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盤點數種最新二氧化碳捕獲技術
專欄：行業新聞
發布日期：2009-03-12
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科技能否還我們白云藍天？
捕碳技術行不行？ 近年來，一些氣候科學家，特別是像美國航天局的詹姆斯·漢森說，這1百萬分之385太高了，我們需要的不只是減緩二氧化碳增長的速度，而且還要盡快收拾我們已造成的這個殘局。這項工作就像是在每100萬根麥秸堆成的草堆中尋找385根無形、無色的針。我們找到并取走它們的機會能有多少？ 許多科學家和工程師認為，這幾乎是零。他們說，要從空氣中消除二氧化碳完全是不可能成功的，因為這需要耗費太多的能源。但這并沒有阻擋少數研究人員嘗試的腳步。他們爭辯說，從空氣中捕獲二氧化碳不僅在理論上可行，很快還會成為一個對付全球變暖的實用武器?？傊?，他們認為，不想法從大氣中清除二氧化碳是我們所不能承受的，這是人類至關重要的最后一道防線。如果漢森是正確的，而且我們也無法再回到從前，再多的太陽能發電和再高的能源效率也救不了我們。我們需要將二氧化碳直接從大氣中清除，而且要快。 捕獲二氧化碳并不困難。事實上，在不久的將來，我們就有可能將發電廠和工廠煙囪排放的大量二氧化碳進行壓縮，并深深地埋在地下。2005年，政府間氣候變化問題研究小組（IPCC）的一個特別委員會得出結論，這一碳捕獲和儲存（CCS）戰略很可能將對應對氣候變化產生重要的作用。由各國政府和能源公司大力支持的整個CCS產業，已經像雨后春筍般地冒出來使之成為了現實。 但是，二氧化碳一旦泄露到露天，捕獲起來就要復雜一些。大氣中的二氧化碳含量大概是煙道中的百分之一，對此IPCC的結論是，就所耗費的能源而言，從空氣中直接捕獲二氧化碳是得不償失的。 美國哥倫比亞大學的克勞斯·拉克納卻提出了不同意見。他也是IPCC的成員之一，作為一名粒子物理學家，他多年來一直在致力于推動從空氣中捕獲二氧化碳的技術。他制定了從空氣中消除二氧化碳所需的最低能源的理論值，并認為IPCC的數字是錯誤的。他說，從空氣中捕獲二氧化碳確實要比從煙道中需要更多的能源，但兩者的差異并不大。 這個計算結果使拉克納深信，空氣濾清器是一個較實用的建議，但他并沒能說服IPCC里的同行。為此，他意識到，他必須親手做一個出來。 拉克納也確實這樣做了。2008年年中，他和他的同事阿倫·萊特用塑料制成了一個從空氣中捕獲二氧化碳的濾清器，并獲得了專利。該設備每天能從穿過垂直塑料片間的空氣中搜集幾十公斤的二氧化碳。拉克納說，如果給他兩年時間，加上2000萬美元的風險投資，當然現在并不容易得到，他就能建造出一個模型，每天可消除1噸的二氧化碳，正好裝滿一個標準的集裝箱。拉克納認為，這樣的設備很快將會引起那些不得不購買二氧化碳排放配額公司的興趣，數以百萬計的這樣的設備最終將會部署以從大氣中吸走二氧化碳，這有助于將我們從全球氣候變暖中拯救出來。 當然，拉克納并不是唯一從事捕碳技術的人。加拿大卡爾加里大學以及瑞士聯邦理工學院的研究團隊也都建造出了實驗室規模的捕碳裝置。 甩掉管道的羈絆 如果說人們對從空氣中捕獲碳的技術越來越關注，這全是因為其潛在優勢是如此之大。一方面，空氣濾清器可從任何地方捕獲二氧化碳，不論規模大小，包括汽車、飛機和供暖系統。