世界無法承受向大氣中排放更多二氧化碳。然而，它並沒有減少排放。所有跡象都表明，CO2濃度將在未來幾十年繼續上升。儘管可再生能源獲得了大力支援，但發達國家和發展中國家未來可能會燃燒更多的石油、煤炭和天然氣。
對於交通運輸而言，石油的替代品似乎尤其遙遠。電動汽車的車載能量儲存非常困難；在相同的質量下，電池儲存的能量不到汽油的 1%。在車輛上攜帶氫氣所需的儲存體積是汽油的 10 倍，而且容納氫氣所需的高壓罐非常重。儘管一些由生物質衍生噴氣燃料驅動的飛機已經進行了首飛，但生物燃料能否以航空公司……或船舶所需的數量和低價格生產出來尚不清楚。
那麼，我們如何才能阻止 CO2 濃度超過目前的百萬分之 389 的水平呢？除非我們禁止碳基燃料，否則一種選擇是從空氣中提取 CO2。擴大森林面積可以吸收一些氣體，但人類產生的氣體量如此之大，以至於我們根本沒有足夠的土地來封存足夠的氣體。幸運的是，過濾機器——可以把它們想象成合成樹——可以比同等大小的天然樹木捕獲更多的 CO2。
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幾個研究小組正在研究原型機，其中包括佐治亞理工學院、加拿大卡爾加里大學、瑞士蘇黎世聯邦理工學院以及我在哥倫比亞大學和位於亞利桑那州圖森市的全球研究技術公司的團隊。所有設計都涉及同一主題的變體：當空氣吹過一個結構時，它會接觸到一種“吸附劑”材料，該材料會化學結合 CO2，留下氮氣、氧氣和其他元素飄散開來。
二氧化碳必須大規模捕獲才能遏制氣候變化，但基本概念已經確立。幾十年來，洗滌器一直在去除潛艇和宇宙飛船內部空氣以及用於生產液氮的空氣中的 CO2。各種化學過程都可以完成這種洗滌，但使用固體吸附劑的機器有望在單位所需能量下捕獲最多的氣體。早期的、小型原型裝置表明，廣泛推廣固體吸附劑機器可以阻止甚至逆轉大氣 CO2 的上升趨勢。
一個大型過濾器
與它們的綠葉同類一樣，空氣捕獲機器也有不同的形狀和尺寸。旨在超越實驗室原型的演示裝置應該每天捕獲一噸到數百噸的 CO2。哥倫比亞大學和全球研究技術公司正在開發的設計提供了一個技術如何工作的例子。吸附劑材料的細纖維被排列成大的扁平面板，類似於爐子過濾器，寬一米，高 2.5 米。直立的過濾器面板將圍繞一個圓形水平軌道旋轉，該軌道安裝在標準的 40 英尺（12.2 米）集裝箱頂部。面板將暴露在空氣中。一旦它們裝載了 CO2，它們將離開軌道並向下進入容器內部的再生室。在那裡，捕獲的氣體將從吸附劑中釋放出來並壓縮成液體。更新後的面板將被移回軌道上，以從風中提取更多的氣體。
空氣捕獲機器收集的 CO2 可以被工業界有利可圖地使用，也可以像實驗性碳捕獲和儲存系統中那樣，透過管道輸送到地下，這些系統主要用於燃煤發電廠。然而，作為一種誘人的替代方案，這種氣體可以用作運輸用合成液體燃料的原料。電力將從 CO2 分子中分解出一個氧原子，並從水分子 (H2O) 中分解出一個氧原子。由此產生的 CO 和 H2 混合物被稱為合成氣，這種氣體透過其他方式製成，近一個世紀以來一直被用作燃料和塑膠的原料。多年來，南非能源公司 Sasol 一直使用煤炭生產的合成氣製造合成汽油和柴油。因此，空氣捕獲可以抵消燃燒化石燃料的車輛的排放，或者幫助用不需要開採煤炭、石油或天然氣的合成液體燃料取代這些燃料。
當然，空氣捕獲不僅必須在化學上可行；它還必須實用、具有成本效益和能源效率。為了實用，從空氣中捕獲 CO2 所需的裝置必須緊湊。在一天之內，超過 700 公斤的 CO2 會透過一個門大小的開口，在地面或高空，該開口暴露在每秒 6 米的風速下，這在風車場很常見。這個量相當於美國 13 個人在同一時期內的 CO2 排放量。雖然空氣收集器可能看不到如此高的風速，並且過濾會減慢流動速度，而且即使捕獲 100% 的氣體不太可能，但收集器仍然會很緊湊。
