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【碳中和:凭“空”制出液态燃料】

“云里铜乌风作籁,天边金掌露成霜。”这句宋诗是对金铜仙人承露盘的生动描述,表明在古代人们就懂得从空气中“捕获”所需成分——水了。

两千多年后的今天,人们依然致力于研究如何有效利用空气。只不过如今的研究大大增加了科技含量,其中的趋势之一是注重空气中碳的转化与利用。例如,微藻生物固碳技术,利用空气中的二氧化碳生产燃料、化学品和食物等;二氧化碳甲烷化技术,通过金属催化,将二氧化碳转化为天然气,实现二氧化碳资源化利用。

今天,让我们关注——

瞄向空气中碳的转化利用

有人可能会问:为什么要重视空气中碳的转化和利用呢?这主要从两点考虑——

首先是从物质上看。作为碳基生命,生物都需要碳,所以很自然地想要把空气里的碳转化为食物。

其次是从能量上看。供能所需的有机物都含有碳,而它们释放能量后会变成二氧化碳散发到空气中。如果把这些二氧化碳再转化为储能物质,就可实现碳中和,即碳的收支相抵,减轻温室效应。

去年,中国科学家在实验室中首次实现从空气中的二氧化碳到淀粉分子的全合成,为应对粮食危机和气候变化提供了一条很有前景的策略。这是受光合作用启发,人类智慧对自然智慧的一种模仿。

无独有偶,近日瑞士苏黎世联邦理工学院的科研团队设计了一套利用阳光和空气直接生产液态烃或甲醇燃料的装置,为吸收和利用二氧化碳提供了又一条光明之路。

据顶级学术期刊《自然》杂志报道,这种装置在日常条件下运行,能在一天7小时的工作时间内生产32毫升甲醇。

众所周知,自然界有一条重要定律,那就是质量守恒。物质在化学反应过程中,原子种类不变,数目不增不减,只是发生重新结合,从一种连接方式转化为另一种连接方式。就像一个班级调换座位后重新划分小组一样,又进行重组,但班里的人没有变。

如果我们想要得到甲醇或其他液态烃类燃料,那么制备它们的原料也应含有同样元素,即碳、氢、氧。空气属于混合物,里面含有氮气、氧气、稀有气体、二氧化碳以及其他物质。其中二氧化碳约占0.04%,水蒸气和其他杂质约占0.002%。

这就为以空气为原料生产液体燃料提供了可能:经由空气捕获装置收集和纯化,可得到较为纯净的二氧化碳(纯度98%)和水(污染物低于千万分之二)。

接下来的任务,就是把二氧化碳和水转化为燃料。

鉴于直接转化比较困难,一种权宜之计就是先把它们制备成合成气,即氢气和一氧化碳。这是制备许多化工原料的原料气。这套实验装置采用的方法是利用太阳能,驱动二氧化碳和水蒸气与三氧化二铈发生氧化还原反应,二氧化碳和水分别被还原为一氧化碳和氢气,而三氧化二铈被氧化为二氧化铈。氧化产物二氧化铈还可通过吸热,还原为氧气和三氧化二铈,便于再次循环利用。

市面上,三氧化二铈价格大约为1万元/吨,称不上昂贵,且可循环利用。合成气一氧化碳和氢气进入反应设备后,生成目的产物液态烃或甲醇,也就是空气燃料。

说到这里,大家或许会想到,二氧化碳合成淀粉的路线里,也有合成甲醇这一步,但那里用的是氢气还原,而这里用的是三氧化二铈还原。

“质”“量”兼优的能源利用方式

这条以空气为原料制备液态燃料的路线,理论上可行,实际上是否行得通呢?

首先让我们看一下产量。研究人员发现,该装置在正常工作条件下一天运行7小时,通过连续17次氧化还原循环,共获得96.2升的合成气。这些合成气,可在装置中进一步加工成甲醇。

装置测得的合成气单程摩尔转化率为27%,产生的甲醇纯度为65%。

剩余未转化的合成气经过6次循环转化后,最终总摩尔转化率为85%。一天运行7小时后,就得到了上述所提到的纯甲醇32毫升。这个产量的燃烧热和一盏功率为9瓦的日光灯照明15小时消耗的电量相当。

当然,这种设备并非只生产甲醇,通过选择具体的合成工艺,也可定制其他烃类燃料。

研究者认为,如果该项成果投入商业应用,将会创造巨大收益。例如,商业规模的太阳能燃料工厂可使用10个定日镜场,假设每个定日镜场收集100兆瓦的太阳辐射热能,系统总体效率为10%,那么每天就可生产95000升煤油,足够为一架载有325名乘客的空中客车提供从伦敦到纽约往返一趟的燃料。

这样看来,产量算是可观,那么这些燃料的质量如何呢?

