二氧化碳中混有一氧化碳怎么除杂（逆向思维从空气中捕捉二氧化碳）

导读：“30·60碳中和”目标是中国在气候领域做出的承诺，将为全球气候变化事业带来重大突破目前实现碳中和的方法，大多致力于从排放端进行控制，那么换个思维，从空气中捕捉已经排放的二氧化碳，可行吗？ 如何从天平右端入手更好地完成双碳目标？在此过程中面临哪些挑战和机遇？对此，观察者网专访了哥伦比亚大学终身教授、地球工程中心主任、美国青年科学家总统奖获得者陈曦，现在小编就来说说关于二氧化碳中混有一氧化碳怎么除杂?下面内容希望能帮助到你，我们来一起看看吧!

二氧化碳中混有一氧化碳怎么除杂

导读：“30·60碳中和”目标是中国在气候领域做出的承诺，将为全球气候变化事业带来重大突破。目前实现碳中和的方法，大多致力于从排放端进行控制，那么换个思维，从空气中捕捉已经排放的二氧化碳，可行吗？ 如何从天平右端入手更好地完成双碳目标？在此过程中面临哪些挑战和机遇？对此，观察者网专访了哥伦比亚大学终身教授、地球工程中心主任、美国青年科学家总统奖获得者陈曦。

哥伦比亚大学终身教授、地球工程中心主任接受观察者网专访

【采访/观察者网 刘惠 整理/邢晓楠】

观察者网：您讲过要实现碳中和的⽬标，可以从天平右端入手，从空⽓中⼤规模捕集⼆氧化碳是必不可少的⼿段之⼀。如何理解？我们可以怎么做？

陈曦：如果把碳中和看作天平，可以这样理解：天平左端是现在排放二氧化碳的企业和产业，需要减排。左端的砝码要降下来，用的技术包括清洁能源、能效提升、节能减排、电能替代、能源互联网等方式。

天平右端是现在碳汇能力（carbon sink，指通过植树造林、植被恢复等措施，吸收大气中的二氧化碳，从而减少温室气体浓度地过程），我们到底能够吸收多少碳？这里面包括碳的捕集、利用和封存以及负排放。

左端的很多技术目前不太成熟，太阳能、风能要进一步大规模利用，真正取代化石能源的话，必须解决储能问题。全世界科学家几十年来投入上千亿美元，目前除锂电池之外没有看到下一个储能的曙光。

同时，我们看一下天平右端。如果一味依赖生态系统，靠植树造林的话，自然界吸收空气中二氧化碳的能力是以数万年为单位，想短时间靠大规模种树来吸收二氧化碳，一定程度上不符合自然界规律和生态平衡。

解铃仍须系铃人。碳是工程化手段排放，如果天平右端能用工程化手段增加碳的吸收能力，能极大减轻左端天平压力，也就是现在很多企业面临的能源结构转型的迫切压力。

国际能源署明确指出如果没有CCUS碳捕捉利用封装技术，每个国家排放目标都无法实现，这也是对天平右端定义。我们现在要聚焦的就是天平的右端，事实上，红杉资本提出十大领域当中，三个跟天平右端直接挂钩，过去考虑光伏风电等，现在考虑的是工业化减碳。

我们应该发展两个全新产业链，目前不存在，但相信以中国的能力、中国全产业链体系可以短时间打造两个产业链，一个是碳捕集、另一个是碳利用。碳捕集可以用空气方式捕集二氧化碳，碳利用可以用多种方法，比如用化工方法把二氧化碳变成燃料和原料，用生态方法提升富碳农业等等，最后助力达成碳交易、碳经济，从此碳交易以实实在在的数量衡量。

我们提议以碳捕集和碳利用为核心形成工业互联网图。在这三个板块当中捕集是核心，有捕集才有后续，捕集要集中排放源又要面向空气捕集，其他比如说交通业排放都到空气当中。

碳捕集和碳利用为核心的工业互联网图。图片来源：观学院

接下来是利用，各个行业需要的二氧化碳等级不一样，富碳农业需要二氧化碳浓度非常低，植物已经足够进行光合作用。所以说，下游需要什么上游捕集就提供什么，这样形成一个最优化碳足迹。最后多余的进行碳封存，这三个板块形成一个工业互联网体系。