在評估成本時，必須考慮兩個基本步驟：從空氣中吸收 CO2 以及從吸附劑中回收碳。透過與風車的比較，我早期得出結論，使用吸附劑過濾空氣的成本可能很小。隨後將 CO2 從吸附劑中釋放出來的行為主導了整個過程的成本。然而，空氣捕獲仍然是比洗滌數百萬輛汽車的尾氣更實用的替代方案，因為大量的 CO2 必須儲存在每輛車上並返回到收集點（發動機每燃燒一公斤汽油會產生三公斤 CO2）。洗滌環境空氣更可行。
溼式吸附劑還是乾式吸附劑
從化學家的角度來看，成功的吸附劑必須足夠牢固地結合 CO2 以吸收氣體，但又不能結合得太牢固以至於隨後釋放氣體進行儲存的成本很高。環境空氣中的濃度約為 0.04%，而燃煤電廠煙氣中的濃度為 10% 至 15%。但吸附劑所需的強度僅隨二氧化碳濃度略有變化，因此用於空氣捕獲的吸附劑強度可以與用於煙氣洗滌的吸附劑相似。
吸附劑可以構建成固體或液體。液體很有吸引力，因為它們可以在收集器和再生器之間輕鬆轉移。保持液體與環境空氣的良好表面接觸具有挑戰性，但用於此任務的化學工程方法已廣為人知。例如，David Keith 在卡爾加里大學和一家名為 Carbon Engineering 的新創業公司工作，他正在使用氫氧化鈉溶液，該溶液滴入塑膠表面床中，空氣透過風扇吹入其中。移動液體很容易，但二氧化碳與氫氧化鈉的強結合使得從吸附劑中去除二氧化碳相對困難。
固體吸附劑是理想的，因為它們的表面可以粗糙化，從而為 CO2 分子創造更多的結合位點，從而提高吸收率。然而，將固體吸附劑移動到再生室和從再生室移出比液體更困難。一個名為 Global Thermostat 的商業合作伙伴關係，基於佐治亞理工學院的工作，正在研究加熱以釋放它們捕獲的 CO2 的固體吸附劑。
固體和液體吸附劑都依賴於酸鹼化學。二氧化碳是一種酸，大多數吸附劑是鹼。它們相互反應形成鹽。例如，氫氧化鈉，俗稱苛性鈉，是一種強大的吸附劑，它透過形成碳酸鈉（純鹼）來結合二氧化碳。碳酸鈉仍然是鹼性的，可以吸收更多的二氧化碳，轉化為碳酸氫鈉（小蘇打），碳酸氫鈉也是一種鹼。類似的化學反應也發生在其他吸附劑中。
原則上應該可以從碳酸氫鹽中去除 CO2 並將吸附劑返回到其氫氧化物狀態，從而不斷迴圈利用吸附劑。但在實踐中，再生方法似乎僅在半步中效果良好：它們要麼從碳酸氫鹽中去除二氧化碳，生成碳酸鹽，要麼從碳酸鹽中去除二氧化碳，生成氫氧化物。在碳酸氫鹽和碳酸鹽之間來回迴圈是更可取的，因為一旦 CO2 與吸附劑結合，釋放 CO2 所需的能量更少。
幾類創新的吸附劑可以在碳酸鹽和碳酸氫鹽之間轉換。一類包括所謂的陰離子交換樹脂。這些塑膠狀碳酸鹽聚合物用於各種化學工藝，包括製備去離子水。樹脂中的正離子固定在原位，負離子可以移動。透過在提供不同負離子的溶液中洗滌樹脂，可以將一組負離子交換為另一組負離子。
全球研究技術公司設計了一種這樣的碳酸鹽樹脂。由幹樹脂製成並暴露在風中的過濾器會裝載二氧化碳，直到樹脂達到碳酸氫鹽狀態。潤溼樹脂會釋放捕獲的二氧化碳，樹脂會恢復為碳酸鹽。一旦樹脂乾燥，它就可以再次開始吸收二氧化碳。
在我們計劃的系統中，一個裝載的過濾器將下降到位於集裝箱內部的再生室中。空氣將被抽出，並且將新增水，可能以霧的形式。潮溼的樹脂將釋放 CO2，CO2 將被抽出並壓縮成液體。壓縮還將迫使任何殘留水蒸氣冷凝成純水，純水將被抽出並重復使用。清潔後的過濾器將升回到再生室上方乾燥，然後恢復在集裝箱上方吸收二氧化碳。
這種機器的能量消耗主要由兩個步驟決定。第一步是將空氣從再生室中抽出。第二步需要更多的能量，是將二氧化碳從不到一個大氣壓壓縮到液化所需的壓力（幾十個大氣壓，取決於溫度）。從我們的設計中收集 1.0 公斤二氧化碳的總過程將需要 1.1 兆焦耳的電力。相比之下，當美國各地的發電廠平均計算時，產生 1.1 兆焦耳的電力會產生 0.21 公斤的二氧化碳。因此，空氣捕獲過程收集的二氧化碳遠遠多於其透過能源消耗產生的二氧化碳。
