第10章 大气污染防治领域的新进展(9)
研究人员表示，这种技术几乎不产生任何废物。而且相比于传统的冷却液和清洗液，二氧化碳还有成本低廉、不会燃烧、可以循环使用而且存量丰富等优点。该实验室的这项研究，最初是为了改进核武器项目中的干燥加工技术，这种技术可以帮助减少或消除实验室加工或清洗铀产生的带放射危害的废液。
目前，科学家正在逐步把这项技术的应用范围，扩展到传统加工业。据密歇根工科大学机械工程与工程力学系专家估计，美国工业界每年使用的金属加工油超过1亿加仑，同时使用的切割工作液更是数倍于此。试验表明，这项新技术表面抛光性能更高，切割工具的使用寿命更长，因而比传统于燥加工技术效果更好，成本更低。
据研究人员透露，该发明是基于该实验室此前的另一项发明，他们发明了使用液态二氧化碳，替代干洗业中的清洗液，这一方法现已在干洗业中广泛使用。
（2）开发出利用二氧化碳作溶剂的新模型铸造工艺。2011年1月，美国科学促进会报道，德国弗朗霍夫学会，环境安全与能源技术研究院的一个研究小组，正在开发一种新的模型铸造工艺，利用二氧化碳作为溶剂导入高分子材料，能塑造出从有色隐形眼镜到抗菌门把手等各种高科技产品。
研究人员表示，这种新型灌注方法，有很广泛的新用途。能定做高价值塑材和时尚产品如手机外壳等。此外，还可用于制造有色隐形眼镜，镜片中还能注入丰富的药物成分，在整个白天缓慢释放到眼睛里，作为一种可重复使用的眼药水替代品，治疗青光眼等病症。
新工艺的最大优点是，能在温度远低于材料的熔点时，把颜料、添加剂或其他活性成分，导入接近表面的夹层，比传统灌注工艺更加温和。而且二氧化碳不可燃，无毒且廉价。它有类似于溶剂的性质，却不会像一般颜料溶剂那样对人体健康和环境造成危害。
2.把二氧化碳用作空调的制冷剂
拟推出二氧化碳制冷剂车载空调。2004年8月，有关媒体报道说，在德国，今后车用空调将成为汽车的基本配置，也就是说，所有新出厂车辆均带有空调。
然而，有专家表示，车用空调的大量使用，会给生态环境带来令人担忧的后果。其理由是空调不仅多耗油、多排放废气，而且其制冷剂本身就是一种温室气体。虽然理论上讲制冷剂应在被密封的管道里循环，但实际上，在长期工作中总会有一部分泄漏出来。据统计，一辆汽车寿命完结前，其制冷剂R134a的损耗量为750克。此外，每年还有上百万辆的汽车出口到东欧或非洲，它们的制冷剂在其报废前后也会进入大气层。
那么，有没有现用制冷剂的替代产品呢？回答是肯定的。
环保拥护者和汽车制造商认为，从目前看，温室气体二氧化碳便是最佳的选择。现在，德国宝马、奥迪和日本丰田公司均准备把二氧化碳作为新一代制冷剂。专家认为，二氧化碳作为制冷剂，一方面对大气造成的危害小，另一方面对密封圈和软管的损伤也不大。即使是在汽车报废后，其制冷剂二氧化碳也可以直接排人大气。
试验表明，二氧化碳空调工作效率与R134a没有任何区别，且空调可以做得更紧凑。但这种空调器也存在着不足，它工作起来不如现有空调那么协调。因为它的制冷剂二氧化碳气体必须在140巴的压力下才能充分制冷。为此，汽车需要增加一台压缩机，而软管和密封圈均须采用能承受高压的材料。此外，汽车还须增加一个热交换器，否则室外气温高于30℃时便无法正常工作。
事实上，近几年，汽车供货商己经从技术上，解决了采用二氧化碳制冷剂空调的问题，如在软管及相关连接件外，加一层特氟龙涂层，就可以承受这一压力。预计至2007年，二氧化碳空调将可以上市。德国环境保护署的一项研究表明，德国现在就有能力生产二氧化碳空调。
但是，汽车制造商还有疑虑。尽管宝马和丰田公司目前手里都有样车，但是它们必须通过安全鉴定。只有这样，才能让汽车驾驶人安全驾驶和乘坐，没有任何隐患。目前，宝马汽车公司的工程师们，正在对二氧化碳空调是否能与气囊电子系统匹配问题进行试验，他们希望如果遇到车祸时，二氧化碳气体能自动排放掉。
