1、碳回收工程（二氧化碳工業(yè)制乙醇過程）作者：江鈴控股有限公司潘俊真任何化學反應都是可逆的，當化學反應處于平衡狀態(tài)時， 化學反應的反應方向取決于外界條件對化學反應的影響。 因此，要形成自然條件下化學反應過程中的逆反應，我們首先要找到該化學反應的平衡點，并在該平衡點下創(chuàng)造有利于逆反應進行的條件。以下請允許我利用一個簡單的化學反應方程式，乙醇燃燒的化學反應加以分析說明，乙醇燃燒的化學方程式如下：CHQH + 3a，一點燃一 2CO. f +3"。+ Q一、平衡點狀態(tài)假設如果我們要找到這個化學方程式的平衡點，那么我們需要始終保證該化學反應的初態(tài) 和終態(tài)不變，因此我們假設該反應在一個恒溫、定壓且

2、不與外界發(fā)生熱交換的容器內進行。1、我們假設在該容器中有 0.001mol乙醇和0.003mol的氧氣，環(huán)境溫度為 100度，氣壓為 100KPa （一個標準大氣壓），同時設該容器此時的體積為110ml （根據標準大氣壓和常溫下氣體體積為22.4L/mol換算而來，對于常溫下的液態(tài)物質可能有一定誤差）。9 / 8我們已知乙醇的燃燒熱值為1366.8kJ/mol （1366.8kJ/46g ）。因此我們的初態(tài) 為46mg乙醇（其物質的量為0.001mol） , 96mgM氣（其物質的量為0.003mol）, 氣體的體積約為140ml,氣體壓力為100KPa（一個標準大氣壓），氣體的溫度為 100

3、 度（373K）。2、氣體狀態(tài)分析根據已知，如果這部分可燃混合氣完全燃燒將產生熱量約為： 1.34KJ。由于 假設條件下這部分物質處在密閉容器中且不與外界發(fā)生熱交換。 那么，反應產生 的這部分熱量將不對外做功只對混合氣體本身做工。氣體膨脹對外做工有如下公式：在假設條件下，由于條件為定壓可參考 W2等式對該問題進行計算。因此，在乙醇燃燒的化學反應條件下，由于乙醇燃燒釋放了 1.34KJ的能量, 根據W=P*XV有：1.34KJ=1*10 5Pa*A VAV=0.0134mf >>140ml故在化學反應的終態(tài)，氣體（理想氣體）的狀態(tài)為：氣壓100KPq體積0.0134m3,溫度：373

4、K,成分：水蒸氣和二氧化碳（實際上物質化學反應前后混合氣體物質的量發(fā)生了變化由0.004mol變成了 0.005mol ,其對氣體的壓強會產 生一定的變化，但由于此處為絕熱條件下的氣體狀態(tài)分析， 可以理解為氣體穩(wěn)定 狀態(tài)的最終結果）。3、乙醇燃燒反應的平衡點由于在整個氣態(tài)變化的過程中，燃燒產生的熱量被氣體的體積變化（氣體勢能）完全 吸收，同時PV/T=Co因此，我們可以通過這一個假設的氣體狀態(tài)去尋找任何一個現實生活 中有的氣體狀態(tài)，在這些狀態(tài)下乙醇燃燒的化學反應是處于平衡狀態(tài)的。在這個平衡狀態(tài)下，我們可以改變外界條件，讓化學反應沿著我們需要的方向進行。4、實際情況由于為了保證燃燒在整個反應中是

5、閉環(huán)的（物質和能量都沒有散失），我們在理想氣體狀態(tài)下對整個過程進行了抽象分析，氣體體積由110ml變?yōu)?.0134m3 ,壓強不變的情況 下，體積變化率為123倍，此時由于分子勢能以及溫度（分子動能）等現實情況 這個變化可能現實生活中并不存在，但我們可以以此推導出現實存在的狀態(tài)！ 二、二氧化碳和水生成乙醇的逆反應1、讓體積變化減少10倍當體積降低10被之后，體積變化率為12.3倍，分子距離在12.3倍下勢能 降低不大，由于PV/T為一個常數，P增大10倍，這個狀態(tài)是存在的。那么只要 我們讓二氧化碳和水蒸氣的混合氣達到這個條件，并且這個條件是處于乙醇燃燒 反應的平衡點上，那么二氧化碳和水的逆反應