从全球来看，因为二氧化碳问题是全球问题，像印度、非洲等地，还没有开始大规模排放。他们一旦开始大规模排放，碳问题将会面对集中考验。一般来说，二氧化碳的集中排放和移动排放各占一半，我们特别关注移动排放，因为移动排放意味着能够把碳捕集利用做成分布式，这样的市场让第三方资本非常容易进入，能更好地推动普及和商业化。

不同的排放源有不同的排放特性，比如像化工行业排放的二氧化碳浓度比较高，交通、农业排放二氧化碳浓度比较低，用的捕集手段也相应地不一样。目前，集中捕集还有很长一段路要走，当前中国所建成的电厂，最大的刚刚才进入调试阶段，集中捕集设施年捕集15万吨，我们每年碳排放量100亿吨，中间差十万个数量级。

能源革命战略下中国碳排放轨迹（2000-2030）。图片来源：广州交易所集团

分布式捕集从空气当中捕集，优点在于可以遍地开花，以少胜多，最终达到很大规模体量。空气捕集可以非常完美衔接下游的利用，因此减少了运输成本，而这对集中捕集运输是一个非常大的考验。

空气捕集也是唯一能够使大气中二氧化碳含量下降的技术，是唯一的工程化负排放技术，也是唯一能够最终实现人类负排放的目标技术。

我并不是第一个提出空气捕集的人，但是为什么世界很多人没有把空气捕集这个事儿做成？因为空气捕集线性思维还是用集中捕集思维。

无非就是二氧化碳酸性气体，用碱水进行酸碱中和反应可以捕集二氧化碳，这里面最大问题是捕集完总得把二氧化碳分离出来拿去交易或者制造成产品，一旦二氧化碳吸附脱离出来，酸碱蒸发反应倒过来一定要加热加压，这就意味着有更多能耗输入，造成更多排放，事实上在很多集中捕集中，为还原吸附剂加热代表的化石能源造成的排放会多于捕集碳。有人说废热行不行？理论可行，但丧失空气捕集移动性的优点。

我们首先从科学原理颠覆它，二氧化碳只溶于水才能变成碳酸进行酸碱中和反应，很多人忽略了水分子化学反应式。

温度控制下可逆化学反应。图片来源：观学院

我们十年前在世界上首次提出，在纳米约束环境下，相当部分的水合反应可逆，只要控制湿度可以让某些化学反应正向和逆向进行，二氧化碳吸附和脱附只要控制空气湿度就可以，我们用石墨烯做这个实验，二氧化碳浓度很快变化，可以吸附和脱放二氧化碳，浓度都是几百个PPM对应空气当中浓度。

任何多孔材料都可以做这个事情，吸附二氧化碳离子之后颜色变化，二氧化碳浓度也变化，只需要最后把响应材料吹干。

过去几年，我们一直深化完善这个技术，到今天我们已经成功发展出十个系列，包括能够直接面向空气捕集，也能够直接面向集中排放源捕集，也能够面向天然气脱碳一系列材料，制造工艺、量产等已经很成熟，且成本极低，一吨这样的材料造价在一万人民币左右，材料可以每天处理一亩左右的二氧化碳，几分钟可以实现一个循环。

特别针对低浓度碳脱除非常有竞争力。只需要一个化工的设备，操作简单，占地面积小，比集中捕集的设备便宜一个数量级左右。

成本和二氧化碳的浓度密切相关，如果二氧化碳浓度比较低，1%的二氧化碳用富碳农业，运营成本基本是零，如果浓度比较高的话，我们运输二氧化碳的成本也要三四百一吨，这和电厂集中捕集二氧化碳的成本相当，而且电厂捕集还有非常昂贵的每吨每公里一百块的运输成本，我们这里没有运输成本。