欧盟在计划出台汽车制冷剂新政策的同时，仍允许在2007年前出厂的新车每年损耗40克R134a制冷剂，而R134a可以使用至2011年。现在，何时能出台正式规定还不清楚。但据悉，德国汽车制造商，将根据自己的情况，提前引入二氧化碳空调技术。这样，德国汽车可以提前占领不断增长的国际汽车市场。
据估计，目前，国际市场对二氧化碳空调汽车的年需求量约为5.5亿辆，30年后可达10亿辆。
3.把二氧化碳当洗涤用品使用
（1）推出二氧化碳干式洗净装置。2004年6月，日本推出新型二氧化碳干式洗净装置，可协助业者降低设备运转成本，还可将洗净剂回收循环使用，生产出高品质、高洁净度的产品，并能有效解决液晶面板在传统制程中需要大量水洗，费水而且产生污水处理的困扰，有助于高科技、光电产业的升级。
这款二氧化碳干式洗净装置，可由液化二氧化碳经过特殊设备，制作成3毫米以下的颗粒状干冰，利用喷射原理撞击被加工物，使黏附在工件上的污染质脱落，并由集尘装置收纳，另可搭配界面活性剂灵活运用，有效突破传统湿式洗净方式的缺点，使作业环境不再被污染，不再产生有机溶剂的化学异味，更不会产生破坏臭氧层、排污水等环保问题。
该设备设计轻巧、操作简单，洗净效率很高，尤其适合洁净度要求甚高的高科技设备内各类产品、塑胶元件、模型治具、机械零配件等使用。目前该设备已获日本电子产业、电路基板、精密机械等业界广泛采用。
（2）用液态二氧化碳洗衣物。2006年5月，德国《商报》报道说，一家德国工业气体制备公司，把液态二氧化碳运用于衣物干洗，还开设了运用这种新技术的洗衣店。
据报道，这是一种全新的干洗方式。店员首先把衣物放入可密闭的洗涤箱，抽出箱内空气直至形成真空，然后注入液态二氧化碳，添加特制的可降解洗涤剂。在滚筒转动的过程中，液态二氧化碳渗入纺织品纤维，吸附并除去油脂及其他污渍。
洗涤结束后，设备通过蒸馏、提纯，把二氧化碳从污物中分离出来，并将其存入储存箱。整个过程中，仅有约2%的二氧化碳挥发到空气中，其余98%可循环再利用。
该专利不久前由德国林德公司从一家美国公司购进。林德公司表示，与普通干洗使用的全氯乙烯洗涤剂相比，液态二氧化碳更加健康环保。
4.利用二氧化碳制造塑料
（1）用二氧化碳制造塑料包装材料。2004年12月，美国媒体报道，一个由美国高分子专家牵头组成的研究小组，研制成一种新型塑料包装材料，它具有玻璃般的透明度和不透气性。所使用的原材料，是广泛存在的二氧化碳。
研究人员表示，二氧化碳的化学性质稳定，单一的二氧化碳是不能制造任何塑料的。他们采用了一项新技术：通过特殊的锌系催化剂，把二氧化碳和环氧乙烷（或环氧丙烷），按同样的数量混合，从而制成具有新特性的塑料包装材料。
研究人员说，这种新塑料包装材料，类似于聚碳酸酯和耐纶酰胺纤维树脂，在240℃的温度下，就会完成热分解而气化。同时，它还具有生物分解的性能，埋在土里几年时间，就可以完全消失，不会污染环境。
（2）研究把二氧化碳转化为塑料原料。2008年4月15日，德国媒体报道，德国亚琛工业大学研究人员托马斯·米勒，代表其领导的研究小组在美国化学协会年会上介绍说，德国正在研究将发电厂排放的大量二氧化碳，转化成有用的塑料原料。
在处理影响全球气候变暖的温室气体二氧化碳问题上，迄今研究的重点，都放在把二氧化碳如何储存于地下。米勒研究小组提出了一个不同的思路，即把二氧化碳转化成塑料原料，用于生产饮料瓶、DVD光碟和其他有用的塑料制品。
米勒认为，把气候保护与塑料生产结合起来，比单纯地把二氧化碳储存到地下有意义得多。目前，米勒研究小组，已在亚琛工业大学建立了一个催化剂研究中心，并和位于勒弗库森的德国拜尔化学公司合作，共同研究如何从二氧化碳中，生产廉价的聚碳酸MIS塑料。聚碳酸酯塑料是生产塑料瓶、DVD光碟和镜片等塑料制品非常普遍的原料，每年全球的需求量达数百万吨。因此，如果能够研究成功，从二氧化碳廉价生产聚碳酸酯的工艺，其应用前景将非常广阔。
