碳捕捉

劉強

今年全國兩會后，“碳中和”成為被頻頻提及的熱詞。碳中和，是指國家、企業、產品、活動或個人，在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，自己抵消自己產生的排放量，實現正負抵消，達到相對“零排放”。

在眾多碳中和技術路徑中，有一個治理思路，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景而格外引人注意，那便是碳捕捉。那么，排出去的二氧化碳，怎么能捕捉回來呢？

全球碳預算總額將在2045年耗盡

2013年，人類在夏威夷島上的環境監測站測得大氣二氧化碳濃度超過了400ppm（百萬分之一，濃度單位）的警戒線。二氧化碳濃度的持續上升成了科學家心頭揮之不去的陰霾。

地球溫度正在上升，極端天氣、森林火災、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國際社會迫在眉睫的問題。二氧化碳作為最主要的溫室氣體，被認為是遏制氣候變暖的突破點?！疤贾泻汀钡母拍顟\而生。

眾所周知，以石油、煤炭和天然氣為代表的化石能源，是現代工業的基礎，它們都是由古代生物的遺骸經歷一系列復雜變化形成。這些深藏地殼深處、花費成千上萬年完成轉化的富碳資源，在過去不到100年的時間，被人類挖出、提煉、轉化、焚燒……驅動人類文明走向物資繁盛，也成為二氧化碳的主要來源。

你可能很難想象，我們手里不到200克的手機，其生產過程會產生大約100千克的二氧化碳排放;汽車發動機每燃燒1升燃料，會向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳;生產1千克牛肉，會產生將近300千克的碳排放。

面對這一困境，各國在2015年12月12日的巴黎氣候變化大會上通過《巴黎協定》。《巴黎協定》約定，各國的長期目標是將全球平均氣溫，較前工業化時期上升幅度控制在2℃以內，并盡力將其限制在1.5℃以內。

以其目標上限2℃計算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是人類第一次清晰界定了環境承受的極限邊界。

經過政府間氣候變化專門委員會（ICPP）測算，自19世紀工業革命以來，全世界累計排放已超過6000億噸，超過該預算總額的60%。根據當前的排放速度估算，若不采取強力干涉措施，全球碳預算總額將在2045年耗盡。

碳預算超支的前景，不單指向全球升溫2℃導致的海平面上升，還將宣告人類對于氣候變化調控的徹底失敗。伴隨兩極冰川融化，后續升溫速度會愈加迅速，最終釀成一場攸關人類存亡的巨大災難。

除了種樹固碳還要用高科技干預

從邏輯上講，減少大氣中的二氧化碳有兩個努力方向：一是減少輸入，即在最短時間內轉變我們的能源獲取方式，不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料，減少人類活動產生的二氧化碳;二是增加去路，即盡最大可能提高環境和人工二氧化碳的固定能力，直接降低大氣中的二氧化碳濃度。

第一條路徑，目前可謂困難重重。因此，第二條路徑——提高環境和人工二氧化碳的固定能力，成為技術研發的焦點。

花草樹木，不單單是美麗的人間風景，也是勤勉的固碳小能手。植物始于本能的光合作用，仿佛是它們給予地球的美妙祝福：吸收二氧化碳和水，合成構建植物軀干的有機物質，并釋放氧氣。森林作為陸地生態系統的主體，就是陸地上最大的“固碳倉庫”。

然而，植物雖然能固碳，但時效性慢，難以在短時間內遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。通過工程干預進行碳捕捉，這一思路便應運而生。

當前碳捕捉技術的核心目的，是將人類活動產生的二氧化碳收集起來，加以儲存甚至利用，避免其排放到大氣中。主要技術方向有三個，分別是：碳捕捉與儲存、碳捕捉與能源化利用、碳捕捉與資源化利用。

碳捕捉與儲存把二氧化碳封存在地下

碳捕捉與儲存，即從人類工業生產或單純的化石燃料燃燒的尾氣中分離出二氧化碳，儲存起來使其不進入大氣。該過程通過燃燒后技術，或采用低碳的燃燒前技術，直接從煙道氣流中去除二氧化碳。完成二氧化碳捕捉后，再通過管道將其注入一定深度的地下巖層中封存起來。