6、就有了產生的條件。2、乙醇燃燒正向反應的化學平衡解釋讓我們再次回到化學反應方程式：CHQH + 3a點燃一 2CO. f +3"。+ Q在自然條件下，我們的環(huán)境溫度為 293K,壓強為100KPa,由于上述化學反應方程式的正向反應是釋放熱量的。讓我們來看一下這個熱量釋放的能量密度：46mg的乙醇就可以產生1.37KJ的熱量，氣體周圍的溫度可以瞬間升到上千度， 此時我們的大自然在這個氣壓和溫度 下相當于對該反應的極大的冷卻機構， 熱量不斷散失，化學反應不斷往正向反應并且十分劇 烈！讓我們再次進行一個假設！如過我們將一份的乙醇和三份的氧氣至于完全密閉的容器中，并給它燃燒的溫度條件，在該容

7、器不發(fā)生爆破的情況下，結果會是如何呢？結果就是由于溫度不能及時散失， 氣體壓強急劇上升， 燃燒只能進行一小部分就被迫中止！ 是沒有足夠 的氧氣嗎？不是！是因為任何化學反應都是可逆的， 外部條件抑制了反應的繼續(xù)進行！ 所以, 在長期的生活體驗中，我們始終認為乙醇燃燒是自然的，而二氧化碳和水結合是不可能的，那是以為我們習慣性的以我們生存的自然條件作為該化學反應的邊界條件。實際上，通過平衡狀態(tài)的等效分析（系統(tǒng)的嫡不發(fā)生任何改變）。我們是可以在現有的技術基礎上創(chuàng)造處這個化學反應的逆條件的！3、逆反應的條件通過等效分析我們找到了一個可能的逆條件（其實只要保證平衡假設中終態(tài)的氣體PV/T為有一個常數，這個

8、條件有無數中，我只列舉其中現在最可能實現工程化生產的）！當氣體壓力為1MPa,溫度為373K （100度）以上時，我們將二氧化碳和水蒸氣置入其中，最終形 成的物質狀態(tài)就是我們的平衡點，這些物質最后可以仍然是水和二氧化碳，也可能是乙醇和氧氣，但是請記住，當化學反應逆向進行時，他是需要吸熱的，需要大量吸熱（46g乙醇的制取需要1370KJ的熱量，也就是你要將1.37度的電能放入這46g的乙醇當中）。所以如果 你創(chuàng)造了逆反應產生的條件，但是你不能滿足這個反應熱能的吸收需求，這個化學反應也不會進行，接下來我要做的就是：發(fā)明這個方法，記得不要走開哦！4、化學反應進行方向在化學反應進彳T方向圖（P恒定）中

9、，我們有 A、B、C、D四個狀態(tài)（見下圖圖示）， 他們分別是：A、常溫常壓下，乙醇被點燃釋放熱量形成高溫時的狀態(tài)；B、（E）混合氣系統(tǒng)內總嫡不變的假設狀態(tài)（我們可以由此推導出適合工業(yè)生產的狀態(tài)， 包括）C常溫下反應后要達到的穩(wěn)定狀態(tài)，成分為二氧化碳和水；D、在平衡狀態(tài)時（氣體成分為二氧化碳和水蒸氣）強制給以高溫和（同時適當提高壓 力），在溫度“勢能”的作用下促進反應向乙醇合成的方向進行，合成后強加的高溫（能量）被分子結構吸收；合成乙醇后的穩(wěn)定氣體狀態(tài)。T1500K373K293K三、從二氧化碳到乙醇的工業(yè)化生產1、為什么選擇乙醇進行分析其實我們至少有如下四種化學反應（包括甲醇燃燒，此處未列方程