這些設備產生了超過全球二氧化碳排放量的1/3，但要完全在排氣管或煙道中來進行捕獲是不切實際的。更重要的是，排放出的二氧化碳會與空氣快速混合，各個地方的二氧化碳含量幾乎都是相同的，空氣濾清器就可以直接放在需隔離的地點。與此相反，對發電廠的二氧化碳捕獲往往要使用數百公里的管道。就像卡爾加里大學的大衛·凱斯所說的那樣，空氣捕碳技術和其他的能源經濟是相脫離的。 3年前，凱斯和他的學生喬蘇阿·斯托拉洛夫建立了自己的第一個捕碳原型裝置，使用的是從燃煤電廠煙塵中去除二氧化硫的“噴霧塔”技術。像二氧化硫一樣，二氧化碳也是一種酸性氣體，可被氫氧化鈉堿性溶液吸收。 凱斯的裝置原型是一個內襯聚氯乙烯的、高達4米的厚重卡板紙圓柱體。需要處理的空氣從頂端吹入，在那里用氫氧化鈉溶液對空氣進行噴淋，氫氧化鈉和空氣中的二氧化碳進行反應后形成碳酸鈉液滴。 這個全工濾清器也可裝配在飛機機庫，從一端用風扇鼓入空氣穿過由天花板的噴嘴中噴出的氫氧化鈉薄霧。地板上的水渠將收集碳酸鈉溶液。 這個系統雖然能工作，但要耗費巨大的能源。在這個過程的最后，碳酸鈉需被變回氫氧化鈉，雖然氫氧化鈉并不貴，但還沒便宜到能承擔得起只用一次就廢棄。這需要一個加熱到900°C的爐子。凱斯認為，他能將所需的能源減半，削減捕獲并吸收二氧化碳的整體成本至每噸100美元左右。雖然這要比污染者根據歐盟排放控制計劃支付的罰款高出很多，但一旦各國政府嚴肅對待氣候變化，罰款也許就遠遠不是目前的數目了。 凱斯承認，空氣濾清器永遠不可能是解決全球氣候變化問題的最經濟方式，但他認為我們也許不管怎樣都得使用他們。 在凱斯忙于調整其現有技術的同時，其他研究人員也在尋求更創新的技術。在瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）專長研究太陽能技術的艾爾多·施泰因菲爾德，在參觀了拉克納的研究所后，對空氣濾清器表現出了極大的興趣。他說：“我們決定，將用太陽能技術來做到這一點?！?span class="Apple-converted-space"> 巧用陽光來除碳 ETH的概念是一個改良型的能源發電技術，稱為集中太陽能發電，主要應用于世界各地的沙漠地區。這樣的發電站包含日光跟蹤鏡，這些鏡子可將日光聚焦產生蒸汽來驅動發電機。施泰因菲爾德解釋說：“我們將鍋爐移走，然后將太陽能反應器放在那里，這樣，我們就能將二氧化碳從空氣中去除?！?span class="Apple-converted-space"> 施泰因菲爾德的反應器是一個裝滿氧化鈣顆粒的透明管子。桌上型版本中的管子只有幾厘米高，并用弧光燈代替日光。當管子被加熱到400℃時，與少量蒸汽混合的空氣被泵入，并由下而上地穿過這些顆粒。在這樣的溫度條件下，氧化鈣與二氧化碳反應生成碳酸鈣。施泰因菲爾德說：“當空氣離開時，那里就沒有二氧化碳了。我們可將1百萬分之385的二氧化碳含量幾乎變為零?！?span class="Apple-converted-space"> 在不到15分鐘的時間里，顆粒大多轉化為碳酸鈣。此時，施泰因菲爾德關閉進氣閥，加強了光度，將反應器中的溫度提高到800℃。這可將二氧化碳作為一股純氣流分離出來，并被送去隔離，用以把碳酸鈣轉化為氧化鈣。研究人員已將他們的反應器運行了5個吸收和釋放的循環，而性能并無下降。