【专题报道】捕集空气中的二氧化碳将其变废为宝大有可为——访哥伦比亚大学教授陈曦

2018 年 12 月 4 日

众所周知,地球正在迅速变暖,冰川和冻土在逐渐消融,海平面在逐步上升,日益严重的气候变化使自然生态系统的平衡受到破坏,使人类的食物供应和居住环境受到威胁。而导致全球变暖和发生气候变化的一个重要原因就是温室气体的急剧增加。由于二氧化碳在温室气体排放量中占有最大的比重,因此在减缓气候变化的进程中,控制二氧化碳的排放便成为关键所在。在波兰卡托维兹气候变化会议召开之际,我们对哥伦比亚大学地球和环境工程系教授陈曦博士进行了采访,请他就捕集二氧化碳并加以利用的问题发表了真知灼见。请听李茂奇的报道。

政府间气候变化专门委员会在应《联合国气候变化框架公约》秘书处的邀请而编写的《二氧化碳的捕集和封存》报告中指出,减缓气候变化的方案包括提高能源效率,向低含碳量燃料转变,采用核能、可再生能源,增加生物汇,以及减少非二氧化碳温室气体的排放。此外,对二氧化碳进行捕集和封存也是稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案。报告认为,捕集和封存二氧化碳的潜力是相当可观的,与只考虑其他气候变化减缓方案的策略相比,它能够从工程化的角度降低减缓气候变化的成本,并增加实现温室气体减排灵活性的潜力。

 

世界银行图片/Wu Zhiyi
北京的雾霾天气说明治理空气污染刻不容缓。

 

哥伦比亚大学教授陈曦在采访中首先对二氧化碳的属性和捕集二氧化碳的意义进行了“释疑解惑”。

陈曦:“众所周知,二氧化碳是温室气体。它能够带来全球气候变化,而且近年极端气候的产生有很大一部分也和二氧化碳相关。但其实二氧化碳可能带来的并不仅仅是气候变化。事实上,二氧化碳是酸性气体,过量的二氧化碳导致海水的酸度增加,可以融化珊瑚礁并进一步导致海洋生态链的崩溃。所以有的学者也认为二氧化碳可能是第六次生命大灭绝的开始,而且它现在已经正在发生了。所以说我们要想保护我们地球的环境、保持可持续发展,我们必须要把大气当中的二氧化碳含量降下来。”

二氧化碳的捕集和封存是指将二氧化碳从工业或相关能源的排放源分离出来,输送到一个封存地点,并且长期与大气隔绝。陈曦表示,二氧化碳排放源有很多,单一地要求某些工业企业进行捕集是远远不够的。比如说发电厂排放的二氧化碳的比率其实并不高,而全球有几乎一半的二氧化碳排放来自飞机和汽车,但不可能要求飞机和汽车捕集其排放的二氧化碳。所以,必须要有一种在全世界通行可行的大规模低成本捕集二氧化碳的方式,这种方式就只能够是直接从空气当中来捕集二氧化碳。

陈曦:“在早些年的时候,很多的科学家致力于从集中排放的源头——比如像电厂来捕集二氧化碳,但是后来大家意识到这是一个全球性的问题,单纯凭少数国家的一些针对部分工业企业的减排政策已经不能够阻止二氧化碳的量快速上升。就在今年早些时候,英国皇家工程院对全球发布了一本白皮书,叫“Greenhouse Gas Removal”(温室气体移除),里面已经明确提出了唯一可行的大规模的工程化捕集二氧化碳的方法就是从空气当中直接捕集。但是空气捕集无疑有一定难度的,其中最大的难度就是假如存在一种很好的二氧化碳吸附剂的话,如何让它能够在释放了二氧化碳之后,这个吸附剂可以还原成原来的状态;也就是如何能够用最少的能耗来重复使用(再生)这个吸附剂,这个是困扰了很多科学家数十年的问题。我所领导的在哥伦比亚大学的团队在近年成功地攻克这一难题,我们通过理论、实验室试验,还有中试试验都完美地诠释了我们只需要通过控制环境的湿度,就可以让二氧化碳的吸附剂再生。换句话说我们现在所发明的吸附剂只需要是干燥的时候就可以吸附二氧化碳。而之后只要往上喷一点点水汽,这张纸一样的吸附剂就可把二氧化碳释放出来,因此它的再生能耗是非常低的,从而使得大规模、低成本、高效率从空气中捕集二氧化碳成为可能。”

