互动科普

地球大气层再也承受不起更多二氧化碳（CO2）排放了。但是，全球CO2排放量至今仍没有减少。所有迹象都表明，未来几十年内，CO2浓度仍将继续增加。尽管可以大力发展可再生能源，但发达国家和发展中国家未来大概仍将燃用更多的石油、煤和天然气。

运输方面，石油的替代品似乎还特别遥远。电动车的车载储能很困难。同样重量的电池，储能能力不到汽油的1%。车载储氢所需体积是汽油储存体积的10倍，而且储氢用的高压储罐非常重。虽然燃用生物航空燃料的飞机已经试航过几次，但生物燃料能否满足大型客机所要求的生产规模和低廉价格，目前尚不清楚。供船舶使用的生物燃料也面临同样的问题。

那么，我们如何把CO2浓度保持在现在的389 ppm（ppm为百万分之一）呢？除了禁止使用含碳燃料以外，另一个选择就是除去空气中的CO2。通过大面积植树造林可以吸收一些CO2，但是人类生产的CO2实在太多，以至于我们没有足够的土地来种树吸收它们。幸运的是，如果把过滤装置想象成人造树林，它们捕获CO2的能力要远远超过同样面积的天然树林。

世界各地的一些研究团队正在研制捕获CO2的原型机，其中包括美国的佐治亚理工学院、加拿大的卡尔加里大学、瑞士苏黎世联邦理工学院，还有我所在的美国哥伦比亚大学和全球技术研究公司（Global Research Technologies，位于亚利桑那州图森市）的团队（参见第67页边栏）。所有的设计虽然各不相同，但原理都一样：当空气流过一种结构时，它与一种“吸收剂”接触。这种材料用化学方法抓住CO2，只让氮气、氧气和其他气体飘走。

要减轻气候变化，就必须大规模捕获CO2，不过关于捕获的基本概念早就存在。几十年来，洗涤式装置已能脱除潜水艇、宇宙飞船内人员呼吸产生的CO2，以及用来生产液氮的空气中的CO2。各种化学工艺都能完成这种洗涤过程，而使用固体吸收剂的装置有希望以同样能耗捕获最多的CO2。早期的小型原型机表明，广泛应用这些使用固体吸收剂的装置，可能会阻止甚至逆转大气中CO2的增加。

一种大型过滤装置

空气捕获装置可以像树叶一样有不同的形状和大小。示范装置想要胜过实验室原型机，每台每天应该捕获一吨到数百吨CO2。由美国哥伦比亚大学和全球技术研究公司提出的一种设计，提供了这项技术如何工作的示例。将吸收剂材料制成的细纤维排列成宽1米、高2.5米、类似于炉膛过滤器的大型平板式过滤器。直立的过滤器平板将绕水平圆形轨道旋转，而这个轨道安装在一个标准的40英尺（12.2米）集装箱上（见第64页示意图）。平板将暴露在空气中，一旦吸附了CO2，它们就脱离轨道，下降到集装箱中的一个再生反应腔室内。在那里，捕获到的CO2气体将从吸收剂中释放出来，并被压缩成液体。恢复活性的平板将回升到轨道上，去捕获风中更多的CO2气体。

由空气捕获机收集的CO2可以应用于工业以获取收益，也可以像大型碳捕集与碳封存（参见《环球科学》2006年第10期《埋葬二氧化碳》）试验系统（主要计划应用在燃煤电站）所做的那样，通过管道泵入地下。另一种诱人的选择是，可以将CO2气体作为原料制取合成液体燃料，用于交通运输。电可以从CO2分子和水（H2O）分子中各分解出一个氧原子，得到的CO和H2的混合物就是合成气（synthesis gas），将它们用作燃料和塑料的原料已近一个世纪之久。多年来，南非萨索尔能源公司已经用煤制得的合成气制成合成汽油、合成柴油。因此，空气捕获可以抵消化石燃料车辆排放的CO2，或者帮助合成液体燃料代替这些化石燃料，不再需要采掘和钻取煤、石油或天然气。

当然，空气捕获不能仅仅停留在化学层面，它还必须是切实可行、经济合算和高能效的。要切实可行，从空气中捕获CO2的装置就必须足够紧凑。通常情况下，在风力发电地区，常见的风速为6m/s，此时不管是在地面还是高处，每天都会有700多千克的CO2通过像门一样大小的风口。这个数量相当于相同时间内13个美国公民的CO2排放量。空气捕获装置不会遇到如此高的风速，而且过滤器会降低流速，并且不可能捕获所有的CO2，所以捕获装置需要紧凑。

