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化学家尝试将页岩气转变成现代生活所需的诸多成分

发布时间:2017-11-03 00:00 作者:中国科学报 阅读量:369

当“无畏号”在挪威弗里耶尔峡湾蓝宝石色的海面上缓缓行驶时,陪护的拖船向天空喷射着水流,以“通报”它的到来。在甲板下的巨大低温贮罐中,这艘船只运载了27500立方米液态乙烷——足以填满11个奥运会游泳池。“无畏号”还带来了一条讯息,那就是其船身一侧涂着的巨大大写字母——“页岩气会带来革命”。

“无畏号”在2016年3月的到来实现了页岩气从美国到欧洲的首次船舶运输,并且标志着一个新兴商业领域的开启。在此之后,更多的长达180米的巨型船只陆续起航,在大西洋上形成了运输乙烷的“虚拟管道”。这种通过对页岩沉积物进行水力压裂并从地下抽取的气体,并不是为了向发电站或家用炉灶提供燃料。相反,它将被转换成制造包括塑料、衣服、黏合剂和药物在内的诸多产品所需的化学基本成分。

“无畏号”的航行充分证明了美国的页岩气正在以非常低廉的价格重塑化学行业并且改变着无数制造品的来源。几十年来,这个行业的原材料主要来自原油。化工厂将原油中的长碳氢化合物分子分解,以产生各种较小分子的“大杂烩”,比如乙烯丙烯和苯。而它们都是聚合物的重要原料。

然而,主要由甲烷、乙烷和丙烷构成的页岩气正在改变这一路径。它的储量是如此的丰富,以至于将这些分子的成本大大降低。其中一些正在取代大的碳氢化合物,成为工业合成首选的原材料。

尽管乙烷只占页岩气的一小部分,但迄今为止它对化学工业产生了最大影响。这是因为化学家能很容易地利用它生产乙烯。乙烯被用于制造各种聚乙烯,并且是诸如聚氯乙烯、聚苯乙烯等其他塑料的前体。全世界对这些塑料的需求是如此“贪婪”,以至于化学工业每年生产约1.5亿吨乙烯——远超任何一种化学原料。

化学工业的大多数过程要用到催化剂。不过,乙烯可通过蒸汽裂解乙烷或者较大碳氢化合物被轻松生产出来。在上世纪20年代被首次提出的蒸汽裂解法是一个简单但耗费大量能源的过程。它只需要一些水和850℃的温度。“你要做的基本上就是给它加热。”总部位于纽约的IHS Markit公司行业分析师Jeffrey Plotkin介绍说,“整个流程的核心是一个巨大的炉子。所有化学反应都在这里面进行。”

利用页岩气生产乙烷行业的繁荣,驱动化学工业投资近450亿美元用于扩大蒸汽裂解能力。不过,向这种原料的转变也带来了一件令人头疼的事情。当蒸汽裂解装置被填充上来自原油的长碳氢化合物的混合物时,它们会产生大量有用的副产品。然而,当它们利用乙烷作为原料时,产物几乎全部是乙烯。“因此,其他化工原料就会短缺。”Weckhuysen表示。

其中一种原料是丙烯。它是化学工业仅次于乙烯的第二种最重要的产品。丙烯被转变成聚丙烯—— 一种被用于包装和纺织业的塑料,以及诸如丙烯酸等其他聚合物成分。不过,一项估测显示,美国蒸汽裂解装置产生的丙烯在2005~2014年下降了近一半,尽管全球需求不断上升。

为对抗这种短缺,化学工业正在寻找其他方法生产丙烯。其中一条主流路线从页岩气组分——丙烷开始。加热和催化剂的结合可将两个氢原子移除,从而将丙烷转变成丙烯。

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