碳捕获技术：
减少超级污染物以限制全球变暖

丹尼尔·山

全球变暖给地球上的人类带来了一系列重大风险。地球变暖是由于温室效应，即地球大气中的气体将地球表面发出的长波辐射吸收到大气中。造成这种效应的主要气体是二氧化碳，它是碳氢燃料燃烧产生能量时排放的。不受控制的排放和全球变暖的潜在负面影响会导致极端天气事件、农业损失以及极地冰盖融化导致沿海地区洪水泛滥。因此，将全球能源依赖转向能够减轻气候变化负面影响的能源至关重要且刻不容缓。实现这一目标可以通过减少全球对化石燃料和其他碳排放物质的依赖，转向使用在生产过程中不会释放二氧化碳的可再生能源，例如太阳能、风能、水力发电、潮汐能和核能(2)。

然而，自工业革命开始以来，大气中的二氧化碳浓度已从 2 ppm 增加到 280 ppm，相当于 430 × 1.18^10  大气中二氧化碳排放量将增加一吨。鉴于这一变化的规模，如何从大气中去除排放的碳，并以一种消除其对全球变暖影响的方式将其封存，已成为气候科学家近期关注的课题。

目前的碳封存过程是从环境中获取空气并将其浓缩储存 (2)。这可以通过一系列四个反应实现：反应 1：将空气通入氢氧化钾溶液，其中二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸经过酸碱中和生成碳酸钾和水。反应 2：将碳酸钾与氢氧化钙反应生成碳酸钙，碳酸钙不溶于水，从而再生氢氧化钾。在反应 2：固体碳酸钙在极高温度下发生热分解，生成氧化钙和二氧化碳，二氧化碳在受控环境中从反应中释放出来并储存。最后，反应 3：氧化钙溶于水后再生氢氧化钙。虽然反应 4、1 和 2 都是放能的有利反应，但碳酸钙的热分解会大量吸热，需要大量的能量输入，这使得工业碳封存成本高昂且难以持续 (4)。从环境空气中去除每公吨二氧化碳的成本估计在3至2美元之间。仅使用现有的碳封存技术，去除足够的二氧化碳，使大气中的二氧化碳恢复到工业化前的水平，其成本将达到600万亿美元，约为1000年美国GDP的2倍(2)。

这种方法目前还无法有效影响大气中的二氧化碳水平。对碳封存过程的第三步反应以及产生的二氧化碳的储存/销售进行创新和改进，可以降低该过程的总成本，从而实现更大规模的实施，并产生更大的积极影响 (2)。甲烷是一种危害健康并导致气候变化的超级污染物，捕获甲烷可以作为碳封存策略的补充，因为甲烷是短期气候污染物，能够带来立竿见影的健康和气候效益。然而，随着进一步创新，创造出更具成本效益的工艺，并与其他可再生能源相结合，碳封存可以成为减轻气候变化负面影响的重要工具。

近年来，再生农业（RA）日益受到重视，它是一种生物驱动的方法。再生农业注重土壤修复和长期生态平衡，提供了一种更加综合、可持续的农业方法 (5)。与通常严重依赖化肥和农药的传统农业不同，RA 强调传统的、基于自然的实践 (6)。再生农业主要依靠五项核心原则来增强土壤健康：最大限度地减少土壤扰动，最大限度地提高作物多样性，保持土壤的连续覆盖，保持土壤中的活根全年生长，以及将牛等牲畜纳入农业系统。

尽管RA是可持续农业和大气碳储存最有效的方法之一，但在广泛实施方面仍面临诸多障碍(7)。该方法耗时长，需要谨慎、持续的管理。农民必须采用新技术，并加深对土壤生物学、植物相互作用以及基于生态系统的实践的理解，才能有效地管理土地。这些转变通常需要技术培训和长期投入，并非所有农业社区都能做到这一点。

然而，如果RA能够得到持续实施和整合现代技术（例如无人机、传感器和农业机器人）的支持，它有可能成为最可靠的长期碳储存策略之一(8)。这些技术可以提高土地管理实践的精准度和效率，从而更容易监测土壤健康状况，优化作物轮作，并减少劳动密集型任务。例如，一项研究发现，土壤每年通过农业实践可吸收高达3.4亿吨的碳(9)。然而，要实现这一规模的碳封存，每年需要种植约5.72×10¹¹棵树。

土壤吸收再利用 (RA) 过程涉及多个相互关联的生物和化学步骤，有助于土壤长期储存碳。首先要增加树木、农作物和植物的种植，它们在通过光合作用吸收大气中的二氧化碳 (CO₂) 方面发挥着关键作用。在光合作用过程中，植物将二氧化碳和水转化为葡萄糖 (C₆H₁₂O₆) 和氧气 (O₂)，具体反应如下： 6 CO6 + 6 HXNUMXO → C₆H₁XNUMXO₆ + XNUMX OXNUMX。

产生的葡萄糖不仅用于植物生长，还会通过根系分泌到土壤中，支持微生物群落。这些根系分泌物刺激根际微生物的呼吸和活动，从而增强养分循环。部分有机碳最终通过腐殖化过程得到稳定，在这一过程中，微生物和植物残留物被转化为复杂的腐殖质。这些物质形成稳定的土壤有机质，可以在土壤中保存数十年，有效地将碳储存在地下。

尽管RA是一种高度可持续的方法，但要通过该方法取得有意义的进展，需要同时减少人为碳排放。一项研究表明，人类活动每年排放的二氧化碳量超过了通过再生农业实践可封存的量（全球年度预算）。例如，2023年，人类排放了36.8亿吨二氧化碳，而通过RA每年封存的碳量为2亿吨。