成本估算必须考虑两个基本步骤：一是吸收空气中的CO2，二是从吸收剂中释放出碳。基于与风车的对比结果，我一开始就得出结论：使用吸收剂过滤空气的成本可以较低，随后从吸收剂中释放出CO2是整个工艺成本的决定性环节。不管如何，与洗涤数百万车辆的排气管相比，空气捕获依然是一种更为切实可行的选择，因为在前一种方案中，大量的CO2将不得不储存在各个车辆上，再送回到收集点（内燃机每燃用1千克汽油产生3千克CO2）。因此，洗涤大气更为切实可行。

湿式或干式吸收剂

从化学家的角度来看，成功的吸收剂必须牢牢抓住CO2，足以吸收这种气体，但也不能抓得太牢，否则随后释放和封存这一气体的成本就会很昂贵。相比燃煤发电厂废气中10%~15%的CO2浓度，大气中CO2的浓度只有0.04%。但是，吸收剂的吸附强度随CO2浓度变化的影响很小，因此用于空气捕集的吸收剂在吸附强度上，可以达到用于废气洗涤一样的水平。

吸收剂可以制成固体或液体。液体便于在吸收器和再生器间传输，因而更具吸引力。维持液体与大气有足够接触面积是一大挑战，但这一问题的化学工程方法已经被理解得很透彻了。就职于加拿大卡尔加里大学和一家名为“碳工程”的新公司的戴维·基思（David Keith），就让氢氧化钠溶液在一个塑胶表面的基床内慢慢流动，再用风扇把空气吹进基床。输送液体很容易，但是CO2与氢氧化钠的紧密结合使得从吸收剂中脱除CO2相当困难。

固体吸收剂之所以可取，是因为它们的表面可以是粗糙的，提供了更多抓住CO2分子的位置，从而提高了捕获率。固体吸收剂在再生器间的来回输送比液体困难。然而，一个名为“全球恒温器”的合资公司在美国佐治亚理工学院研究的基础上，正在研究可通过加热释放已捕获的CO2的固体吸收剂。

固体和液体吸收剂都取决于酸碱化学过程。CO2是酸性的，大部分吸收剂是碱性的，它们互相反应形成一种盐。以氢氧化钠为例，它俗称烧碱，是一种强有力的吸收剂，能抓住CO2，生成碳酸钠（苏打）。碳酸钠依然是碱性的，可以继续吸收额外的CO2，变成碳酸氢钠（小苏打），这还是一种碱。其他吸收剂也会发生同样的化学过程。

原则上，从碳酸氢盐（bicarbonate）中脱出CO2，并把吸收剂还原到氢氧化物的状态是可能的，这样吸收剂便可连续循环使用。但实际上，再生方法似乎只能成功一半：要么从碳酸氢盐中脱除CO2生成碳酸盐（carbonate），要么从碳酸盐中脱除CO2生成氢氧化物，两者不可兼得。碳酸氢盐与碳酸盐之间的循环利用更有优势，因为这样从吸收剂中释放CO2的耗能较少。

有几类新型吸收剂的性质介于碳酸盐和碳酸氢盐之间。其中一类由所谓的“阴离子交换树脂”（anion exchange resin）构成。这些塑胶状的碳酸盐聚合物被用在各种化学工艺中，包括制备去离子水。树脂中的正离子是固定的，负离子是游离的。用含有另外一种负离子的溶液冲洗树脂，就可以实现负离子的互换。

全球技术研究公司已经发明了一种这样的碳酸盐树脂。用干燥的树脂制成的过滤器暴露在风中吸收CO2，直至树脂全部转化成碳酸氢盐状态。把树脂浸湿就可以释放已捕获的CO2，使树脂回复到碳酸盐状态。等树脂干燥后，便可以再次吸收CO2。

在我们设计的系统中，已吸附CO2的过滤器将降落到集装箱内的再生腔室中。里面的空气会被抽出，然后加入水（可能以雾状形式）。潮湿的树脂将释放出CO2，后者会被抽出并压缩成液体。压缩也会使残余水蒸气凝结成纯水，可以回收再利用。净化了的过滤器将回升至再生腔室上方干燥，然后在集装箱顶上重新吸收CO2。

这种装置的能耗由两步决定：第一步是从再生腔室中抽出空气，第二步是将CO2从低于一个大气压压缩到液化压强（几十个大气压，取决于温度），第二步的能耗比第一步多得多。使用我们的设计方案，收集1千克CO2的整个过程要耗电0.306度。以美国电厂的平均水平为基准，生产0.306度的电会释放0.21千克CO2。因此，空气捕获过程收集的CO2远多于生产其所需能量时释放的CO2。