米勒认为，虽然利用二氧化碳生产塑料原料并不能完全解决全球气候变暖的问题，但对减缓气候变暖会有很大的贡献。米勒同时也表示，这项工艺的研究也并非很容易，因为二氧化碳是非常稳定的化学分子，要使其发生化学转化，本身就要消耗能源，另外还需要研究特殊的催化剂，估计至少还需要数年才能进入工业化应用。
（3）成功合成以二氧化碳为原料的新型塑料。2014年3月，日本东京大学研究院野崎京子教授主持的一个研究小组，在《自然·化学》杂志网络版上发表研究成果称，他们成功合成了一种以二氧化碳为原料的新型塑料。这种塑料中的二氧化碳含量比例较高，有望为提高二氧化碳利用率、减少温室气体排放做出一定的贡献。
二氧化碳是能够廉价大量获得的碳资源，虽然研究人员此前也曾合成以二氧化碳为原料的塑料，但其中二氧化碳的含量比例很低，这些塑料在燃烧时会产生有毒的氮氧化物气体，而且其耐热性不强，在接近室温的条件下其硬度就会出现很大变化。
研究人员说，他们把二氧化碳与作为合成橡胶原料而大量生产的丁二烯组合在一起，利用钯催化剂和自由基聚合反应，制造出一种新型塑料。
这种塑料呈粉末状，熔化后可延伸成透明片状材料，即使燃烧也不会产生氮氧化物。该塑料的二氧化碳含量比例高达29%，即使在高温下它也不易变形，其分解温度最高可达340℃，熔化后可注塑成型。
研究小组认为，由于这种新型塑料硬度较高，因此用途广泛，可用于制造塑料箱、薄膜等。今后通过扩大产量和改良生产工艺，有望廉价生产这种塑料，还有可能利用火力发电站等产生的二氧化碳制造这种产品，从而实现减少温室气体的排放。
5.运用二氧化碳制造化工产品
（1）尝试用水和二氧化碳合成甲酸。2011年9月，日本丰田中央研究所的一研究小组，在《美国化学学会杂志》上报告称，他们以水和二氧化碳为原料，利用普通太阳光，尝试合成有机物甲酸。甲酸又称蚁酸，主要存在于蚂蚁等昆虫的分泌液里，在化学工业中被用作还原剂。
研究人员说，他们先在能够吸收阳光的磷化锢半导体上，涂抹上稀有金属钉，制成二氧化碳还原光催化剂，然后与氧化钛光催化剂组合在一起，中间放置一层质子交换膜，制成一套光触媒组件。
通过这一组件，研究人员首先利用太阳光和氧化钛光催化剂分解水，产生氧和氢离子，氢离子通过质子交换膜后，二氧化碳还原光催化剂在太阳光作用下发挥催化作用，使氢离子和二氧化碳最终合成为甲酸。研究人员表示，目前这项新技术要达到实用化程度还有相当距离。
（2）用海水中二氧化碳与氢气合成液态烃及燃油。2014年4月，美国海军研究实验室表示，经过多年研究，他们已开发出一种利用海水所含成分，合成燃油的示范性技术，并成功让一架模型飞机，依靠这种燃油起飞升空。
据研究人员介绍，海水无法直接转变成燃油，但海水所含的二氧化碳和氢，可成为制油的原料成分。他们研发的示范性技术分为两个过程：首先是从海水中获取二氧化碳与氢气，然后需利用金属催化剂，把二氧化碳和氢气合成为液态烃。这样，以液态烃为原料进一步就可以制成燃油。
燃料专家解释说，海水含有大量二氧化碳，其浓度是空气二氧化碳浓度的140倍，其中2%～3%的二氧化碳，以溶解形成碳酸的形式存在，1%以碳酸盐形式存在，其余96%～97%以盐酸氢盐形式存在。研发人员用一种电化学酸化电池，只消耗很少的电量，在阳极把海水酸化，然后与碳酸盐和盐酸氢盐反应，释放其中的二氧化碳并加以收集。与此同时，电池阴极则有氢气产生。
在获取二氧化碳和氢气后，研究人员利用铁基催化剂，把上述两种气体，转化为有9～16个碳原子的液态烃，这种物质可用来制造燃油。美国海军研究实验室表示，该技术无须另外添加化学物质，因此也不会有额外污染。不久前，使用这种燃油的模型飞机顺利升空表明，该燃油有替代现有航空燃料的潜力。
美国海军研究实验室，化学家希尔特尔·威劳尔在一份声明中说，这是一项“变革性”的技术，有可能在7～10年内实现商业化利用。据估算，这种新型燃油的生产成本，在每加仑（美制1加仑约合3.785升）为3～6美元。