第8章 大气污染防治领域的新进展(7)
（9）用地下封存二氧化碳技术推动油田重生。2012年5月16日，《日本经济新闻》报道，在二氧化碳回收和储存技术方面，以三菱重工为首的日本企业，已经掌握世界市场的主导权。正在研发的二氧化碳地下封存及有效利用相关成套设备，有望使老油田获得重生。
老油田留有很多高黏度原油，注入二氧化碳促进其流动，能使油田继续产油，如岩石下存在油层，注入二氧化碳后会加大压力，从而提高生产效率。
三菱重工瞄准全球市场，1990年后期，开始启动在挪威和北美等地的二氧化碳地下封存项目，在美国阿拉巴马州的封存项目，马上就要动工，向老油田注入二氧化碳的需求，在中东和北非地区呈上升趋势。
第三节 温室气体综合利用的创新进展
一、温室气体资源化利用的新成果
1.二氧化碳资源化利用的新进展
（1）把二氧化碳转变为可用的碳资源。2011年1月，日本东京工业大学教授岩泽伸治等人组成的一个研究小组，在《美国化学学会会刊》上发表论文称，他们开发出一种新技术，使二氧化碳能转变为用于合成塑料和药物的碳资源，从而变“害”为宝。
二氧化碳的化学性质非常稳定，不容易与其他物质发生反应，因此在工业领域仅用于生产尿素和聚碳酸酯等。同时，二氧化碳是一种温室气体，许多人对它没有什么好印象。然而，岩泽伸治研究小组却发现，碳化合物经过处理后，可以与二氧化碳结合，形成新的碳物质。
研究人员向与铑结合在一起的碳化合物中，加入铝化合物，使碳化合物中碳氢结构变得容易断开，从而能够与二氧化碳结合在一起，形成新的碳物质，这种物质用处很大，能够用于合成塑料和药物。比如用乙烯（一种碳化合物）与二氧化碳反应结合后产生的物质，可合成制造树脂用的丙烯酸。研究人员说，这不仅有效利用了二氧化碳，还可减少石油产品的使用量。
（2）用微生物把二氧化碳转化为工业原材料。2012年2月，有关媒体报道，德国能源公司与生物技术公司合作，开发二氧化碳微生物转化技术取得阶段性成果。
研究人员对从德国生产的褐煤发电厂烟道中采集到的3000多种微生物，进行了实验研究，初步确定1000多种具有所需要的功能，再从中筛选出29种能高效转化温室气体并具有良好成长性的微生物。
根据基因鉴别结果，其中有10种是新发现的微生物，这些微生物具有特殊功能，可以“吞噬”火力发电厂烟气中的二氧化碳，而且自身可以在60℃的环境温度中生长。利用这些微生物开发的二氧化碳处理技术，可将烟气中的二氧化碳转化成生物质，或者直接转化为工业原材料，如生物塑料、化学中间体等，对其进行深度开发可生产出建筑及保温材料、精细化工产品及大宗化工产品。
合作双方对已取得的成果非常满意，将继续合作实现该项技术的工业规模应用，为实现二氧化碳气体转化提供一种可持续发展的新技术。
（3）认为二氧化碳资源化是最具潜力的技术。2012年4月29日，《加拿大商报》报道，加拿大科学家们越来越对二氧化碳资源化利用产生兴趣，认为是最具潜力的新技术。随着人类对全球气候变化的关注，科学家正在通过各种方法利用二氧化碳，二氧化碳资源化将很快成为最具潜力的新技术。
在人类应对全球气候变化中，多数措施是减少排放。另一种思路是，把产生的二氧化碳转变成一种新的资源。例如，以纳米结构的材料为基础制成新型催化剂，把二氧化碳转变成烃类和其他含碳分子。这种催化剂，就可以在化学工业中充当清洁剂的作用。在石化行业中，使用催化剂进行二氧化碳处理，无论从资金还是技术上讲，都是比较容易接受的技术。
2.甲烷资源化利用的新进展
（1）煤田着手回收利用甲烷为主要成分的煤层气。2005年1月，有关媒体报道，煤层气是很好的碳氢原料和载能体，回收后的煤层气可当作能源使用。如果任其排向大气，一方面会造成资源浪费，更重要的是煤层气的主要成分是甲烷，其温室效应比二氧化碳高得多，因而俄罗斯煤田着手对煤层气进行回收利用。
