的，在空气、植物、水体和矿物中不断转化。近一个世纪以来，人类的工业活动破坏了这个循环，使矿物能源急速消耗。地球原本就有的二氧化碳循环功能被打断后，二氧化碳无法在整个地球生态系统中循环，才会成为温室气体。因此，除了减少二氧化碳的排放量，用科学技术重建地球的循环功能，或许是破解这一世纪难题的一条捷径。

“在实验室里，我们已经取得了非常理想的结果。我们在实验室内转化完成的有机物分离纯度很高，可能直接作为汽车燃料或化工原料来用。”金放鸣说：“常规的方法是利用微生物技术，将二氧化碳转化为有机物，但这个过程可能需要几天十几天时间，而且转化率很低;转化过程中所使用的催化剂也很昂贵，转化成本很高。这种新技术所需的反应条件十分温和，通常一两个小时就能完成一次转化。如果提高实验条件，转化速度还会更快些，甚至几分钟几秒钟就能完成一次转化。而且，我们最近的实验结果中，有70%～80%的二氧化碳都能转化成有机物。”

2007年，在教育部长江学者人才引进计划中，金放鸣被特聘回国，来到同济大学碳资源循环技术研究所，开始着手这方面的研究。因为这一领域的研究在国际上也是刚刚开始，而金放鸣在日本东北大学任客座教授时，一直从事这一领域的研究，在机理研究上有很好的积累。去年刚回国，她的这一研究思路就得到国家自然科学基金委员会的资助。今年年初，金放鸣的第一个国家自然科学基金项目——“二氧化碳资源化研究”就正式展开了。

奇妙的水热作用

“实现这一转化的过程并不复杂，和过去的一些常规转化技术相比，所用的转化设备并没有什么不同，主要是转化思路和技术手段有很大改进。”金放鸣说：“基本的实验装置就是将水灌进一个不锈钢容器中，通过加热营造出高温高压的水环境，将二氧化碳注入这一水环境中，能生成有机资源，然后再通过一些技术手段进行分离，就能得到液态或固态的转化成品，可用做化工原料或直接作为汽车燃料。这一技术完全成熟后，今后热电厂等大量排放二氧化碳的地方就可以配备这类装置，不但能生成新的能源，还可大幅减少温室气体排放。”

据介绍，石油、煤等矿物能源的形成，其主要原因就是生物质降到地下几千米处后，在地下高温高压条件下发生水热反应。在自然条件下，石油、煤等矿物能源需要几千万年才形成，因此被人们视为不可再生能源。其实水热反应速度非常快，可能在一瞬间就完成了，自然界中矿物能源之所以形成得那样慢，是因为生物质沉降到地下深处的时间极其漫长。

“水热反应不仅能实现二氧化碳到有机物的转化，还可以将有机质转化成矿物能源。对不同有机物质的转化需要设定不同的高温高压环境，一般来说，摄氏200～400度的条件下就能将秸秆变成醋酸、甲酸或乳酸。通过水热反应，生物质还可被转化成能直接利用的矿物能源，如煤炭。”金放鸣说。

金放鸣表示，从宏观上看，水热反应制取能源有望实现地球上碳资源的和谐循环。用人工合成的办法，把生物质快速转化为矿物能源，并把排放的碳收集起来，快速返还成生物质，这就有望恢复地球碳资源的和谐循环。

利用工业废水人造矿物能源

“我们以前在废水处理方面重视末端治理，忽视源头控制。这一导向有些偏差。国家投入了很多钱去搞太湖、滇池污染治理，钱没少花，但效果并不理想。有些污染对生态环境的破坏几乎是不可逆的，想重新恢复起一个健全的生态系统要花很大的代价。我认为治理江河污染最关键的方法是从污染源治起，从源头截住。”金放鸣说。

金放鸣回国以后发现，一些地方政府出于发展地方经济的考虑，多少会对当地的污染企业有些庇护，要让所有产生废水的企业都停止排放并不容易。去年，她的源头治理思路得到上海市科委“浦江人才计划”的资助。她同时又展开了高浓度难降解有机废水资源化项目的研究。这一项目的目标是模仿煤炭的自然形成，把造纸厂排出的废水转化为高附加值产物，如低级有机酸和煤炭。

金放鸣说，工业废水中的主要污染物是高浓度难降解的有机物，它们都是一些有毒物质，传统的处理方法是将有机物处理掉，将其转化成二氧化碳和水，或是矿化、过滤掉。但这种有机物也是一种资源。“在我之前的基础研究中发现，从机理上说，我们可以通过控制反应，使这些高浓度难降解的有机物转化成我们需要的资源，转化成工业原料或煤炭等矿物能源。”

据金放鸣介绍，在实验室条件下，她的团队已经做到将工业排放废水中的高浓度难降解有机物转化成化工原料，如一些低级脂肪酸等。现在虽然还没有转化出成品煤，但也有了研究思路。如果研究费用充裕、各种实验进展较顺利，大概两三年时间就可以将这一技术大规模推广利用。他们要进一步研究的是，在转化设备的投入上，朝着能够工业化生产的方向去做。就是进一步完善转化过程，找到更有效的转化条件、更低的转化条件要求和更便宜的转化成本，想办法让转化条件缓和一些。“因此，我们还有很多工作要做。”金放鸣说。