施泰因菲爾德認為他的裝置可按比例放大，從大氣中去除大量的二氧化碳，但他尚不清除去除每噸二氧化碳的成本是多少。 利用日光將二氧化碳從空氣中去除，明顯要比凱斯的爐子具有優勢。但是，拉克納認為，如果你打算要將沙漠充滿太陽能聚光器，這可能要比只是將日光變為電力更具環境意義。 拉克納的策略是要降低從空氣中帶走二氧化碳所需的能源使用量。他和他的同事嘗試了各種不同的設計，但是這些設計的核心是離子交換樹脂，這是一種可浸漬在氫氧化鈉中的聚合物。鈉離子緊密附著于聚合物，但氫氧化物是松散的，很容易被二氧化碳取代，二氧化碳跟鈉結合就會形成碳酸氫鈉。拉克納說，卡爾加里的裝置基本上也是基于同樣的化學原理，但由于樹脂片的表面積要大得多，因此反應也要快得多。 這種樹脂還有第二個主要優勢：潮濕時會變形，降低了其與二氧化碳的親和力。拉克納說：“這樣，我們只需加些水，就可以推進二氧化碳的吸收?！?span class="Apple-converted-space"> 卡爾加里大學和瑞士理工學院的空氣濾清器需要900℃的溫度才能再生其二氧化碳吸收材料，但拉克納的設計在40℃的條件下就能做到這一點。拉克納正在對極少量的能源進行處理，不過處理每噸二氧化碳的成本到底有多少，他還沒有作出詳盡的分析。 但他認為，該項技術將廉價到足以適于商業化應用。水果和蔬菜種植者經常在溫室中利用大量的二氧化碳來使空氣富營養化，生產每噸產品需要額外支付300美元的成本。拉克納認為，將其空氣濾清器直接連到溫室就可以大幅降低生產成本。 微型溫室 拉克納的示范裝置其實就是一個大約1米長的微型溫室。一端附有裝滿離子交換樹脂的塑料管，它可以吸收空氣中的二氧化碳。當大部分氫氧化鈉樹脂轉換成碳酸氫鈉時，拉克納就排空管子，將管子插入溫室中的潮濕空氣中，此時二氧化碳可快速釋放到溫室中。該裝置每天可產生1公斤左右的二氧化碳，這將轉化為溫室中番茄植株的生物量。 油氣公司也常成噸地購買二氧化碳來沖刷廢棄油田中的石油。拉克納估計，濾清器每天捕獲的二氧化碳達到1噸之時，也就是他的濾清器在油氣和園藝市場大展宏圖之時。但他此刻必須面對的現實是：等待風險資本來建立一個日產1噸二氧化碳的原型裝置。由于缺乏投資，一家準備將其成果進行商業化的小公司最近終于關張了。 使用空氣捕獲技術來應對氣候變化正面臨著巨大的經濟挑戰。只有等到政府為碳投資設置一個合理的價格，該項技術才能起飛。如果這樣的情況一旦成為現實，就可能開辟出一個新的潛力巨大的市場：從稀薄的空氣中合成燃料。凱斯說，將捕獲的二氧化碳和氫混合就可以制作出燃料。從空氣中捕獲二氧化碳制作的燃料不會導致凈排放量，因為他們釋放的二氧化碳本身就來自空氣。 當然，希望還在。如果我們能及時大規模轉換到太陽能、風能和核能，那么避免氣候危機還為時不晚。但是，如果做不到這一點，空氣濾清器也許可以成為最后關頭的生命線。不過，這也將是一件艱巨的任務。按照目前的排放量，我們將需要每天2000萬噸吸收量的濾清器裝置，才能吸收運輸部門排放的二氧化碳。 1百萬分之385：這就是我們現在大氣中的二氧化碳含量。雖然這比人類將事情弄糟前只增加了1百萬分之100，但極地的冰蓋已開始融化，氣候模式正在發生變化，植物和動物正在向兩極遷徙以找到舒適的存活區域。如何處理大氣中的二氧化碳成了全球關注的一個重要問題。 下一頁：2008年國內十大環保新聞
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