煤层气一般是通过抽气管道排出矿井的，只要在矿井里装上抽取回收设备，就可从空气中把它分离出来，并压缩利用。专家认为，利用煤层气发电有广阔推广前景，所产生的电能可用于煤矿生产或向外供应。除了发电，从煤矿抽出的煤层气在去掉煤颗粒和水分并提高浓度之后，可用于工业生产或居民采暖，也可用作汽车燃料。
俄罗斯库兹巴斯煤田利用煤层气的经验表明，从矿井回收煤层气的成本，只有煤开采成本的30%～35%，煤层气发电的价格费用要比煤电低得多。而且，由于煤层气燃烧比煤燃烧产生的二氧化碳少，用其部分替代煤炭进行采暖和发电不会产生太大的温室效应，因而除了能够改善地区生态环境外，还可减缓全球气候变暖的趋势。
（2）利用甲烷和空气混合物的瓦斯发电。2005年5月，国外媒体报道，每个石煤层都存在天然的甲烷和空气的混合物，这就是人们俗称的“瓦斯”。矿井瓦斯是有机物在约2.5亿年的碳化过程中形成的。这种无色无味的混合物虽然无毒，但当浓度在4%～16%之间时，却具有高度爆炸性。一提到瓦斯，人们自然会想到矿井爆炸，人员伤亡。德国老煤炭基地鲁尔区一家瓦斯利用公司，开发出一套能够利用瓦斯发电的新技术。他们生产的设备可以有效地把矿井内的瓦斯抽到地面，再把矿井瓦斯用作发电能源。
该公司负责人卡明斯基说：“这是一种减少环境污染，保护矿工生命安全的技术。”他指出，瓦斯虽然是可怕的矿井杀手，但同时也是一种非常洁净的能源，能带来可观的利润。把瓦斯变为再生能源，首先需要制造矿井瓦斯开采设备、矿井瓦斯预加工设备、燃气发动机，还要建造联合热电站。
煤矿瓦斯大部分从通风系统随主风机排出，瓦斯与风混在一起，其甲烷含量一般都低于1%，很难直接用作燃料。因此，该公司通过一台可调速的空气压缩机，对瓦斯进行压缩，然后使瓦斯在通常的气体内燃机中进行燃烧，内燃机带动发电机发出电能。在燃烧过程中内燃机的热量还被再次利用。输入的燃料能量中41%转变为电能，45%转变为热能。
德国的经验证明，利用瓦斯发电大有作为。煤炭中的甲烷含量，不是在所有煤层都一样。原则上，气煤和肥煤的甲烷含量，高于贫煤和无烟煤，其甲烷含量可达25立方米/吨，而30%含量的1立方米瓦斯，就可以发出1千瓦小时电。仅德国北威州的采煤区，每年利用瓦斯发电就达4亿千瓦小时。在萨尔州，有110千米长的矿井瓦斯网络，每年提供大量电能和热能。煤矿瓦斯发电除了可以解决瓦斯安全以外，还提供了双电源，当总电网出现问题时，瓦斯发电的电源还可以起作用。
瓦斯发电的另一个好处是减少环境污染。在很多国家，矿井的瓦斯被排出后，直接释放到大气中去，对环境造成严重污染。矿井瓦斯中天然形成的甲烷与二氧化碳相比，形成温室效应的潜力高23倍。所以对它的合理利用，对保护矿区地表，防止大气中产生导致温室效应的气体，尤其重要。一台发电功率为1350千瓦的矿井瓦斯设备，每年能减少约5.2万吨二氧化碳的排放，同时每年可节省超过10万吨的石煤，降低了对化石能源储备的消耗。
二、二氧化碳转化为能源的新进展
1.通过藻类或细菌为媒介把二氧化碳转化为燃料
（1）研制出“藻类农场”变二氧化碳为生物燃料。2006年10月，英国《新科学家》杂志报道，能源短缺和全球变暖，是当今世界面临的两个严重问题，有没有什么办法能够同时解决它们呢？美国研究人员正在尝试建设一种“藻类农场”，把最重要的温室气体——二氧化碳转变为生物燃料。
据报道，这种技术是美国马萨诸塞州的一家公司发明的，其核心装置是一些装满水的塑料容器，水中有大量绿色微藻。来自发电厂的废气输入容器，藻类吸取废气中的二氧化碳，利用阳光和水进行光合作用生成糖类，这些糖类随后经新陈代谢转变为蛋白质和脂肪。
随着藻类的繁殖，容器里的油脂越来越多。将这些油脂提取出来，利用一些现有技术就可制成生物柴油和乙醇。据报道，这家公司已经对此技术进行小规模试验，成功提取了十几升藻类油脂。
该公司计划于2009年，在美国亚利桑那州一座发电厂附近，建设一家“藻类农场”。公司负责人说，如果有足够多的藻类，来处理这座100万千瓦发电厂的全部废气，每年将可生产1.5亿升生物柴油和1.9亿升乙醇。
