利用水熱反應技術，可以將二氧化碳轉化為有機物，作為化工原料或為汽車提供燃料；也可將工廠廢水中的高濃度難降解有機物轉化成低級脂肪酸、煤炭等資源。這個想法聽起來就讓人十分向往，在國家自然科學基金和上海市科委“浦江人才計劃”的支持下，同濟大學碳資源循環技術研究所所長金放鳴正在努力將這些設想轉變為現實。
把二氧化碳轉化為“汽油”
“我的解決思路是讓人們生產、生活中排放出來的二氧化碳循環起來，把它轉化成人們可利用的資源。”金放鳴對《科學時報》記者說：“二氧化碳一直被視為引起地球溫室效應的罪魁禍首，大家都想方設法節能減排，但節能減排做得再好，也不過比原來排放得少些，最終還是要排出二氧化碳的。我們現在所進行的研究，就是想找到一些成本較低、轉化效率更高的新方法，將二氧化碳轉化為可直接利用的有機物。”
金放鳴說，人類大規模使用礦物能源前，地球上的碳資源是和諧循環的，在空氣、植物、水體和礦物中不斷轉化。近一個世紀以來，人類的工業活動破壞了這個循環，使礦物能源急速消耗。地球原本就有的二氧化碳循環功能被打斷后，二氧化碳無法在整個地球生態系統中循環，才會成為溫室氣體。因此，除了減少二氧化碳的排放量，用科學技術重建地球的循環功能，或許是破解這一世紀難題的一條捷徑。
“在實驗室里，我們已經取得了非常理想的結果。我們在實驗室內轉化完成的有機物分離純度很高，可能直接作為汽車燃料或化工原料來用。”金放鳴說：“常規的方法是利用微生物技術，將二氧化碳轉化為有機物，但這個過程可能需要幾天十幾天時間，而且轉化率很低；轉化過程中所使用的催化劑也很昂貴，轉化成本很高。這種新技術所需的反應條件十分溫和，通常一兩個小時就能完成一次轉化。如果提高實驗條件，轉化速度還會更快些，甚至幾分鐘幾秒鐘就能完成一次轉化。而且，我們最近的實驗結果中，有70％～80%的二氧化碳都能轉化成有機物。”
2007年，在教育部長江學者人才引進計劃中，金放鳴被特聘回國，來到同濟大學碳資源循環技術研究所，開始著手這方面的研究。因為這一領域的研究在國際上也是剛剛開始，而金放鳴在日本東北大學任客座教授時，一直從事這一領域的研究，在機理研究上有很好的積累。去年剛回國，她的這一研究思路就得到國家自然科學基金委員會的資助。今年年初，金放鳴的第一個國家自然科學基金項目——“二氧化碳資源化研究”就正式展開了。
奇妙的水熱作用
“實現這一轉化的過程并不復雜，和過去的一些常規轉化技術相比，所用的轉化設備并沒有什么不同，主要是轉化思路和技術手段有很大改進。”金放鳴說：“基本的實驗裝置就是將水灌進一個不銹鋼容器中，通過加熱營造出高溫高壓的水環境，將二氧化碳注入這一水環境中，能生成有機資源，然后再通過一些技術手段進行分離，就能得到液態或固態的轉化成品，可用做化工原料或直接作為汽車燃料。這一技術完全成熟后，今后熱電廠等大量排放二氧化碳的地方就可以配備這類裝置，不但能生成新的能源，還可大幅減少溫室氣體排放。”
據介紹，石油、煤等礦物能源的形成，其主要原因就是生物質降到地下幾千米處后，在地下高溫高壓條件下發生水熱反應。在自然條件下，石油、煤等礦物能源需要幾千萬年才形成，因此被人們視為不可再生能源。其實水熱反應速度非常快，可能在一瞬間就完成了，自然界中礦物能源之所以形成得那樣慢，是因為生物質沉降到地下深處的時間極其漫長。
“水熱反應不僅能實現二氧化碳到有機物的轉化，還可以將有機質轉化成礦物能源。對不同有機物質的轉化需要設定不同的高溫高壓環境，一般來說，攝氏200～400度的條件下就能將秸稈變成醋酸、甲酸或乳酸。通過水熱反應，生物質還可被轉化成能直接利用的礦物能源，如煤炭。”金放鳴說。
金放鳴表示，從宏觀上看，水熱反應制取能源有望實現地球上碳資源的和諧循環。用人工合成的辦法，把生物質快速轉化為礦物能源，并把排放的碳收集起來，快速返還成生物質，這就有望恢復地球碳資源的和諧循環。
利用工業廢水人造礦物能源
“我們以前在廢水處理方面重視末端治理，忽視源頭控制。這一導向有些偏差。國家投入了很多錢去搞太湖、滇池污染治理，錢沒少花，但效果并不理想。有些污染對生態環境的破壞幾乎是不可逆的，想重新恢復起一個健全的生態系統要花很大的代價。我認為治理江河污染最關鍵的方法是從污染源治起，從源頭截住。”金放鳴說。
金放鳴回國以后發現，一些地方政府出于發展地方經濟的考慮，多少會對當地的污染企業有些庇護，要讓所有產生廢水的企業都停止排放并不容易。去年，她的源頭治理思路得到上海市科委“浦江人才計劃”的資助。她同時又展開了高濃度難降解有機廢水資源化項目的研究。這一項目的目標是模仿煤炭的自然形成，把造紙廠排出的廢水轉化為高附加值產物，如低級有機酸和煤炭。
金放鳴說，工業廢水中的主要污染物是高濃度難降解的有機物，它們都是一些有毒物質，傳統的處理方法是將有機物處理掉，將其轉化成二氧化碳和水，或是礦化、過濾掉。但這種有機物也是一種資源。“在我之前的基礎研究中發現，從機理上說，我們可以通過控制反應，使這些高濃度難降解的有機物轉化成我們需要的資源，轉化成工業原料或煤炭等礦物能源。”
據金放鳴介紹，在實驗室條件下，她的團隊已經做到將工業排放廢水中的高濃度難降解有機物轉化成化工原料，如一些低級脂肪酸等。現在雖然還沒有轉化出成品煤，但也有了研究思路。如果研究費用充裕、各種實驗進展較順利，大概兩三年時間就可以將這一技術大規模推廣利用。他們要進一步研究的是，在轉化設備的投入上，朝著能夠工業化生產的方向去做。就是進一步完善轉化過程，找到更有效的轉化條件、更低的轉化條件要求和更便宜的轉化成本，想辦法讓轉化條件緩和一些。“因此，我們還有很多工作要做。”金放鳴說。