能源所需的實際成本約為每噸二氧化碳 15 美元——略高於從煙囪中洗滌氣體的成本。然而，目前，部署裝置的大部分費用將用於製造和維護，隨著生產數量的增加，這些成本將會降低。我預計空氣捕獲的初始成本約為每噸二氧化碳 200 美元，隨著建造更多收集器，價格將大幅下降。
使用它，儲存它
除了儲存之外，可以對所有將被收集的 CO2 做些什麼呢？有幾種選擇。
許多行業使用二氧化碳——為飲料充氣、冷凍雞翅和製造乾冰。這種氣體還用於刺激室內作物的生長，並作為無汙染的溶劑或製冷劑。工業來源很少，因此價格受運輸成本驅動。在美國，CO2 通常售價超過每噸 100 美元，但在偏遠地區，價格可能會翻一番或兩番。世界市場每年接近 3000 萬噸，其中一部分可以由空氣捕獲裝置提供服務。
食品加工等利基市場可以提供立足點。隨著製造更多空氣捕獲裝置，價格將會下降，市場規模將會擴大。一旦捕獲的 CO2 的價格降至遠低於每噸 100 美元，提取物也可以作為碳信用額出售，就像在倫敦碳交易所交易的碳信用額一樣。
新興市場可以加速該技術的成熟。自 20 世紀 70 年代以來，石油公司購買 CO2 用於提高採收率；這種氣體被泵入地下，以從日漸減少的油田或氣田中強制採出更多的石油或天然氣。如果 CO2 來自空氣捕獲，這些公司可以為留在地下的氣體申請碳信用額；通常大約一半的注入氣體自然地留在那裡。提高石油採收率是一個潛在的大市場，但許多油田遠離 CO2 來源。在油田上方安裝捕獲裝置可以改變這種動態。
然而，隨著清潔能源的出現，空氣捕獲的獎勵將是使用 CO2 原料生產新鮮的液體燃料。如前所述，成熟的技術（如電解和逆水煤氣變換反應）可以從 CO2 和水中生產合成氣，從而實現燃料合成。最大的成本是所需的電力。
在燃料合成變得經濟實惠之前，人類將不得不處理其產生的所有排放物。地質封存和礦物封存等技術正在開發中，用於儲存燃煤電廠收集的 CO2。空氣捕獲可以與相同的儲存方法一起使用，並且機器可以安裝在相同的處置場所。
全球降溫
在清潔運輸技術變得更加高效之前，從空氣中提取碳將允許汽車、飛機和輪船繼續燃燒液體燃料，其排放物由遙遠的空氣收集器捕獲。而且“遙遠”是事實。與臭氧或二氧化硫不同，CO2 在大氣中停留數十年至數百年，使其有充足的時間廣泛傳播。大氣混合得非常徹底，以至於在澳大利亞從空氣中去除 CO2 並抵消北美排放量是合理的。甚至可以在排放物釋放之前去除等量的氣體；一輛汽車可以透過在其下線之前收集其估計的 100 噸終生排放量來實現碳中和。
空氣捕獲也可能是封存發電廠排放物的更便宜的方式，特別是那些不容易改造煙囪洗滌器或遠離儲存場所的舊發電廠。在未來大氣 CO2 濃度已經穩定的世界中，空氣捕獲甚至可以降低水平。實際上，空氣捕獲可以處理過去的排放物。
除了成本之外，批評者認為，大量的空氣捕獲機器會消耗大量能源，他們還指出，過濾器是由石油衍生的塑膠製成的。在我看來，一個更大的障礙是，對於每收集一噸 CO2，幾噸水會蒸發到大氣中，因為溼過濾器會變幹。但是，如果大規模實施空氣捕獲，它可能會開始糾正氣候變化。可運輸的裝置每天可以收集大約一噸二氧化碳。一千萬個這樣的裝置每年可以收集 36 億噸，這將使大氣水平每年降低約 0.5 ppm。如果隨著時間的推移，這些裝置每天可以處理 10 噸（這將需要改進的吸附劑），那麼每年的減少量將為每年 5 ppm，這超過了目前全球增長的速度。請注意，即使 1000 萬個裝置看起來很多，但世界每年生產約 7100 萬輛汽車和輕型卡車。
最初，捕獲 CO2 的成本將很高，如前所述，約為每噸 200 美元。然而，如果該技術遵循標準的學習和製造成本曲線，我們最終可能會得到由材料和能源主導的成本，這將使捕獲成本降至每噸 30 美元左右。到那時，新增到一加侖汽油中的用於支付捕獲其產生的 CO2 的成本將為 25 美分——這是一個非常值得支付的價格。