减排工作确实艰巨。去年，全球排放了超过 370 亿吨二氧化碳，创下历史新高。因此，从大气中吸收二氧化碳已成为一个越来越受欢迎的想法。世界各国政府都希望利用这项名为直接空气捕获的技术来实现气候目标，避免气候变化带来的最严重后果。
然而，尽管全球范围内已有十多个直接空气捕获设施投入运行，但该技术仍然面临着重大的技术障碍，包括其自身的高能耗。
在 5 月 1 日发表在《A Energy Letters》杂志上的一项研究中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员及其合作者透露，许多工程师正在探索的一种降低能源成本的流行方法实际上会失败。该团队包括科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室和荷兰代尔夫特理工大学的科学家，他们还提出了一种替代的、更可持续的设计来捕获二氧化碳并将其转化为燃料。
“理想情况下，我们希望从空气中去除二氧化碳，并使其不进入空气，”本文第一作者、化学与生物工程系博士生 Hussain Almajed 说道。“然而，这些二氧化碳中的一部分可以回收利用，制成有用的含碳产品，这就是为什么研究人员提出了不同的实现方法。其中一些想法在纸面上看起来非常简单和优雅，但研究人员很少检查它们在工业环境中是否实用且经济。”
捕获气体
最常见的直接空气捕获方法之一是使用空气接触器，本质上是巨大的风扇，将空气吸入充满碱性液体的腔室。二氧化碳是酸性的，因此它自然地与溶液结合并发生反应，形成无害的碳酸盐(混凝土中的主要成分)或碳酸氢盐(小苏打中的成分)。
位于德克萨斯州、正在建设中的世界上最大的直接空气捕获设施之一 Stratos 就采用了这种方法。
一旦二氧化碳被困在碳酸盐或碳酸氢盐溶液中，工程师必须将其从液体中分离出来，以便液体可以返回到室内以捕获更多的二氧化碳。
同时，捕获的碳可以转化为塑料、碳酸饮料等，经过进一步加工，甚至可以转化为家庭和飞机的燃料。
但有一个问题。为了释放被困住的二氧化碳，公司需要将碳酸盐和碳酸氢盐溶液加热到至少 900˚C (1,652° F)，这是太阳能和风能无法达到的温度。这一步骤通常通过燃烧天然气或纯甲烷等化石燃料来提供动力。
科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程系教授、可再生与可持续能源研究所研究员威尔逊史密斯表示： “如果为了捕获二氧化碳我们必须释放二氧化碳，那就违背了碳捕获的整个目的。”
闭环
研究人员正在积极寻找答案。一种通常被称为反应捕获的方法，就是将电应用于碳酸盐和碳酸氢盐溶液，将室内的二氧化碳和碱性液体分开。理论上，回收的液体可以捕获更多的二氧化碳，形成一个闭环系统。
“反应性捕获现在是该领域的流行词，研究人员提出它可以帮助节省与碳捕获相关的能源和成本。但没有人真正评估过这在工业条件下是否可行，”Almajed 说。
为此，该团队根据给定的输入计算了反应捕获单元的质量和能量输出，以了解整个系统的性能。他们发现，在工业环境中，电力无法再生基本液体，从而从空气中重新捕获更多的二氧化碳。
事实上，经过五次碳捕获和再生循环后，这种碱性液体几乎无法从空气中吸收任何二氧化碳。
研究团队还建议对反应捕获过程进行调整，增加一个称为电渗析的步骤。该过程将多余的水分解成酸性和碱性离子，有助于保持碱性液体吸收更多二氧化碳的能力。电渗析可以使用可再生电力，使其成为一种将捕获的二氧化碳转化为有用产品的潜在可持续方式。
更重要的是，电渗析可以释放二氧化碳气体，工程师可以利用这种气体来增强混凝土。
史密斯说： “在我看来，将二氧化碳转化为岩石是让其长期不进入空气的主要解决方案之一。”混凝土生产是能源密集型的，占全球碳排放量的 8%。
他说：“这是用一种技术解决多个问题。”
问题的根源
根据联合国召集的科学家团队——政府间气候变化专门委员会(IPCC)的说法，“去除二氧化碳是实现全球和国家二氧化碳和温室气体净零排放目标的必要条件”。
世界各地目前有 20 多个直接空气捕获工厂正在运行，还有 130 多个正在建设中。
但史密斯强调，虽然碳捕获有其作用，但减少排放仍然是避免气候变化最坏后果所需的最关键步骤。
“把地球想象成一个浴缸，水龙头流出的水就是二氧化碳。浴缸里的水越来越满，变得无法居住。现在，我们有两个选择。我们可以用一个小杯子一杯一杯地舀水，或者关掉水龙头，”史密斯说。
“减少排放必须是首要任务。”
更多信息： Hussain M. Almajed 等