 

摄影:哥伦比亚大学时笑阳
陈曦教授实验室首创的二氧化碳吸附薄膜,可高效低成本地直接从空气中捕集二氧化碳。

 

 陈曦表示,早年,科学界认为二氧化碳是一个没有用的产品,主张捕集二氧化碳之后只能埋入地下封存。但其实无论能源循环,工业界中常见的材料循环,甚至是生命循环,其本质都是碳元素以不同的化合物的形式在循环,因此人们需要寻找到相对经济快捷地把二氧化碳转变为其他具有附加值的产品的路径。他认为,二氧化碳从空气当中直接捕集下来以后可以有四大综合利用路径,均可以创造显著的经济价值和社会效益。

陈曦:“第一就是富碳农业,也就是我们的植物和农作物本身就需要二氧化碳,通过光合作用把它转变为碳水化合物能够茁壮成长。如果说我们把大棚里空气中的二氧化碳浓度提高到现在五倍的话,那么很多作物的生长周期可以缩短,以及它的生长个体可以大幅度地增加,导致农业增收,所以这一块可以为富农经济做出重要贡献。第二,就是我们利用类似的想法可以让二氧化碳来引导藻类作物的生长,藻类可以承受很高的二氧化碳浓度,并且通过微生物转换将其转化为碳水化合物,并进一步制造为生物质乙醇或者生物质柴油,从而成为我们的新能源的一个重要的补充。第三大类就是将二氧化碳通过工程化的方法,将其直接转变为燃料或者其他有附加值的化工产品。在这一方向,我们最近在世界上首次展示了即便是从空气中直接捕集的超低成本二氧化碳里面混有大量的空气,我们仍然能够以接近百分之九十的转换效率,将混合气还原成合成气和其他有价值的燃料,从而实现了将二氧化碳低成本转化为燃料这样一个全合成碳循环的可能路径。第四,就是与其将二氧化碳封存在地层的无机矿物里面,还不如将它封存在我们世界上所拥有的体量最大的材料——也就是水泥和混凝土当中。二氧化碳渗入到水泥当中去后,对水泥有强化效果,可以制成有高附加值的产品。因此我们相信随着低成本空气捕集二氧化碳技术的进一步成熟,上面的这四大二氧化碳应用领域必将催生新的产业链、创造可观的经济效益和社会效益。”

 

世界银行图片/Lundrim Aliu
科索沃的一处传统煤炭发电厂,大量的温室气体直接排入空中。

 

陈曦表示,近年来,随着美国政府部分人持有一些对全球变暖较为不负责任的论点,欧美一些国家的主要的科学家开始将眼光渐渐地投向了中国和其他国家,在这个时候中国有关机构出面来协调组织一个国际化大科学平台的行为,将是对人类科学和技术发展进步的重要贡献。

陈曦:“我们相信通过从空气直接捕集二氧化碳这样的一个独特的视角,能够在全世界任何地方把空气当中免费的碳元素捕集下来,并且就地开展综合利用,也就是我们能够有一个将全球碳资源进行重新分配的独特机遇。目前,中国有关机构有意协调和组织关于二氧化碳捕集、利用和封存的大型国际科研平台,也将在这方面进行巨大的投入,期望能够在这方面联合全世界的科学家,在解决全球变暖以及碳资源的综合利用方面做出重要的贡献。”

陈曦表示,哥伦比亚大学工程学院的座右铭是“工程造福人类”。他希望通过自己所掌握的工程技术,能够真正地为人类和社会做出一些贡献。

陈曦:“我是一个科学家,我从小就梦想能够用一些颠覆性的理念为整个社会,能够为人类做些事情。如果通过我们的努力,能够把二氧化碳变废为宝,既解决了全球变暖的问题,又能够创造出新的、有重要经济效益和社会效益的共生产业链的话,那么我觉得我们的科学技术是在真正地为人类、为社会服务。”

李茂奇,联合国纽约总部报道。