据估计，占地面积1平方千米的“藻类农场”，每年可处理5万吨二氧化碳。与其他生产生物燃料的方法相比，“藻类农场”所用的资源较少，它不需要占用可耕地来种植农作物，也不必使用淡水。不过，这种技术是否经济可行，还需要大规模试验验证。
（2）通过海藻吸收二氧化碳炼出“生态石油”。2007年6月，西班牙《世界报》报道，西班牙阿利坎特大学生物技术教授克里斯蒂安·戈米斯，与热力学工程师伯纳德·斯特洛索一起领导的一个研究小组，创办了一家生物燃料系统公司，他们利用绿藻生物，研制出能在不断循环中吸收二氧化碳的可再生“生态石油”。
报道称，研究人员挑选了大约30种绿藻生物，用太阳光、二氧化碳和少量的磷和氮，对它们进行培育。这种人工环境没有剧烈的气温变化，也没有洋流，绿藻的生长和繁殖过程大大加快。通常海洋环境中绿藻生物的集中程度为每毫升300个，但生物燃料系统公司的系统，可以把绿藻培育数目提高到每毫升2亿个。
把这样的藻类细胞个体装在特制的培养液中，每隔12个小时，这些个体就会一分为二。研究人员每天把培养液倒出一半，将倒出的液体经过离心后留下有机物质，再用水灌满圆桶，以便剩余的细胞个体继续繁殖。
分离后的有机物质呈糊状，用于提炼或者干燥碳化。每1公斤这种有机物质团，含有5700千卡热量，就像煤炭一样。它可以用来发电，而发电厂产生的二氧化碳，则可以用来培育在另一边工厂生长的“生态石油”，两者互相供应原料，互为补充。
斯特洛索表示，这个过程是对海洋中浮游植物群转换太阳能方式的模仿，海藻是不衰老的生物，因为它们会不停地生长。属于海洋浮游植物群的数万种藻类的结构中，有一半多是油脂。因为油的密度比水小，这样它们就可以漂浮在海面上获得更多的阳光，光和二氧化碳是它们进行光合作用的两种主要原料。
生物燃料系统公司现在已经做到，在2立方米的水中，每天生产6公斤“生态石油”。这比种植大豆等生物燃料作物的效率要高数千倍，而且使用土地面积少，侵害性也不大。他们的下一步目标，是建立一个以“生态石油”为燃料的电厂，发电能力为3万千瓦。
（3）尝试以细菌为媒介把二氧化碳转化成甲烷。2010年1月4日，日本《读卖新闻》报道，日本海洋研究开发机构，正在开发一项把二氧化碳转化成甲烷的新技术，其关键是将二氧化碳封存到海底煤层中，然后以细菌为媒介将其转化成天然气。这一尝试尚属首次，该机构期望在未来3～5年内能够完成。二氧化碳封存技术，被认为是减少温室气体排放的有效途径。
报道称，日本海洋研究开发机构计划把青森县下北半岛附近的海底煤田，作为二氧化碳封存场所。据介绍，在下北半岛附近海底2000～4000米深处，分布着海绵状的“褐煤”层。这是一种尚未发育成熟的煤炭层，容易吸收气体和液体。
该开发机构称，此前的研究显示，这个海域的“褐煤”层中，存在着把二氧化碳转化成甲烷的“产甲烷菌”，而甲烷是天然气的最主要成分。在自然条件下，“产甲烷菌”在地层中，把二氧化碳转化为甲烷，需要1～100亿年时间。而日本研究人员的目的，是开发出提高“产甲烷菌”转化能力的技术，使转化周期缩短到100年以内。
（4）利用电力和微生物把二氧化碳转化为液体燃料。2012年4月，美国加州大学洛杉矶分校萨缪里工程与应用科学学院，化学及分子生物工程系的廖俊智教授及其同事组成的一个研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果，首次展示了利用电力和微生物，把二氧化碳转化为液体燃料异丁醇的方法。
研究小组提出一种把电能储存为高级醇形式的化学能的方式，可作为液体运输燃料使用。廖俊智说：“目前一般使用锂离子电池来储存电力，存储密度很低，但当以液态形式存储燃料时，存储密度能显著提升，并且新方法还具备利用电力作为运输燃料的潜力，而无须改变现有的基础设施。”
研究小组对一种名为“富养罗尔斯通氏菌H16”的微生物进行基因改造，使用二氧化碳作为单一碳来源，电力作为唯一的能量输入，在电子生物反应器中生产出异丁醇和异戊醇（3-甲基-1-丁醇）。