我们和常规的航空燃料对比一下:目前生产航空煤油的常规方式是重油加氢裂化,产物中会不可避免地带有含硫化合物、含氮化合物、稠环芳烃、重金属等空气污染物。而通过该太阳能氧化还原装置生产出来的喷气燃料,通过燃烧测试表明,有害物质排放显著减少。相比之下,优势明显。另外,石油属于不可再生能源,而空气可源源不断地获取,从长远来看也更有前景。

在这个太阳能氧化还原装置里,二氧化碳和水在太阳能作用下会转化为液体燃料,而当液体燃料投入使用后又会生成二氧化碳和水。从物质角度考虑,碳排放和消耗相等,所以研究者称其为“碳中和的里程碑”。

从能量角度考虑,在燃料制备过程中,能量大多来自太阳能,而后续燃料燃烧又可根据需要转化为其他形式的能量。因此,这相当于间接利用了清洁能源。

面向未来发掘“清风”潜力

谈到这里,有人可能会质疑:为什么不直接制备氢气做燃料?这样就不再产生二氧化碳了呀!

其主要原因有两个:一是氢气作燃料,虽可减排,但不能吸收大气中已有的二氧化碳;二是限于目前的储氢技术,氢能在交通、家居等场景的普及还不现实。

其实,这项成果对未来最大的意义,并不是提供一个终极的能源生产方式,而是提供一个比较有性价比的固碳乃至碳中和手段,同时有望缓解碳氢燃料短缺且不可再生的危机。

此外,研究者算了一笔账:基于当前太阳能燃料系统的工作性能,空气捕获装置捕获量每年达到10万吨二氧化碳时,大约需要4500平方米的占地面积。假设系统总体效率为10%,那么这样一个太阳能燃料工厂每年将生产约3400万升燃料。相比之下,2019年全球航空煤油消耗量为4140亿升,若要完全满足全球需求,所有太阳能发电厂的总占地面积约为45000平方公里,相当于撒哈拉沙漠面积的0.5%。在人迹罕至的荒漠里,除了“大漠孤烟直,长河落日圆”的胜景之外,还可平添几分科技氛围。

这样看来,太阳能燃料系统原料易得、环境友好、占地面积并不大,似乎很容易推广。而实际上面临着诸多挑战:太阳能热化学燃料的初始投资成本很高,每升常规喷气燃料的成本通常不超过1美元,每升太阳能喷气燃料的成本却到了10美元。所以,其在短期内并不占优。

鉴于此,研究者拿出方案:呼吁政策支持,为第一代商用太阳能燃料发电工厂创造一个短期市场;实现自我提升,通过规模效应和流程优化,降低关键部件的生产成本,从而提升市场竞争力。

从质量守恒的角度来看,碳虽不会消失,但可转化为一种有益的存在形式,不管是淀粉还是燃料。这些转化途径都不是终极方式,也不是非此即彼。碳中和不会就此止步,未来会出现更多脱碳途径,各自发挥不同作用、适用不同条件。

“惟江上之清风,与山间之明月,耳得之而为声,目遇之而成色,取之无禁,用之不竭。是造物者之无尽藏也”。说出此话的北宋文学家苏轼尽管很有洞察力,但他或许想不到清风不仅能为“无米炊”,还能化作“万金油”。的确,到目前为止,我们还不知道二氧化碳究竟蕴藏着多大的转化潜力、存在多少种可能的用途。这一切,均取决于人类的想象力,这正是创新和改变的源泉。

Tfboys是当今华语娱乐圈名副其实的第一偶像组合,这一点毫无争议,尽管如今Tfboys已站上华语娱乐圈的最高舞台,但是他们的成名之路并非一帆风顺,正如我们在上文中所讲的那样,Tfboys在成立之初并不被网友所看好,王俊凯、王源、易烊千玺三位小哥哥是在顶着巨大舆论压力的情况下才走到今天,深知成功来之不易,也正因为如此,今天Tfboys即便已大红大紫,但是王俊凯、王源、易烊千玺三位小哥哥依然保持着谦虚谨慎的态度。
与“百分九”组合成立之后,所有成员都各自发展形成鲜明对比的是,Tfboys组合成立至今,王俊凯、王源、易烊千玺齐心协力,共同发展,尽管在不同的发展阶段,三位小哥哥的人气此消彼长,但是他们始终都不离不弃,也正因为如此,Tfboys才成为华语娱乐圈名副其实的第一人气组合。
而就在Tfboys六周年演唱会即将来临之际,8月6日,王俊凯、王源、易烊千玺便提前亮相时代峰峻十周年庆典现场,在媒体分享的照片中,当天王俊凯、王源、易烊千玺都身着一套黑色西服,三位小哥哥合体亮相时代峰峻十周年庆典现场显得格外养眼。

1971年一个风雪加交的夜晚,司机王占奎见前方有物体在蠕动,下车发现竟是个受伤的喇嘛。王占奎将其送到了附近朋友家,为答谢救命之恩,喇嘛送给王占奎一个骨盒。20年后,盒中宝物价值2个亿。

王占奎是内蒙古赤峰人,从部队复员后,便被分配到了阿鲁科尔沁旗邮电局工作。日复一日的单调生活尽管乏味,却有安宁的美好。随着时间的流逝,王占奎几乎忘记了与那位喇嘛的匆匆相识。
1998年的某天,独坐在夜色中的王占奎,突然想起了27年前的那个雪夜,接着又想起了那位老喇嘛赠送的骨盒。于是,在一通翻箱倒柜之后,王占奎终于找到了这个盒子。

这个盒子由骨头制成,拼接着镀金铜片。王占奎以为这里应该是值钱的宝贝,可是他打开盒子后,里面竟然是一层蜡。王占奎拿过小刀一点点地刮掉这层蜡之后,反而失望透顶。

原来,被蜡封住的,是个看起来极其普通的小泥丸。王占奎借着灯光仔细地查看,也没发现这颗小泥丸的异常。

王占奎暗自思忖,如果只是个普通物件,为何会兴师动众地放在这样一个精致的小盒子里呢?