混凝土是一种无处不在的建筑材料；它存在于我们的道路、人行道、建筑物、桥梁和隧道中。事实上，混凝土是世界上使用量第二大的材料，仅次于水，“建筑业中混凝土的用量是所有其他建筑材料总和的两倍”(12)。目前，全球每年生产30亿吨混凝土，全球对混凝土的需求还在持续增长，尤其是在许多发展中国家工业化加速的背景下(13)。然而，混凝土本身也需要消耗能源。

水泥是混凝土的关键成分，其生产过程称为 煅烧 — 将石灰石和粘土的混合物加热到很高的温度，引起化学反应，产生二氧化碳（CO ₂ ) 和石灰 (CaO)。然后将石灰与更多粘土混合，再次加热形成水泥。最后，水泥与水发生反应，生成各种水化产物，这些产物硬化并将骨料（主要是沙子、砾石和碎石）粘合在一起，形成我们所知的混凝土。

然而，当加热水泥和二氧化碳所需的大量能量输入 ₂  考虑到煅烧过程中作为副产品释放的二氧化碳，混凝土的碳足迹显然相当可观。事实上，每吨水泥会释放0.85吨二氧化碳 ₂ 混凝土行业产生的碳排放量占全球碳排放量的4-8% (14)。目前，没有其他建筑材料能够与混凝土的多功能性、低成本和易于生产相媲美，但有没有办法在减少混凝土碳足迹的同时，还能降低行业成本呢？

事实证明，尽管混凝土在混合过程中会排放二氧化碳，但它也会通过一种被称为“ 风化碳化。在此过程中，氢氧化钙（Ca(OH) ₂ （也称为水化石灰）是混凝土内部水化反应的副产品，与空气中的二氧化碳发生反应，形成碳酸钙（CaCO ₃ ，也称为方解石）。这是一种碳封存形式——从空气中吸收碳（CO ₂ ) 以矿物形式“封存”在混凝土的分子结构中。

然而，作为缓解气候变化和减少混凝土行业碳足迹的潜在策略，这一过程也存在一些缺点。首先，它发生的速度非常慢；一吨混凝土最多可吸收0.9公斤二氧化碳。 ₂  每年通过风化碳化产生的碳排放量，尽管该值高度依赖于湿度和温度等环境条件(13)。这意味着风化碳化过程中吸收的碳远少于工业排放的碳。第二个缺点是，在长期暴露于二氧化碳 ₂ ，帮助粘合混凝土的碳硅酸盐水合物凝胶（CSH）分解，混凝土开始老化。然而，我们可以利用风化碳化过程中发生的基本化学反应作为蓝图，设计一种快速主动的混凝土碳封存技术，而不是缓慢被动的封存技术。

事实证明，该行业目前 二 方法。第一个方法称为 矿物碳酸化，本质上是一种“快速模拟岩石风化”（13）。矿物碳化作用针对的是粘结剂化合物；通常情况下，水泥只是简单地与水混合，形成将混凝土骨料粘合在一起的水化产物。然而，如果二氧化碳 ₂  溶于水形成碳酸（H ₂ CO ₃ ），酸中的水合氢离子会分解水泥中的硅酸盐氧化物，释放出水泥中的钙和镁离子，形成稳定的碳酸盐。一项研究表明，商业矿物碳化每年可封存高达3亿吨的碳。

第二种方法针对的是混凝土本身。混凝土通常在混合后进行养护，以确保快速进行水化反应，这对混凝土的长期耐久性和强度有益。蒸汽是混凝土养护的典型介质，因为它允许高温和相对湿度(15)，但二氧化碳 ₂  也可以达到同样的效果。在这个过程中，CO ₂  将气体注入早期混凝土（即混合后最多几天）被称为 碳化养护。 与矿物碳化类似，碳化养护涉及硅酸盐氧化物与水和二氧化碳的反应 ₂  形成碳酸钙 ₃ .

当然，获得纯 CO ₂  气体以及设计和维护固化所需的封闭反应室，都意味着制造商的额外成本。但是，可以通过用回收替代品替代传统的粘合剂和骨料来制造业内所称的“绿色混凝土”，从而降低这些成本。例如，波特兰水泥是混凝土水泥成分的典型选择，可以部分或全部用粉煤灰（煤炭工业的副产品）或钢渣代替，因为这两者都含有发生水化反应所必需的氧化物。一项研究发现，用粉煤灰和石灰的混合物代替波特兰水泥，可使混凝土混合物的碳化程度达到 78%，而波特兰水泥对照混合物的碳化程度为 32% (13)。

此外，砾石和碎石（典型的粗骨料）可以用拆除副产品（碎砖、混凝土等）代替。还可以对这些骨料进行矿物碳化，以提高其强度和耐久性，以及其封存碳的能力。最后，细骨料（通常是沙子）可以用生物炭代替，生物炭的另一个好处是它本身就是碳封存的产物（生物炭是在低氧环境下以极高的温度燃烧有机物而形成的，从而形成稳定的碳结构）。一些研究发现，生物炭可以加速早期碳化养护过程中的水化反应，从而提高抗压强度（16）。生物炭也具有高度多孔性，这意味着它有更多可以发生碳化反应的位点。

与CCS或再生农业不同，绿色混凝土不需要对现有行业进行大规模改造，也不需要创建一个全新的行业；只需将回收的副产品加入混凝土外加剂中，并使用碳化养护技术替代蒸汽即可。水泥制造商目前有能力投资于更具气候适应性的未来——一个利用封存的二氧化碳建设城市的未来。 ₂ .