实际捕集CO2所需能耗的成本大约为每吨15美元，比洗涤烟道中烟气的成本高不了多少。然而目前，推广这种设备的大多数成本会在制造和维护方面，这些成本会随产量的增加而减少。我预计，空气捕获的初始成本在每吨CO2 200美元左右，随着更多的收集器被建造出来，成本将会急剧下降。

利用、埋存CO2

除了埋存，我们还能怎样处理所有捕获到的CO2呢？有好几种选择已经浮出水面。

很多企业要使用CO2，用于制造碳酸饮料、冷冻鸡翅、制造干冰等。CO2气体也可用于促进室内作物生长，还能作为一种无污染的溶剂或制冷剂。CO2的源头工业还很少，因此CO2价格由运输成本牵动。在美国，CO2售价通常高于每吨100美元，但在偏远地区，价格可能升至两到三倍。世界市场每年CO2交易量接近3 000万吨，其中一部分可以通过空气捕获来供给。

利基市场(Niche market，即小众市场)，如食品加工业，可以提供一个立足点。随着更多空气捕获单元被制造出来，价格将会下降，市场规模也会扩大。一旦捕获每吨CO2的价格远低于100美元，捕获CO2也可以作为一种碳排放额度 （carbon credit）上市销售，就像伦敦碳交易所里进行的交易一样。

还有一些新兴市场可以加快这一技术的成熟。从上世纪70年代起，石油公司就已购买CO2来提高二次采收率。CO2气体被泵入地下，从采收过的油气田中挤压出更多的石油或天然气（参见《环球科学》2009年第11期《石油：100年都用不完》）。如果CO2来自空气捕获，石油公司就可以为留在地下的CO2气体申请碳排放额度：一般将近一半注入的CO2气体会自然地留在地下。提高石油采收率是一个潜在的大市场，但是很多油田远离CO2源。在油田处安装空气捕获装置正好可以改变这种情况。

然而，随着清洁能源的出现，空气捕获真正价值会是用CO2原料来生产洁净的液体燃料。如前面所述，已有完善的技术，如电解和逆向水气变换反应，可以用CO2和水生产合成气，进而生产出合成燃料。所需的电力是这一工艺的最大成本。

除非燃料合成的成本降到可以承受的地步，否则我们将不得不另外安置人类活动排放的所有CO2。目前人们正在研发地质封存、矿物封存之类的技术，用来储存在电厂收集的CO2。空气捕获可以使用相同的储存方法，捕获装置也可以在安置点就地安装。

全球变冷

在清洁运输技术的效能大大提高之前，脱除空气中的CO2能允许汽车、飞机和轮船继续燃用液体燃料，它们的排放将通过遥远的空气捕获装置捕获。“遥远”是关键。与臭氧或硫氧化物不同，CO2能在大气中存在几十年到几个世纪之久，为其广泛扩散提供了充足时间。因为大气混合得相当均匀，所以在澳大利亚脱除空气中的CO2而到北美换取碳排放额度是合理的。甚至在排放之前，等量的CO2气体就可以从空气中脱除。在一辆汽车离开装配线之前，通过捕获其全寿命期的预估CO2排放量（100吨），可以实现车辆的碳中和（carbon neutral）。

空气捕获也可以是电站减排CO2的廉价方法，尤其是那些不易安装尾部烟道洗涤器的老机组，或者那些远离储存点的机组。而且在未来的世界中，大气中CO2浓度已经稳定后，空气捕获甚至可以降低CO2的浓度水平。实际上，空气捕获能够处理过去的CO2排放。

除了成本问题之外，批评者认为大量的空气捕获装置会消耗很多能量，他们指出，过滤器是塑胶制成的，而塑胶来源于石油。依我看来，更实质性的障碍是，每捕获一吨CO2，随着潮湿过滤器的干燥，好几吨的水将会蒸发到大气中。但是，如果空气捕获能够大规模应用，它就可以开始修正气候变化。每个可移动的装置每天能捕获一吨CO2，1 000万个这样的装置一年将捕获36亿吨CO2，这样每年CO2浓度会下降约0.5ppm。随着时间的推移，如果该装置每天能处理10吨（这需要改进吸收剂），每年的CO2浓度将下降5ppm，超过目前全球CO2的增加速率。虽然1 000万个这样的装置看起来很庞大，但是要知道，全球每年生产的小轿车和轻型货车，就有7 100万辆之多。

一开始，捕获CO2的成本会比较高，正如前面提到过的约为每吨200美元。但是如果该技术的发展遵循典型的研发和制造规律，最终的捕获成本将由材料和能耗主导，可以控制在每吨30美元的范围内。到了这一步，捕获一加仑汽油所排CO2的成本，会使每加仑汽油的销售价格上涨25美分——这点代价绝对值得支付。