这之后,王占奎查阅了不少书籍,却终究一无所获。于是,王占奎顺手就将它扔进了鱼缸中。

这时,奇怪的事情发生了。落入水中的小泥丸非但没有融化,竟然散发出了明亮的光芒!

王占奎连忙捞出小泥丸,出水后的它依然黯淡无光。可是,当把它再次放入鱼缸后,这个小泥丸又开始散发出了光彩。最神奇的是,在黑夜中,鱼缸里来回游动的鱼也能看得一清二楚!

王占奎心头一惊,这该不会是一颗夜明珠吧?

这时,王占奎强迫自己冷静下来,让思绪重回到1971年的那个雪夜。

那一天,顶着大雪匆忙赶着夜路的王占奎,突然见到路上有着一团东西在蠕动。壮着胆子走下车的他,发现原来那是个几乎被冻僵了的老人,善良的王占奎立即将他送到了附近的朋友家。

第二天,苏醒过来的老人为了表达感激之情,便送给了王占奎一个骨盒,盒子上面还有两个红色的石头。当时王占奎并没有多想,因为他知道,蒙古人之间时常互赠礼物,所以也就没有放在心上,随手将这个小盒子装在了大衣兜里。

此时,手握着这颗小泥丸,王占奎感慨万千。只是因为自己的一念为善,真的会获赠如此珍贵的礼物吗?

最早知道夜明珠还是儿时的传说,龙宫可以在它的照耀下光亮如同白昼。此后,又有传说是慈禧太后下葬时,口中含着的就是一颗夜明珠。

思及此,王占奎再也坐不住了,他决心找专家来鉴定。但是,没成想这个鉴定竟然把王占奎折腾的,差点赔进去半条命。

王占奎最先找到的是当时天津珠宝检测中心的鉴定师李世伟,对方出于职业的专业性,决心通过仪器来判定。

1998年4月24日,这是个让王占奎难忘的日子。这一天,他的那颗小泥丸在李世伟的评估和鉴定下,被确定为是一颗真正的夜明珠。

王占奎来不及惊喜,李世伟又补充道:“它不仅是夜明珠,还是一颗陨石钻石,并且是极其珍贵的六方晶系陨石钻石icon。”

当李世伟说出这颗夜明珠的估价后,王占奎则由惊喜变成了震惊。因为,这一颗毫不起眼的小泥丸,在那个时代就已经价值3000万到5000万了。

为何这颗小泥丸会这么珍贵呢?因为这颗陨石可不是普通的陨石,它不存在于地球之上,而是来自外太空。

这之后,大喜过望的王占奎带着自己的宝贝回家了。想到这样一个宝物,竟然被它遗忘了近30年,王占奎不禁羞赧地笑了。看来,这就是命运的安排。

王占奎这边的高兴劲还没过去呢,他又接到了来自李世伟的电话。电话那头的李世伟颇为失望地告知王占奎:“不好意思,因为我们有位专家对此事存疑,所以关于您的那个鉴定书作废了。”

王占奎脑袋嗡了一声作响,一下子就瘫坐在沙发上。从泥球变成夜明珠,从夜明珠又变回了泥球,这也太大起大落了。自此,王占奎还大病了一场。

大病初愈的王占奎越想越不甘心,最终决定到北京一试。于是,带着这颗小泥丸,王占奎起身进了京。也多亏了王占奎有这份持之以恒的决心,他带着这个宝贝找到了当时地质大学珠宝学院的院长吴国忠教授。

吴国忠教授经过仪器采样,最终确定了这个小泥丸的身份,它并非人工合成,而是真真正正的“天外来物”——陨石钻石夜明珠。

最终,经历了长达9年的鉴宝之路,就在2007年7月22日,经过9位专家的一致鉴定,王占奎的这颗小球价值连城,估价为2500万美元。

而这样珍贵的夜明珠,在当时全球范围内只有两颗,一颗在王占奎手中,另一颗则珍藏于华盛顿博物馆中,但是它并不会发光。

最让人敬佩的是,这之后曾有人出价2个亿跟王占奎购买夜明珠。但是,王占奎并未被金钱所鼓动,他选择将这颗珍贵的宝物捐给了中国佛都做镇都之宝。

王占奎说:“夜明珠是国宝,不该据为己有。”

因为心有善念,他选择在雪夜救素不相识之人。
因为心怀大爱,他选择弃小利而奉献给国家。

大概当年那位喇嘛,正是看中了王占奎的善心和佛缘,才会将宝物赠予有缘人吧!

#新星v计划#


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