通常的封存地點是廢棄油田、氣田等。雖然有研究表明，采用高壓注水等途徑，可以加速使二氧化碳以碳酸鹽的形式和地殼巖塊結合，實現穩定儲存。但這些碳，終究只是以“打盹”的形式，維持著微妙的平衡存在于地殼之中。一些科學家擔心，頻繁的地殼活動，終有一天會將這些氣體送回地面，其技術安全性還有待加強。

碳捕捉與能源化利用二氧化碳也能做燃料

這是將二氧化碳捕捉之后，再次用來獲取能量的一項技術路徑。簡單說，就是把二氧化碳變成燃料。二氧化碳一直是燃料燃燒后的尾氣成分，甚至被用來滅火，“二氧化碳燃料”這個名詞組合，難免讓人感覺有些怪異。但科學家真的讓這種奇思妙想變成了現實。碳捕捉后進行能量開發，最先人們考慮的是，采用太陽能模擬植物光合作用，將二氧化碳固定成燃料。結果發現，即便實現了這個反應，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，有點得不償失。

直到熱機工作原理的新認識出現，相關技術才開始突飛猛進。以往熱機工作都是通過燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅動熱機運轉。容易想到，加熱不是熱機工作的目的，而只是手段。如果我們的燃料原本就是極低溫的，恢復到正常溫度，也會產生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅動熱機運轉。

二氧化碳恰是這樣一種神奇物質。常壓下，它以零下78.5℃超低溫、固態干冰的形式存在;到了約10個大氣壓的環境中，又會變成液體流動，便于輸送。如果用干冰作為工作介質，就可以吸收環境中的熱量，從而受熱氣化。如果這一過程被限制在一個封閉容器中，就可以得到數十個大氣壓的常溫二氧化碳氣體。理論上，這種高壓、常溫氣體，完全可以推動氣動機械做功。

根據這一理念，低溫熱機迅速誕生。這幾乎是蒸汽機革命之后，人類對驅動能源做的最有意思的一次嘗試。碳捕捉完成后形成的干冰物質，作為驅動熱機運轉的燃料，氣化后釋放到空氣中，之后再次被捕捉回來，從而保持一種人類活動與大氣狀態之間的奇妙平衡。

碳捕捉與資源化利用代替石油做化工原料

這是另一個絕妙的固碳方案，即把二氧化碳作為工業生產的原料使用。我們當前絕大多數的人造材料、合成制品，都是石油化工的產物。換句話說，就是都源自地球上的動植物數億年前收集的二氧化碳。理論上，以今天人類對物質的認識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳，用于制備當前從石油中衍生得到的化學品和材料。其關鍵在于，在這天馬行空的改造中，怎樣有效控制成本。

碳捕捉技術，不僅正視了這個問題，還第一次將二氧化碳作為一種資源加以重視。以人類文明發展的眼光看，比起焚燒產生的那點熱量所帶來的經濟效益，二氧化碳巨大的潛在利用價值，才是真正的寶藏。

二氧化碳是一種極其穩定的分子，作為原料參與化工合成，需要吸收大量能量。這也意味著其轉化成本非常高昂。科學家們必須先找到一條低耗能的轉化路徑。事實上，截至當前，基于二氧化碳的產品開發技術，已經衍生出諸如建筑材料、化學品、塑料聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。對于其資源化利用的明天，我們盡可拭目以待。

負碳而行一場“冷靜地球”的賽跑

焚燒，可以說是人類延續最久的“超級技能”。幾千年來，焚燒的介質從木頭、油蠟、煤炭，一直到今天門類齊全的石化天然氣，文明的火把相傳至今。過去千百年，獲取這份燃燒的熱量，便是焚燒的全部意義。逃逸到大氣中的二氧化碳，似乎是一件極其尋常的事情。

即便是到今天，人類對二氧化碳排放“大戶”——化工廠、水泥廠、酒廠、火電廠等進行環境評價的時候，仍然主要關注其排放物中是否有硫化物、氮氧化物、粉塵等特殊化合物，作為排放主要成分的二氧化碳，卻似乎無能為力。

而碳捕捉技術，不僅正視了這個問題，還第一次將二氧化碳作為一種資源加以重視。以人類文明發展的眼光看，比起焚燒產生的那點熱量所帶來的經濟效益，二氧化碳巨大的潛在利用價值，才是真正的寶藏。

隨著碳捕捉技術成熟，回收成本漸低，利用捕捉的二氧化碳進行工業生產，將變得十分尋常。

◎ 來源|北京日報