空气捕集模块化示范系统。图片来源：观学院

我们捕集到二氧化碳之后，就可以将它应用。第一个大的应用点在富碳农业。植物光和作用所需浓度较低，如果把捕集的浓度过高的二氧化碳稀释完再给大棚植物用，无疑是巨大的浪费。

这个时候，把我们的新型材料放进大棚，当周围的空气比较干燥，它就会从中吸收二氧化碳。周围环境变到湿润的时候，它就可以把二氧化碳释放出来，一个大棚可以实现约20%左右的增产。同样，通过阳光房的设计，也可以提升藻类光合作用和产量，藻类也可以助力畜牧业和渔业的发展。

用工程化的手段掌控和驾驭碳循环，将二氧化碳变废为宝。图片来源：观学院

第二个大的领域是低碳水泥。全世界所有的原材料，水泥的用量远远超过各种有色金属，而水泥本身有碳吸收能力。如果我们在水泥预制件刚成型的时候，把二氧化碳封存到水泥件里面去，就可以在提升水泥本质的同时将水泥的性能增强，是一举两得的事情。

按照欧盟现在的碳汇体系，可以算碳汇，国家可以给补贴。把二氧化碳放在水泥里面，水泥的强度、抗渗性、耐磨、耐腐蚀性都有增强，本身水泥价值也会上升。而且我们也并不需要纯二氧化碳，只需要浓度很低的，几十块一吨的20%浓度的二氧化碳就够。

除了水泥以外，像钢渣这些建筑骨料也都可以通过碳养护的形式，把碳永久地固定下来。虽然说这个方面和中国现在100亿吨地排放量还是不成比例的，但是可以先实现零到一的转变，先进入这个行业，制定有关标准，那么之后，中国甚至能够出口有关的技术和标准。

观察者网：您刚讲了农业和建筑上的应用，在商业方面碳捕集会有哪些应用？碳捕集和碳利用会带来哪些科技创新和产业机遇？

陈曦：在商业方面，比如说鲜花。在二氧化碳氛围中，鲜花花期可以从一周延长一个月甚至更长，从此鲜花不一定非用飞机运，甚至可以用卡车运。

例如啤酒里的气泡。我们生产制造一批专门的二氧化碳捕集的生态系统和气泡水系统，就可以应用到啤酒生产里。

再比如天然气升级、油田助产都是分布式新赛道。综合碳捕集和碳利用的工业互联网体系，可以形成分布式碳中和为基础的一个零碳、负碳循环经济体，由产业革命带动振兴乡村经济，把碳循环、能源循环、水循环囊括在一起。

碳中和天平右端能够给我们带来很多新的颠覆性的科技创新与产业机遇。通过分布式按需捕集，结合多路径分浓度综合利用，能够将二氧化碳变废为宝，以创新链驱动CCUS（碳捕获、利用与封存）产业链，打造新的经济增长点和新赛道。

观察者网：在能源结构调整⽅⾯，中国⽬前的进展如何？需要克服哪些困难？

陈曦：人类社会发展必须以能源支撑，能够满足人类巨大经济体量的能源只有三个：太阳能、核能、还有化石能源。

过去100年，主导化石能源，它最便于开采，能量密度也高，成本最低，但带来的碳排放问题为全世界所关注。然后是核能，我认为核能被耽误是非常可惜的，因为一些灾害造成它频频进入大众视野，核能得到稳健开发后应该是能够担起主力的。

最后就是太阳能。我们说的氢能战略，本质上还是要用太阳能电解水来获取氢能。目前，太阳能最大的问题是效率已经到了极限，无法再往上升。虽说中国是世界上光伏产业最领先的，太阳能的单位成本已经降到全世界最低了，但其成本也快降到极限了。