10、式）可以選擇。但是:當氫氣燃燒時從化學反應方程式可知：3份氣體產生2份氣體（1MPa, 373K條件下，或者氣體水為氣態(tài)的化學平衡條件下）；當甲烷燃燒時3份氣體產生3份氣體；當甲醇燃燒時 5份氣體產生6份氣體；當乙醇燃燒時 4份氣體產生5份氣體。也就是說乙醇進行逆反應時， 氣體體積減少的比例最大，為1.25倍（有利于壓強的降低）。所以，如果我們增大平衡點時氣體的壓強，最容易產生的將是乙醇。并且，乙醇分子量大，在實際工業(yè)生產中我們更容 易實現收集和利用。2、如何工業(yè)生產為了確保大家能更好的理解，請大家想象自己正置身汽車發(fā)動機的燃燒室 中，發(fā)動機燃燒室的高溫高壓就是我們的 “自然條件”。在這個“自

11、然條件”下, 我們放入2: 3的二氧化碳和水，但是我們的物質狀態(tài)仍然是比較穩(wěn)定的（需要 吸收能量），比如：水依然是水，二氧化碳依然是二氧化碳，只有ppm級的乙醇或者甲醇、甲烷、氧氣等物質產生。因為，在這個狀態(tài)下發(fā)生制取乙醇的化學反 應還有一個重要的條件沒有產生，那就是瞬間吸收大量的熱量！ 那么我們要將氣體再加熱到幾千度嗎？那樣的話需要耗費的能耗將急劇上升，我們的制取的乙醇（其實應該是多種產品的混合物，為了方便描述和理解，此處暫 時只說乙醇）固定的能量，比我們花費的能量要大的多，那么將失去實現該反應 的意義。但是，我們十分需要這個反應，因為它不但可以實現碳排放的回收，還 能產生我們急需的新能源物

12、質，我們怎樣最好的來實現他呢？答案就是：放電！氣體斗犬態(tài)373K,1.5MPa好了，我們現在的自然條件是乙醇燃燒化學平衡點狀態(tài)下（且提高了一定的壓力） 的生成物，他們分別是水和二氧化碳，同時水和二氧化碳結合生產乙醇需要吸收巨大的能量：1366.8kJ/mol。當我們利用火花塞放電時，此時在放電周圍將出現瞬間高溫對這兩種物質加 熱，為了重新回到自然狀態(tài)，水和二氧化碳將結合進行降溫，同時降壓。只要我們不斷的讓混合氣沖入保證容器內的壓力，同時采用許多個火花塞進行放電，那么久會不斷有乙醇和氧氣產生。由于起初產生的乙醇氣體和氧氣比較稀薄，在加上“自然條件”下他們已經失去反應的條件，所以他們不會重新生產二

13、氧化碳。但是當乙醇和氧氣的濃度增大時就會抑制反應的進行，同時也有可能產生臭氧和它物質。所以我們要對氣體進行脫氧，并在適當時候將混合氣體排出分離出乙醇。 3、微觀分析也許有人會問，你說生成乙醇就會生成乙醇呀？那么我們來探討一下火花塞周圍的微觀 物質狀態(tài)。由于氣體的壓強和溫度時均勻的，在火花塞周圍的氣體的狀態(tài)也同樣是1.5MPa,373K。當電火花產生時，由于熱量不能及時被整個容器內的氣體吸收，我們其實可以將藍色圓圈內的火花塞周圍的氣體看成是一個密閉的狀態(tài)，他們處在一個虛擬的“密閉容器”中，這個密閉容器內的狀態(tài)將是：1.5MPa、1200K（火花塞周圍溫度一般在 900度左右，特殊的可以到達1500度，我們取中間值，如果需要我們還可以更大的提高放電值），這個狀態(tài)遠遠高于產生逆反應的條件。在自然界中我們其實有類似的情況，那就是雷電時空氣中十分穩(wěn)定存在的兩種氣體能夠結合成氮氧化合物，這也是因為在閃電周圍（微觀）形成了極限條件。而我們這個人造的極限條件要比這個反應所需條件高5-6倍，所以這個逆反應的進行時必然的！4、模型的風險修正該模型的一處風險就是，也許我們可以得到1.5MPa、373k條件下的二氧化碳（這個條件只是其中一種情況，實際情況需要更多實驗來確定），但是此時的水永遠不是氣態(tài)我們怎么辦？如果那樣的話我們只能讓二氧化碳先存在與容器中，然后在