而且太阳能也不是万能的，它有几个严重的缺点。首先，太阳能面板制造所产生的高能耗是一个问题。第二，太阳能面板在5~10年之后报废回收，也是会占用很多的社会资源。

第三，最致命的一点就是间歇性。太阳能每天只有四五个小时比较顶峰，一到傍晚就什么都没了。如果说家庭级的储能系统还能顶一顶的话，电网级的储能系统目前还没有看到曙光。

在这种情况下，我们企业该怎样来调整能源结构？一方面，从能源结构上来说，电能替代是一个大趋势，因为电能是最快的，可以省掉过去用管道来运输化石能源的时间。电能调配、数字化也会相对更方便，有利于优化效率。但并不是每行每业都适合用电能的，即使光伏的电能解决24小时稳定性，仍然有很多新的问题。

比如，现在的制造业、采矿业，很多时候还是要靠大规模的热能。再比如炼钢行业在实际的生产过程当中，像化学合成这些步骤都需要用到热能。我们认为最终某一天，全社会都用电能。可在当前情况下，如果把用热能的地方全用电能来代替，就会遇到一个新的大问题——能源效率的问题。

电从哪里来？要么从光伏来，要么从电厂来。包括到2030年，我们绝大部分电还是会从电厂来。电厂把热能转化成电能，这个过程中三分之二的热能被浪费掉了，只有三分之一能变成电能。

如果工厂需要用热能，而现在用电炉来提供热能的话，就会平白无故地把三分之二的热能丢弃掉，成本也会有巨大的上升，实际上是很不划算的浪费行为。所以一部分这样的企业是否需要一刀切。转换到电能替代，这是很值得商榷的。

包括现在我们也在讲一些概念，比如未来新能源汽车会不会成为主流？现实却是消费者并不买单。目前新能源车除了充电的里程焦虑之外，很大一个原因在储能上，这就导致二手车卖不上价钱，电动车的二手车市场发展不起来，中国现在一辆新能源车动辄就六七十万、七八十万，买完之后却不能像房子一样增值，反而过两三年就没人买了。

即使有车企提供换电池的服务，那么电池产权是谁的呢？属于车企的还是车主的？这块现在仍然不明晰。至于有的人说可以卖掉电池，姑且不说锂电池的正常使用寿命就是三四年，磷酸铁锂电池最多四五年。这种情况下，锂电池的的回收、处理等也会成为一个巨大的负担。

现有柔性电池方案均存在致命缺陷。图片来源：观学院

目前来看，尽管我们在逐步引导各个车企尽量少开发内燃机车，但从消费者买单角度来说，内燃机毕竟是一个已经研究了百年多的课题，而我们的电动车才十年不到。所以我认为在能源结构转型的问题上急不得，千万不能说各个行业、各个企业都要碳中和，都要结构转型。

我们中国是世界最大的制造业国，我们有一些高能耗企业、制造业的成本比别人低。如果说你盲目进行转型升级，为了降低能耗反而把成本大幅度提高，那么中国制造大国地位就不复存在了。所以，我认为能源结构调整要科学计算后，慎重调整。

另一方面，如果碳中和右端产业发展起来，当企业在特殊情况下，用不了电只能用化石能源，这时，请第三方来进行补给会是一个好的选择。这样创造了新产业、新的 GDP、新的赛道、新的就业模式，是一举数得的好机会。因此大家不要去想着每个人一定要干什么事情，而是每个人做好自己分内的事情。

观察者网：在储能问题上，成本是其最⼤掣肘，虽然过去⼏年成本已经有下降，但“⼗三五”期间，我国储能的度电成本依然⾼达0.4-0.6元。未来储能成本是否有可能下降？如何下降？储能安全性⼜会如何？

陈曦：储能行业大家研究了很多，这么多年下来，应该说遇到了瓶颈。

在大规模应用方面，没有一项技术比抽水蓄能更靠谱，但抽水蓄能有极强的季节性，而容量很有限，我们就只有那么多水库。其他凡是能量密度低的安全储能技术，一进一出能量效率必然不行，比如抽水蓄能的效率就70%。

能量效率高的电化学储能，目前还没有看到比锂电池更靠谱的办法，而且锂电池本身也有巨大的安全隐患。比如前几年一些锂电池储能站爆炸的事件，更不要说新能源车在这方面的顾虑了。

新的储能技术到底能不能出得来，我们还是拭目以待。

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